语音信号处理毕业设计论文Word文档下载推荐.docx
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DAC;
IAP;
DPCM
绪论
1选题背景
从磁带、录像带到CD、VCD、DVD；
从黑白电视机、彩色电视机、高清晰度电视机（HDTV）到具有数字信号处理功能的电视机；
从留声机、录音机到语音信箱；
现在正处在模拟信息到数字信息的变革之中，传统的磁带语音录放系统因其体积大，使用不便，在电子与信息处理的使用中受到许多限制。
虽然，目前广播电视系统尚未实现真正的数字化，相信在不久的将来，真正的数字电视机、数字收音机、数字收录机将进入家庭。
所以，研究音频信号的数字化存储、处理和回放系统有着很重要的现实意义。
2课题任务
本实验任务所提出的数字化语音存储与回放系统，其基本原理是对语音的录音和放音进行数字化控制。
其中，关键技术在于：
为了增加语音存储时间，提高存储器的利用率，采用了非失真压缩算法对语音信号进行压缩后再存储，而在回放是再进行解压缩；
同时，对输入语音信号进行数字滤波以抑制杂音和干扰，从而确保了语音回放的可靠质量。
本文提出的单片机小系统就是来完成这种数字化的控制的。
通过比较多种控制系统的实现方案，最终决定采用单片机来实现。
考虑到语音系统的存储时间要求的指标和存储容量有限的问题，在软件方面采用了DPCM编码方式对存储数据进行压缩以加长存储时间。
采用键盘选择方式，来比较直通存储方式和DPCM压缩存储方式的语音效果和存储时长。
第1章理论基础及系统要求
1.1引言
目前，随着数字化信号处理技术的不断提高，单片机，数字信号处理器以及语音处理大规模集成电路的进步，语音合成，语音识别，语音存储和回放技术的应用越来越广泛。
本文提出的体积小巧，功耗低的数字化语音存储与回放系统将完全可以替代传统的语音录放系统。
1.2语音系统构成
1.2.1系统基本原理
语音采集原理是，人耳能听到的声音是一种频率范围为20Hz—20kHz，而一般语音频率最高为3.4kHz。
语音的采集是指语音声波信号经麦克风和高频放大器转换成有一定幅度的模拟量电信号，然后再转换成数字量的全过程。
根据“奈奎斯特采样定理”，采样频率必须大于模拟信号最高频率的两倍，由于语音信号频率为300—3.4kHz，所以把语音采集的采样频率定为8kHz[1，17]。
语音生成原理是，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D/A接口处理，便可以使原音重现。
1.2.2系统组成和流程
整个语音系统是由话筒、语音信号阻抗匹配器、话音放大器、低通滤波器和A/D转换器组成的前向通道，与单片机小系统，再加上由D/A转换器、输出放大器、低通滤波器、功率放大器和喇叭组成的后向通道相连而成的。
如图1-1所示：
图1-1语音系统整体流程
1.2.3语音系统的要求
为高保真处理语音信号，设计基本要求如下
（1）话音放大器的增益为40dB。
（2）扬声器负载为8，输出功率不小于0.5W。
（3）带通滤波器：
通带为300Hz—3.4KHz。
（4）ADC：
采样频率fs=8kHz，字长=8位。
（5）语音存储时间5s。
（6）DAC：
变换频率fc=8kHz，字长=8位。
（7）回放语音质量好。
在保证语音质量的前提下，进一步提高系统性能，
（1）减少系统噪音电平，增加自动音量控制功能。
（2）语音存储时间增加到50s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）。
1.3控制系统任务
数字化语音存储与回放系统的工作原理是语音的录音和放音的以微处理器芯片为核心，将模拟语音信号通过模数转换器A/D转换成数字信号，再通过单片机控制存储在存储器中，回放时，由单片机控制将数据从存储器中读出，通过数模转换器D/A输出。
因此，单片机控制系统首先应该满足A/D和D/A转换器的接口要求，存储器应该满足采样频率为8kHz的语音存储时间不小于4s，同时应该具有键盘输入申请中断功能。
1.4本章小结
本章首先简要介绍了数字化语音处理技术的基本原理，然后详细介绍了数字化语音存储与回放系统的系统构成，基本要求和扩展的要求。
单片机控制系统是整个语音处理系统的核心，一个简单的单片机系统的开发也需要电路设计，单片机器件选择和程序编写3个步骤。
因此，在接下来的章节，将详细介绍单片机控制系统的设计、实现、以及配套的软件调试。
第2章控制系统硬件设计
2.1引言
