数字语音存储与回放设计报告

四川建筑职业技术学院

实训报告

实训题目：数字化语音存储与回放系统 班 级： 指导老师： 组 员： 实训时间：

四川建筑职业技术学院

2011年11月21日

数字化语音存储与回放系统

摘要

该系统主要由语音收集、增益放大、带通滤波、A\\D、D\\A转换，51单片机、外部RAM存储、功率放大、扬声器几大部分组成。其中语音收集主要由驻极体话筒实现。然后同过增益放大部分将几十毫安的信号放大至0~8A左右。再利用带通滤波滤去带声外地噪音，并由A\\D转换将声音信号转化为数字信号存储在单片机的外部存储器中，可存储时长为4秒左右。再由D\\A转换转变为模拟信号后通过带同滤波滤去噪声，功率放大部分放大功率后，最后由扬声器输出。 关键词

外部RAM 功率放大 带通滤波 A\\D、D\\A转换 51单片机 一、题目

数字化语音存储与回放系统

二、任务

设计并制作一个数字化语音存储与回放系统

三、要求

1．基本要求

（1）放大器1的增益为46dB，放大器2的增益为40dB，增 益均可调；

（2）带通滤波器：通带为300Hz～3.4kHz ； （3）ADC：采样频率f s＝8kHz，字长＝8位； （4）语音存储时间≥4秒；

（5）DAC：变换频率f c＝8kHz，字长＝8位； （6）回放语音质量良好。 2．发挥部分

在保证语音质量的前提下：

（1）减少系统噪声电平，增加自动音量控制功能； （2）语音存储时间增加至20秒以上；

（3）提高存储器的利用率（在原有存储容量不变的前提下，提高语音存储时间）； （4）其它（例如：

校正等）。

四、基本工作原理

1、基本组成原理

人耳所能听到的声音频率范围为20Hz~20KHz,而一般语音频率位于300Hz ~3.4 KHz之间。语音的采集是指将语音声波信号经麦克风和音频放大器转换成由一定幅度的模拟量电信号，任何再转换成数字量的全过程。语音数字量可在单片机控制下存入存储器。

单片机语音生成过程可以看成是语音采集过程的逆过程，但又不是原封不动地恢复原来的语音，而是对原来语音的可控制、可重组的实时恢复。在放音时，只要依原先的采样值经DAC接口处理，便可使原音重现。

典型的数字语音存储与回放系统的基本组成框图1如图所示。它主要包括采集的前向通道和回放的后向通道两大部分。带一定存储量的单片机小系统负责整个系统的控制及数据的存储。

2. 主要技术指标

（1） 话音放大器增益

话音放大器的电压放大倍数。话音放大器的主要作用是完成拾音器输出的毫伏级的话音电压放大，以适应AD转换。 （2）输出功率

输出失真度小于某一数值时的功率放大器的最大功率。

（3）带通滤波器通频带

通频带一般为300Hz ~3.4 KHz，用于语音滤波，前置通道中的带通滤波主要用于抗混叠，后置通道中的带通滤波则主要期平滑作用。 （4）采样频率及精度

采样频率及精度分别指A/D转换的速率和分辨率。 （5）存储时间

存储时间指存放语音的最长时间与系统的存储容量、采样频率及精度、存储编码格式等因素密切相关。

五、方案论证

1、题目分析

根据题目要求：该数字化语音存储与回放系统要做到如下要求：

1）放大器1的增益为46dB，放大器2的增益为40dB，增 益均可调；

2）带通滤波器：通带为300Hz～3.4kHz ； 3）ADC：采样频率f s＝8kHz，字长＝8位； 4）语音存储时间≥4秒；

5）DAC：变换频率f c＝8kHz，字长＝8位； 6）回放语音质量良好。

要做到放大器1的增益为46dB，即为放大倍数为200倍；放大器2的增益为40dB即为放大倍数要达到100倍。而语音存储时间要大于4秒，则必须引入外部存储器才能够实现。 2、方法讨论 a、语音采集

方法一：实用专用的语音芯片。

方法二：使用驻极体传感器收集语音信号，收集到得语音信号为几十~几百mv，频率为20hz~20khz。

因为题目要求不能使用单片机专门的语音芯片，且人可以接收到的语音信号在3kHz~3.4kHz之间，包含与驻极体传感器能收集到的语音信号的范围内，且驻极体传感器较为便宜，电路简单。所以选用驻极体话筒制作语音采集模块。 b、增益放大：

因为驻极体话筒采集到的语音信号只有几十~几百mV，难以被识别并且较易失真，所以必须使用增益放大电路来放大输入信号。

方案一：采用两个741芯片分别组成反相比例放大器进行10倍、20倍的放大。

方案二：利用一个358芯片制作两级反相比例放大器，两级放大倍数分别为10倍和20倍。 方案三：采用NE5532芯片制作一个两级反相比例放大器，使得最终信号通过放大器后放大200倍。

选用两片741不仅接线相对繁琐，而且成本更高。而LM358能够放大信号的频响和带宽都小于NE5532。并且要收集的语音信号的频率较高且带宽也较大，所以选用NE5532来制作增益放大部分。 c、带通滤波：

因为输入的语音信号中还夹带有噪音，所以必须进行高通滤波和低通滤波，滤除真正的语音信号（3kHz~3.4kHz）外的噪音信号才能保证减小失真。 方案一：选用LM258芯片。 方案二：选用NE5532芯片。

