一种数字化语音存储与回放系统的设计

系统设计

总体设计

系统主要由语音处理前向通道、A／D转换、单片机控制兼数据处理、D／A转换、键盘显示模块及后向处理通道组成，单片机构成系统的控制中心，用来进行控制功能选择和结果显示。CPLD内集成373、138和分频器。通过前级放大，将微弱的电信号放大到2.5v，中间由射极跟随器进行隔离，再通过300Hz～3.4kHz的带通滤波器滤除50Hz的市电影响和高频噪声。ADC0809的参考电压选为+5V，其采集的电压信号范围是0～+5V。而语音信号是双极性的，可正可负(滤波器输出信号幅值约为土2.5V)，因此，有必要加一直流偏置电压(约为+2.5V)，使语音信号变为单极性信号(0～+5V)，保证ADC0809采样有效，同时也保证其具有一定的采样精度。通过反相加法器将双极性的电信号转换为0～+5V的单极性信号。信号通过A／D转换后进入单片机进行相应处理，然后D／A转换成模拟信号输出，后极通过300Hz～3.4kHz的带通滤波器使之平滑，并用音频功放放大语音信号后输出。总体框图如图1所示。

各模块设计

前级放大模块

话筒的输出阻抗不可忽略，故放大前必须进行隔离，并尽量减小信号输出阻抗。本电路采用射随隔离电路。从话筒输出的电压峰-峰值约为几百mV，因此，只需要将信号放大几倍，使其峰-峰值达到5V左右即可。采用多级放大，减少噪声干扰。在加法器两输入端及ADC输入端均加上射随隔离，电路参数设计如图2所示。

单片机

单片机是系统的控制中心，它主要实现以下的功能：一方面控制LCD显示语音信号的相关信息，控制按键识别和功能选择；另一方面控制62256的存储和A／D、D／A转换，实现语音的存储和回放。单片机内部的程序流程不在此祥述了。

CPLD

系统中的373、分频器及138均在CPLD内部实现，这样可减少芯片的使用，并为以后系统实现功能扩展提供条件。CPLD内部的源程序不在此详述。

滤波模块

在设计带通滤波器时，按品质因数Q的大小，分为窄带(Q>10)和宽带(Q<10)两种情况，若上限频率为fh，下限频率为fl，中心频率为fo，则

滤波器的类型可由下面的公式给出定量计算， 当时，应采用高通-低通相级联的方式来实现。根据实际要求，设计300Hz～3.4kHz的带通滤波器，采用两级低通级联、两级高通级联来提高Q值，并把低通和高通模块级联起来。

低通滤波器的截止频率设为3.4kHz，根据二阶低通滤波器(巴特沃斯响应)设计表设定各元器件参数值为：

第一级，R1=6.8kΩ，R2取50kΩ的电位器，C=6.8nF，C1=2.2nF；第二级，R1取10kΩ的电位器，R2取20kΩ，C=6.8nF，C1=2.2nF。

高通滤波器的截止频率设为300Hz，根据二阶低通滤波器(巴特沃斯响应)设计表设定各元器件参数值为：

第一级，R1=3.9kΩ+150Ω，R2取100kΩ的电位器，C1=C2=100nF；第二级，R1取100kΩ的电位器，R2取9.1kΩ，C1=C2=100nF。

根据设计的参数值，用Multisim2001进行模拟，其带通宽度、截止点和矩形系数都达到了系统要求。

系统实现电路

按上述设计思路，系统采用89C52单片机及EPM7128SLC84-15做主体控制。A／D转换部分采用ADC0809，其最大允许时钟可达1.28MHz，典型时钟为640kHz，但这样的时钟限制了ADC0809的采样速率，由于所使用的晶振为12MHz，故将单片机的ALE端经CPLD内部二分频后引入，作为ADC0809的时钟。

系统调试与测试

采用模拟与数字分离，然后级联的方法对系统进行调试，先对各模拟电路分别调试，当每个模拟电路都达到设计标准后，将前向输入部分与后级输出部分用导线连起来，输入语音信号，检查扬声器是否能输出正常放大的语音信号。调节各部分放大电路、滤波电路和功率放大电路，使输出语音清晰。将模拟与数字部分级联，先用单片机控制由ADC一边采集、DAC一边转换，不经RAM存储的方式调试，直至经信号采集与转换后，语音仍能清晰地放出，再调试直接存储回放的PCM模式。最后对整个系统的按键、显示及各种语音信号压缩编码模式进行调试。

测试仪器

Tektronix TDS 1002双信道数字示波器，SG173SB3直流稳压稳流电源，Agilent 33120A信号发生器，FLUKE17B型4位数字万用表。

滤波模块的调试

观测滤波器的截止频率fc及放大倍数Av，测得fc不满足设计要求，对电路进行分析和调整。根据二阶RC滤波器的性能参数表达式，可得其中，Q为滤波器的品质因数，Q值越大，滤波器的衰减速率越大，滤波效果越好，但Q值变大的同时会使幅频特性曲线在即将衰减的区域上升，通常情况下取Q=0.707，所以，要改变截止频率的大小，只需适当调整R的值。通过调节电位器的大小来调节网络的滤波特性。

指标测试

带通滤波模块的幅频特性参数如表1和表2所示。

语音存储回放效果测试

分别对C51和CPLD的软件调试和仿真，分别换用不同的编码方式，各种编码方式的最终放音效果记录如表3所示。

总结及注意点

1.由于在PCM编码及DPCM编码模式下都要采用8kHz的采样率，所以，每次压缩中断服务程序必须在不超过125μs的时间内完成，因此，压缩录音处理程序的代码必须进行最大可能的优化，以减少程序执行时间，以免采样和数据处理或信息显示发生冲突，也可避免在中断采样时造成采样点的丢失。

2.在选择ADC0809的时钟时，经典选择是640kHz左右，最初选择将单片机的ALE端四分频后作为ADC0809的时钟信号，但发现虽然语音信号能正常采集，但却影响了LCD的输出显示。将ALE改为二分频后(用1M触发)作为ADC0809的时钟信号，问题得到解决。