实现数字化语音存储与回放技术，可采用一些专门的语音处理芯片，但一般需要外接存储器，且不能对语音信号进行数字化处理。
无法达到实验要求的语音质量。
语音系统的控制部分可以采用多种方法来实现，例如：
可编程逻辑器件、DSK（DSPStarterKit）或单片机等技术来实现。
下面将对这些可行性方案进行论证，比较。
2.2设计方案论证
2.2.1采用可编程逻辑器件来实现控制
设计选用Xilinx公司XC9500系列的CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）芯片来实现。
根据设计要求将该系统分为三个状态：
待机状态、录音状态、放音状态，分别由三个输入信号控制进入这三个状态。
系统主要由模数转换器ADC（AnalogtoDigitalConverter）、图2—1采用CPLD的系统设计
数模转换器DAC（DigitaltoAnalogConverter）、静态存储器SRAM（StaticRandomAccessMemory）和控制器等几个部分组成。
在电子设计技术中CPLD有多方面的优势：
在系统编程，时延特性可预测，引脚锁定能力强等。
使得用CPLD实现控制器的系统具有设计快速，调试方便，噪声低，语音回放效果好，PCB（ProtectedCircuitBoard）板面积小等多方面的优点【2】。
但同时，其实现起来较为复杂，而且不太容易作成友好的人机交互界面。
2.2.2采用DSK来实现控制
DSK（DSPStarterKit）是美国T1公司为初学DSP者开发的学习工具，以第三代DSP芯片TMS320C50DSP为核心，配以必要的硬件电路和简化的开发软件，通过与PC机简单接口，就可以学习使用DSP，亲自体会实时处理的强大功能。
它对用户是开放的，允许建立并运行自己的应用程序，还可以通过适当的硬件扩展，很容易构成一个小型实用系统。
DSK系统的最大的优越性在于，A/D和D/A转换频率通过编程可以调节，可以根据音质和存储时间权衡选择采样速率；
由于DSP具有的增强型哈佛结构、流水线指令操作方式、独有的硬件乘法器以及高效的指令集和丰富的寻址方式等一系列优点，非常适合数字信号处理算法的实现【3】，所以，在压缩编码的同时，还可以进行增强、去噪等处理。
但是，作为一个毕业设计性实验，还必须考虑系统的价格、体积等因素。
同时，采用本方案，其采样率和字长还达不到要求，还必须扩展外部存储器[3]。
图2—2DSK结构框图
2.2.3采用单片机系统来实现控制
单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM或EPROM）、定时器芯片和一些输入/输出接口电路集成在一个芯片上的微控制器（Microcontroller）。
而对于一个典型的单片机系统而言，主要由单片机、晶振和复位电路、输入控制电路、输出显示电路以及外围功能器件组成。
在本语音系统中，对于语音信号（最高频率约为3.4kHz，8kHz采样频率），12MHz的8位单片机已足够胜任（每个采样周期125，相当于125个机器周期，平均执行62条指令），所以采用单片机来进行控制和人机交互的处理是相对更合理的方案。
初步设计的单片机系统通过外部中断1利用二极管的线于功能扩展了5个按键、一个复位键和三个中断。
系统具有字符型LCD接口，用地址线来模拟控制信号。
同时，系统具有RS232串行通信的接口，通过这个接口，可以下载程序和仿真，还可以作为开发板的接口开发用[4，9]。
2.3控制系统整体设计
通过以上的比较论证，控制系统选用单片机小系统来实现。
整个单片机系统，主要由单片机、晶振和复位电路、输入控制电路、输出显示电路以及外围功能器件5个部分组成。
图2-3控制系统基本组成
●晶振和复位电路：
控制单片机的机器周期和功能复位。
●输入控制：
是指在一定要求下，采取何种形式的控制方法来实现单片机不同的功能的转换，以及控制指令以何种方式传送到单片机。
本系统采用的输入控制方法有按键和串行通信两种方式。
●输出显示：
是指单片机将需要显示的数据发送到LCD模块，并控制LCD模块按照一定的格式显示的功能。
●外围功能器件：
单片机只是控制器件，对应于一定的设计要求，需要加入功能器件。
本系统用到的外围器件需要有存储数据的外部存储器，用于增加驱动的锁存器和收发器和用于I/O口扩展的译码器。
2.4本章小结
虽然在选题中就已规定了本系统的控制部分要用微处理器来完成，但在开始做实验之前，通过查阅了大量的文献资料，确定了三种可行的方案。
