語音錄放系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

楊皓宇 李智慧 景光錚 劉旭 王若桐

摘要：隨著人類科學技術(shù)的發(fā)展，人們對于語音錄放系統(tǒng)存儲的工具也在不斷改變，其中發(fā)展最好的是數(shù)字語音錄放系統(tǒng)。本文主要介紹數(shù)字化語音錄放系統(tǒng)的工作方式及其原理，其原理就是單片機控制系統(tǒng)的各種模塊實現(xiàn)語音錄放的功能，利用語音錄放電路和A/D、D/A轉(zhuǎn)換電路來實現(xiàn)語音信號的保存與還原的任務(wù)，并通過運放電路和喇叭將聲音播放出來，進而達到記錄和播放語音的目的。

關(guān)鍵詞：語音錄放;單片機;數(shù)字電路;A/D、D/A轉(zhuǎn)換

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）07-0136-03

0 引言

語言是人類最重要的信息載體，影響著人類文明的科學進步。隨著新世紀的到來，傳統(tǒng)的磁帶錄音和CD錄音因為體積大、放音不清而被淘汰或被邊緣化。現(xiàn)在采用單片機對語音進行處理，改變了原來產(chǎn)品體積大的缺點。本文介紹了基于STC12C5A16S2單片機的語音錄放電路的工作方式、設(shè)計的原理，并且根據(jù)語音錄放系統(tǒng)的特點，引出了系統(tǒng)的總體設(shè)計。對于錄放系統(tǒng)的錄音、放音的理論設(shè)計進行了軟件和硬件論證，介紹了單片機在語音錄放系統(tǒng)中的重要性，并且分析系統(tǒng)各個模塊的功能，以及進行系統(tǒng)實物測試。

1 數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的原理分析

在處理數(shù)字音頻信號的數(shù)字技術(shù)中，需要一些與處理模擬語音信號方法不同的概念。由于原始的語音信號是模擬量，所以數(shù)字語音處理系統(tǒng)會對音頻信號進行采樣，轉(zhuǎn)化語音信號，所以說將語音信號數(shù)字化可以理解為采樣和量化。

因為語音數(shù)字化需要注重兩個方面，分別是量化精度和采樣頻率。采樣頻率應(yīng)該大于原始語音信號最高頻率的兩倍。樣本比特數(shù)的大小影響著聲音的質(zhì)量，樣本比特數(shù)越大，聲音越清晰，存儲空間需求更大，當位數(shù)減少，聲音清晰度降低，但是所占的存儲空間降低。

因為原始語音信號是模擬信號，在原理上模擬信號就是一個連續(xù)的隨時間函數(shù)，采樣就是在定義域上對連續(xù)函數(shù)進行離散化。原始語音信號經(jīng)過帶通濾波后再經(jīng)過采樣，最后進行數(shù)字化處理。

要將數(shù)字信號恢復模擬信號，需要用到DAC0832，這款芯片是一種常見的8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，最高速度可達1M，可以將來自EEPROM的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬量信號，通過進行轉(zhuǎn)換，可以將經(jīng)過采樣后變成數(shù)字信號的原始信號恢復過來，恢復成模擬信號，進而將模擬信號輸入到后置放大電路中，經(jīng)過放大后的模擬信號可以在小喇叭中將語音播放出來。

在轉(zhuǎn)化數(shù)字信號時，如果DAC收到的數(shù)字量發(fā)生改變，輸出的模擬量電壓也將改變，但從輸出模擬量電壓變化到穩(wěn)定時相對于輸入的數(shù)字量的變化會有一段時間的延遲，這個延遲的時間就被稱為建立時間。當一個芯片建立時間越短，DAC的轉(zhuǎn)換速度越塊，例如DAC0832的轉(zhuǎn)換速度為100ns。

2 數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 控制電路設(shè)計

數(shù)字化語音存儲與回放系統(tǒng)的基本思想是通過麥克風將外界語音信號轉(zhuǎn)化成模擬信號，再經(jīng)過放大器電路、帶通濾波器電路的放大濾波，模擬語音信號通過單片機芯片內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成成數(shù)字信號存儲在EEPROM中，之后單片機將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，通過進行D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)二階放大后在小喇叭上輸出。整個系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2.2 語音記錄電路的設(shè)計