相比于LM258，NE5532也可用于制作两级放大电路，且是低噪声运放，消除自激振荡。所以选择NE5532。

d、A\\D转换：

根据题目要求采样频率fs=8 kHz，字长=8位，可选择转换时间不超过125 μS的8位A/D转换芯片。当前常用的A/D转换的实现方法有多种：积分式、逐次逼近式、并行比较式和二进制斜坡式（又称计数式）、量化反馈式等。鉴于转换速度的要求，最适合本题使用的是逐次逼近式转换器，它具有转换速度较快、转换精度较高的特点，一次转换时间在数微秒至百微秒范时间小于120 μS，模拟输入为0 ~ 5 V。

方案一：ADC0809： 方案二：ADC0832：

由于protues中adc809不能仿真，我们选用熟悉的adc832芯片。 e、单片机选择:

因为51单片机已经可以很好地实现该系统的功能，并且我们所学的为51系列的，51单片机更加便宜。所以选用51单片机。 f、外部RAM存储器选择：

当采样频率fs =8kHz，字长为8位时，按照1:1的存储率，一秒钟就能采样8000个点，为了能够存储多于4秒钟的语音，则存储器至少需要有78.125K×8的容量。在此我们选用了62256将存储容量为32K×8，这样能以1:1的存储率存储4.096秒语音信号。 g、D\\A转换：

根据题目要求D/A转换器的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的D/A转换器都能达到1μS的转换速率，足够满足题目的要求。 方案一：DAC0832 方案二：DAC0809

因为两种芯片都可以达到题目要求，但相比于DAC0809，DAC0832的接口更为简单，所以选用DAC0832。 h、功率放大电路：

方案一：TDA2030是高保真集成功率放大器芯片，输出功率大于10W，频率响应为10~1400Hz，输出电流峰值最大可达3.5A。其内部电路包含输入级、中间级和输出级，且有短路保护和过热保护，可确保电路工作安全可靠。 方案二：LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大 器,主要应用于低电压消费类产品,电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至 200。输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半。

因为考虑到在实际应用中TDA2030较多地被使用来作为功率放大部分，且放大倍数范围较大，失真度小，所以选择使用TDA2030来制作功率放大部分的电路。 3、硬件设计

A、系统的整体设计

驻极体话筒收集语音信号 增益放大，可调至46dB 带通滤波1 A/D转换 外部RAM存储器 51单片机 扬声器，回放声音 功率放大器 带通滤波2 D/A转换

B、模块功能设计 1) 语音收集模块：

语音收集模块采用了驻极体话筒，其具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。该模块部分的电路图如下：

2）增益放大模块：

该模块主要用于放大输入信号，使其更加易于辨识。电路图如下所示：图中的R1、R2电位器是用来调节增益放大倍数的。该电路中使用的NE5532是高性能低噪声输出运放，具有较好低噪声性能，有两的输出驱动能力以及较高的小信号

和电源带宽。相比于普通运放更加适合用来做音频的增益放大。且根据公式增益放大倍数= ，

增益放大为46dB与40dB时分别放大200倍和100倍。所以图中R1、R2皆可选择20KΩ的电位器

3）带通滤波模块：

带通滤波部分由两块NE5532芯片组成，分别实现了高通滤波与低通滤波。电路图如下：

4）A/D、D/A转换模块

A/D转换选用的是ADC0832。它是逐次逼近式转换器，它具有转换速度较快、转换精度较高的特点，一次转换时间在数微秒至百微秒范时间小于120 μS，模拟输入为0 ~ 5 V，满足题目要求。

D/A转换部分选用的是DAC083。它是8分辨率的D/A转换集成芯片，分辨率可达到1/255=0.39%，达到题目要求。电路图如下：

5）单片机与外部RAM存储：

外部RAM存储我们选用的是62256芯片。62256是32K的低功耗静态RAM存储器. 用P0和P2来扩展外部ram。当采样频率fs =8kHz，字长为8位时，储容量为32K×8，这样能以1:1的存储率存储4.096秒语音信号。 它与单片机的连接电路如下图所示：

6）功率放大模块：

7）控制电路模块：

4、软件设计

程序略。 5、系统调试

数字化语音存储及回放系统主要有这六方面的调试： 1.测试语音采集模块信号输出（输出电平）的大小范围；

2.调节增益放大部分，使得经过放大输出电压在一个合适的范围内； 3.两个带通滤波模块都需调节至3kHz~3.4kHz的通带宽度； 4.调节偏置使得所有的输入信号的波峰与波谷都大于0； 5.调节缩放模块使得输出信号范围在0~5V之间； 6.调节功率放大模块，使得输出适合扬声器的功率。 六、总结

本次课堂作业是采用单片机来实现语音录放系统的设计，解决了以前用磁带记录的缺陷，单片机语音录放系统是数字电路为基础，利用数字语音电路来实现语音信号的记录、存储、还原等。它具有体积小，使用方便，可灵活扩展等优点。通过此语音录放系统的设计可以看出，数字语音系统比模拟语音系统更方便，更灵活，它是以后语音系统发展的趋势。由于知识的欠缺，本设计还存在许多的不足之处，再以后的工作中，会继续努力提高自己的知识水平。