通过上面的详细比较，可编程逻辑器件虽然具有速度快的特点，但实现较为复杂，不太容易做成友好的人机交互界面；
DSK虽然运算速度快，信息处理量大体积和重量小，但开发成本很高；
单片机的体积小，开发成本低，而且其信息处理良基本上能满足语音系统的需求。
通过以上比较，选用单片机来实现整个系统的控制是最可取的。
单片机容易作到友善的人机交互界面，并且具有一定的编程能力，实现控制相对可靠、容易。
在本章的最后，对以单片机为核心的控制系统做了整体设计。
第3章控制系统硬件的实现
3.1引言
控制系统的开发，在通过前一章的方案论证后，确定采用以单片机小系统来实现，同时给出了相应的单片机系统的整体设计。
目前，单片机已经广泛应用到了日常生活的许多领域，成为测控技术现代化必不可少的重要工具，市场上的单片机种类很多，通过比较，最终选用了SST公司的单片机。
其他外围电路选用了市场上最为常用的集成块来进行扩展。
3.2单片机芯片介绍
本小系统的单片机采用SST公司的89E554RC芯片【6，14】，可直接与Keil软件通信，使用Keil软件提供的单步、过程单步、设置断点等调试手段。
此芯片具有片内32K+8KFlashROM，1K字节RAM，4级8个中断源，双DPTR，内置WDT等功能。
SST89系列单片机为FlashFlex51系列单片机，本系统采用的是SST89E554RC。
此单片机使用与8051完全相同的指令集，并与标准的8051器件对管脚兼容。
SST89E554RC单片机的特点如下：
（1）片内程序空间（高可靠的SuperFlashEEPROM）为32KB（Block0）+8KB（Block1）
作为72/40字节的SuperFlashEEPROM片的
图3—1SST89E554RC管脚图程序存储器的补充，该器件可以寻址到64K字节的外部程序存储器空间。
作为1024*8位的片内RAM空间的补充，该器件可以寻址64K字节的外部RAM空间。
（2）系统在线编程IAP（InApplicationProgramming）模式或离线式用万用编程器编程。
●Flash擦写次数达1万次以上，程序保存是可达到100年；
●由于Flash具有掉电保持的特性而系统内可变成（IAP）功能提供了像RAM一样的带电状态，可随时改写的特性，可用做数据存储器和在线软件升级功能；
（3）可编程看门狗定时器（WDT）；
（4）宽电源范围+2.7—5V电源；
（5）具有三种节点模式，使功耗降至最低；
（6）与8052系列单片机兼容，片内有RAM1K字节；
（7）3个16位定时计数器；
（8）4个8位I/O端口；
（9）器件有多种加密方式，独立的块密码；
程序和数据外部存储器空间地址支持范围为64K字节；
（10）全双工增强型UART：
帧错误检测，自动地址识别；
（11）八个中断源，四个优先级；
（12）第二DPTR寄存器；
（13）SPI串行接口；
（14）标准的12时钟每系统周期，该期间可通过配置设置成6时钟每系统周期；
（15）TTL和CMOS兼容逻辑电平；
（16）有DIP-60，PLCC-44，TQFP-44三种封装形式等；
（17）高可靠性，数据能保持100年；
（18）每个块都是小扇区操作，每个扇区是128Byte；
（19）多达十万次的擦写次数，擦写时间快；
（20）低电压工作，5V或3V工作，无需外接12V高压；
利用SST单片机内部FLASH的特性，我们可以把现在广泛使用的MCU+EEPROM/FLASH/FRAM方式改成单个MCU执行程序运行和数据/参数记录。
利用内部FLASH做数据存储有许多的优点：
（1）减少器件的数量，提高可靠性；
（2）省下一个EEPROM等存储器，减低成本；
（3）提高数据的保密性。
数据放在单片机内部，单片机加密后数据不能被读出来；
（4）省下I/O控制脚。
省去EEPROM后，可以腾出两个I/O脚，做其它控制；
（5）SST单片机IAP指令简单、直观；
SST单片机较于现在通用的89S52的优势：
（1）超大容量程序存储器Flash；
（2）同时提供ISP和IAP功能，而89S52只提供ISP；
（3）独有的联机调试功能，在Keil环境下使用，可基本代替仿真器；
（4）串口IAP下载用户程序（EasyIAP），速度比Atmel的并口下载软件更快；
（5）SST单片机有两种使用状态，即ICE在电路仿真状态和IAP下载状态。
这两种状态之间可通过Keil和EasyIAP转换；
（6）系统周期可以配置，可以设置为6时钟每周期。
3.3单片机外围电路
3.3.1存储芯片RAM62256及译码芯片74LS138