語音錄放系統(tǒng)的輸入通道由麥克風、前置放大器、帶通濾波器和AD轉(zhuǎn)換器組成的。通過語音輸入通道，信號將被進行初步的放大降噪處理。

麥克風可以把空氣中的聲信號轉(zhuǎn)換成電信號。而麥克風可以分為壓電式、電磁式、動圈式、半導體等。動圈式麥克風因為造價低，靈敏度較好而被廣泛應(yīng)用，所以本文采用動圈式麥克風。

2.2.1 前置放大電路

麥克風輸出的信號實際范圍約為20mv～25mv，此時需要對信號進行放大，所以要讓麥克風輸出的獲得的語音信號放大很多倍才行，所以要求放大器的增益為46dB，且增益可調(diào)，本文采用LM741單運放和NE5532p來組成放大器。

第一級的放大倍數(shù)為R5/R2=47K/470=100倍，R4=R5∥R2≈100Ω。之后再過一個放大倍數(shù)可調(diào)的反向比較放大電路，范圍為0

2.2.2 帶通濾波器

濾波器能夠衰減無用頻率信號，所以生活中人們常用濾波器來過濾噪聲或者抑制干擾等等。此外，由于集成運放的輸入阻抗很高而且輸出阻抗很低，計算開環(huán)增益后，發(fā)現(xiàn)該運放的開環(huán)增益同樣很高，所以構(gòu)成的帶通濾波電路具有一定的電壓放大作用。

為了過濾掉噪聲，設(shè)計輸入通道的濾波器由低通濾波器和高通濾波器共同組成。因為語音信號的頻率分布在300Hz～3400Hz，將該信號通過帶通濾波器濾除3400Hz以上和300Hz以下的頻譜波形，這樣可以過濾掉大部分的噪聲和雜波，之后該信號將被送入AD轉(zhuǎn)換電路。帶通濾波電路如圖3所示。

2.2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

A/D轉(zhuǎn)換是把模擬量信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。在日常生活中我們使用的電子設(shè)備如電腦或者工業(yè)控制設(shè)備處理信息的方式是基于布爾邏輯來工作的，也就是使用與或非電路來工作。要想讓芯片工作需要把外界的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能進行數(shù)據(jù)處理。這時就需要用到AD轉(zhuǎn)換電路。

本文采用STC12c5a60s2單片機的內(nèi)置A/D進行轉(zhuǎn)換，STC12c5a60s2內(nèi)置了8路10位高速AD轉(zhuǎn)換器。速度可達250KHz。滿足8位8k采樣速率。

2.3 語音播放電路的設(shè)計

語音輸出電路是由D/ A轉(zhuǎn)換器、帶通通濾波器和后置放大器構(gòu)成。經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換器后，數(shù)字信號將被轉(zhuǎn)換為模擬信號，模擬信號經(jīng)過帶通濾波器濾去雜波，進入到后置放大器進行放大，最后進入小喇叭播放聲音。

2.3.1 帶通濾波電路

此濾波器與語音輸入的帶通濾波電路相同，功能都是衰減無用頻率的信號，將處在通頻帶之外的信號衰減掉，最大限度的保證在傳輸信號中噪聲或者雜波降到最低。此帶通濾波電路圖如圖4所示。

2.3.2 后置放大電路

末級放大電路采用一個反相比例放大電路和一個功率放大電路組成。反相比例放大電路采用OP07芯片，OP07芯片是一種低噪聲雙極性運算放大器集成電路。因為OP07輸入失調(diào)電壓較低，所以除非特殊需求OP07不需要額外的調(diào)零。OP07輸入偏置電流低而且擁有高開環(huán)增益，這種特點使得OP07適用于檢測微小信號。功率放大電路采用LM386是一款集功耗低、電源電壓接收范圍較大、需要外接的元件少和失真小等等優(yōu)點于一身的功率放大器。

2.4 存儲模塊E2PROM

本文存儲采用的是AT24C512芯片，AT24C512是一種512K（64k×8位）串行大容量的電可擦除的可編程存儲器（EEPROM），由于其接口方便、功耗低、數(shù)據(jù)掉電不丟失、體積很小等特點，使得它應(yīng)用十分廣泛，在需要性價比的市場競爭中脫穎而出，所以該芯片是一款非常經(jīng)典的存儲芯片。

本設(shè)計采用三片AT24C512，使采樣頻率f=8KHz時語音錄放的時間達到20秒。

2.5 液晶顯示電路

本文采用LED1602做顯示屏。它可以顯示字母、符號和數(shù)字等等，1602是一款點陣液晶顯示器件。它由許多的點陣字符位組成，每個字符位負責顯示一個字符，每個字符以及上下兩行之間都有一定的間距，它通過控制LCD1602的液晶顯示屏各個部分的電壓情況，使液晶屏的不同部分有著不同的電壓，這就可以顯示出不同的字符。