单片机可以扩展16位的地址线，可以构成64K的寻址空间，寻址范围是0000H~FFFFH。
单片机的P0口通过锁存器进行数据和地址总线的分离，分离后的低8位地址线接到RAM62256的A0-A7引脚，P2口经74LS573（U5）与RAM62256的高8位地址线A8-A14相连【4】。
P0口经74LS245出来的数据总线接到RAM62256的数据线D0-D7上。
RAM62256的CS脚接A15作为片选信号。
64KB的外部数据存储器空间的分配图3—2存储器的连接如下所示：
低32KB作为数据存储器，采用一片RAM62256（U9）来实现，高32KB的空间通过一片74LS138【5】来进行I/O接口扩展。
具体的地址分配如下：
0000H—7FFFH外部数据存储器
8000H—8FFFH键盘的片选信号
9000H—9FFFHLCD的片选信号
C000H—CFFFH用户接口OUTIO0
D000H—DFFFH用户接口OUTIO1图3—3138译码器
3.3.2锁存器74HC573和收发器74HC245
控制系统中的8位数据总线通过一片74HC245（U8）来增加驱动能力，16位的地址线通过两片74HC573（U7、U5）来驱动，通过一片74HC573（U6）来判断。
74HC573具有8个单独输入端的锁存器，3态驱动总线输出。
当允许端（G）为高电平是，锁存器输出将随数据（D）输入端变化；
当允许端为低电平是，输出端将被锁存在已经建立起的数据电平上。
选通输出控制端可使8个输出端与锁存器的Q端相同【5，7】。
如图3－4所示
图3-474HC573管脚图图3-574HC245管脚图
特别说明一下U7（573），利用它的锁存功能来实现P0口的地址/数据的复用。
当其控制端LE是高电平时，输出端（Q0-Q7）和输入端（D0-D7）相连，因此，输出端的状态于输入端相同。
当控制端LE是低电平时，输出端与输入端断开连接，并保持原来的状态，或者说，当控制端LE时低电平时，即便输出端的状态发生变化，输出端的状态也不会随之变化。
74HC245是三态反相的八总线收发器【5，8】，其结构如上面图3-5所示：
当DIR端为低电平时，工作方式为B数据至A总线；
当DIR端为高电平时，工作方式为A数据至B总线。
3.3.3键盘中断电路
采用键盘中断方式：
如图3－6所示。
各个按键都是一端接地，另一端与一个二极管相连。
二极管的正极接单片机的中断口（INT1）
【9】。
当有任何一个按键按下时，都会使INT1口为低电平，从而引起单片机的中断，它的好处是不用在主程序中不断地循环查询，如果有键按下，单片机再去做相应的处理。
键盘通过了一个上拉电阻再与74HC573连接，图3—6键盘中断电路
这个上拉电阻主要是增加键盘的驱动能力。
3.3.4RS-232串口电路
单片机的通信方式又两种：
并行通信和串行通信。
串行通信是指数据一位一位顺序发送或接收。
单片机的串行接口是一个可编程的全双工串行通信接口，它可用作异步通信方式（UART），与串行传送信息的外部设备相连接。
串行通信接口标准以RS-232为主，RS-232是美国电子工业协会（EIA）制定的一种串行总线的物理接口标准，此标准规定了串行通信中，主控制模板和从属模板之间的物理连接线路的机械、电气、功能和过程特性，两端都必须遵守的共同约定[14]。
RS-232标准总线为25根线，但实际应用中常用其简化了的9线接口。
但本设计采用3线传送。
RS-232接口通过一片MAX232芯片进行电平转换，MAX232芯片功耗低、集成度高，采用单一的＋5V供电，具有接收和发送通道。
通过RS-232接口既下载程序和仿真，又可以作为开发板的接口开发用，但此时不能进行仿真。
图3－7RS-232串口电路
通过这个串口，可以直接将PC机内的程序下载到单片机中，而不需要用编程器烧录。
同时不需要外加监控芯片，只是通过串行口下载升级，便可以很容易的做到硬件的更新。
3.4控制系统与前后通道的连接
3.4.1系统与前向通道的连接
前向通道采用的模数转换器是最常用的8位A/D转换器ADC0809，ADC0809是CMOS工艺逐次比较型A/D转换器。
ADC0809片内集成了8路模拟多路开关、地址锁存器与译码、8位A/D转换器以及8位三态输出锁存器四部分组成。
其主要性能及技术指标为【5，10】：
●为逐次比较型；
●为单电源供电；
●无需外部进行0点和满度调整
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