2.6 單片機控制電路

STC12C5A60S2單片機是一款高速、低耗能、抗干擾的新一代8051系列單片機，程序代碼完全兼容80C51，但本芯片比原版處理速度快8～12倍。內(nèi)部擁有集成的MAX810專用的復位電路，8路高速10位AD轉(zhuǎn)換，使本芯片成為了一款兼容功能強大和抗干擾性的芯片。

系統(tǒng)最重要的是單片機控制的主控電路，該控制電路處理濾波后信號，將信號從模擬信號變成數(shù)字信號存儲在24C512存儲芯片中，當要求系統(tǒng)放音時，單片機將存儲在24C512中的數(shù)字量發(fā)送到DA轉(zhuǎn)換電路中，轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過后置放大電路，讓喇叭播放出聲音。單片機控制電路如圖5所示。

3 數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 數(shù)字語音錄放系統(tǒng)的軟件流程

本設(shè)計的錄音系統(tǒng)主要由主控系統(tǒng)、錄放音系統(tǒng)、放音系統(tǒng)和按鍵系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成。這些系統(tǒng)共同組成了本設(shè)計所需要的錄放系統(tǒng)。按鍵模塊通過掃描鍵盤確定鍵盤是否按下，進而選擇執(zhí)行什么操作;顯示模塊是利用液晶屏顯示系統(tǒng)處于錄音還是放音的狀態(tài);主控系統(tǒng)模塊負責在錄音時將音頻準換成存儲的數(shù)字量，并在放音時將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量。

主控模塊主要負責對LCD1602、DA轉(zhuǎn)換模塊進行初始化設(shè)置以及處理來自鍵盤系統(tǒng)的信號，當本程序處于不同的模式時候可以實現(xiàn)不同的功能，進行錄音的時候用程序控制單片機處理進過前置放大和帶通濾波器的模擬信號，并將信號通過AD轉(zhuǎn)化變成數(shù)字量存儲起來。程序放音的時候單片機控制存儲器將數(shù)據(jù)發(fā)送到DAC0832，進而將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化成模擬量信號，之后通過后置放大電路傳入小喇叭將聲音復原。

主控系統(tǒng)會根據(jù)鍵盤系統(tǒng)不同的信號，選擇不同的模式，當錄音按鍵按下，系統(tǒng)進行錄音，同時進行檢測，當檢測到中斷鍵按下的時候，系統(tǒng)從錄音模式跳出，若中斷鍵沒有按下則繼續(xù)錄音，直到存儲芯片存滿錄音終止。

3.2 按鍵程序設(shè)計

在本電路中有四個按鍵，分別是擦除鍵、錄音鍵、放音鍵、終止鍵，在工作時，系統(tǒng)實時進行鍵盤掃描，掃描出錄音鍵按下時候，則系統(tǒng)開始錄音;掃描出放音鍵按下的時候，則系統(tǒng)開始放音。當擦除鍵按下時，則開始對于EEPROM中的程序進行擦除。當終止鍵按下，系統(tǒng)無論處于何種狀態(tài)都會跳出回到最初的模式。

4 系統(tǒng)仿真和調(diào)試

打開Keil uvision4軟件，建立工程，將編寫好的程序加入到之前的工程中，然后進行編譯。之后將編譯之后產(chǎn)生的hex文件放入Multisim的仿真中，進行軟件仿真。

5 電路硬件的焊接與調(diào)試

隨著硬件設(shè)計、軟件設(shè)計以及軟件仿真的基本完成，接下來就是實物的制作。制作硬件時候要按照原理圖進行制作，如果出現(xiàn)接觸不嚴，有可能會導致該實物不能實現(xiàn)正常功能。系統(tǒng)實物圖如圖6所示。

6 結(jié)語

實物完成后經(jīng)檢測，可以實現(xiàn)對語音錄放系統(tǒng)的任務(wù)要求，達到了基本的使用效果，可以進行語音的記錄和播放功能。但是由于焊接技術(shù)不足以及硬件調(diào)試不充分，導致硬件實物在工作時，喇叭總是會出現(xiàn)雜音或者電流聲，影響硬件功能的效果。盡管經(jīng)過努力調(diào)試，仍然不能完全消除喇叭的電流聲，只能將電流聲降到最低。今后將進行相應(yīng)的改善工作。

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