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语音数据传输系统.doc
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2024-05-18
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包含作品的设计论文doc文档,可直接修改,适合于电赛备赛、课程设计、毕设参考等。 摘 要 本系统对语音信号采用时域处理方法:数据采集直存直取、欠抽样采样、自相似增量调制法等三种方法,分别完成了对语音信号32.7秒、65.5秒、147.4秒的存储与回放;前置自动增益控制(AGC)将语音信号控制在A/D转换器可处理的范围内以保证话音采样不失真;带通滤波器合理的通带范围有效地滤除了带外噪声,减小了混叠失真;通过后级补偿电路对输出的语音信号进行了校正,回放语音清晰;并具有自动录音、手动录音、录/放音时间显示以及掉电后保护语音信号等功能。 题目是设计制作一个数字化语音存储与回放系统。要求前置放大器的增益为46dB,增益可调;带通滤波器,带宽为300Hz~3.4kHz;ADC采样频率fs=8kHz,字长=8位;语音存储时间≥10秒;DAC变换频率fc=8kHz,字长=8位;且要求回放语音质量好(话音清晰、失真小、杂音少)。方案考虑如下。
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语音数 据 传 输
摘 要
本系统对语音信号采用时域处理方法:数据采集直存直
取、欠抽样采样、自相似增量调制法等三种方法,分别完成
了对语音信号 32.7 秒、65.5 秒、147.4 秒的存储与回放;
前置自动增益控制(AGC)将语音信号控制在 A/D 转换器
可处理的范围内以保证话音采样不失真;带通滤波器合理的
通带范围有效地滤除了带外噪声,减小了混叠失真;通过后
级补偿电路对输出的语音信号进行了
)/sin(
/
s
s
ff
ff
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校正,
回放语音清晰;并具有自动录音、手动录音、录/放音时间
显示以及掉电后保护语音信号等功能。
·23·
一、 方案设计与论证
本题目是设计制作一个数字化语音存储与回放系统。要求前置
放大器的增益为 46dB,增益可调;带通滤波器,带宽为 300Hz~
3.4kHz;ADC 采样频率 f
s
=8kHz,字长=8 位;语音存储时间≥10 秒;
DAC 变换频率 f
c
=8kHz,字长=8 位;且要求回放语音质量好(话音
清晰、失真小、杂音少)。方案考虑如下。
(一) 语音编码方案论证
语音是一维时间信号,由于是表示语言声音的信号,所以不
是恒定的,信号的性质随时间变化很大。为了充分利用有限的存储
空间,并不失真地传送语音信号必须对采集后的语音信号进行进一
步压缩,即语音压缩。所谓语音压缩,是为了声音信号更大信息量
的传送与记忆而压缩数据,并有效地回放声音的过程。语音压缩可
由将语音信号采集,并利用适当的量子化形式的压缩符号化或预测
符号化等进行。
现代常用的语音信号表示方法如用生成模的参数表示声音时,
参数的数据率为 5K 比特/秒左右,与波形符号化相比,参数表现的
数据率显著变低,若使用声音生成模,则以利用声音信号分析而得
的模的参数为基础,可进行声音的再合成。在听觉上得到的与原声
音没有多少不同的合成声音。参数的数据率为信号波形数据率的
10
1
·24·
以下, 所以可进行高效的声音数据压缩。
单从声音的存储与压缩率来考虑,生成模参数表示法明显优于
信号波形表示法。但要将之应用于单片机,显然信号波形表示法相
对简单易实现,具有很强的可行性。故方案的设计均从声音信号以
波形存储来考虑。基于这种思路的算法,除了传统的一些脉冲编码
调制外,目前已使用的有 VQ 技术及一些变换编码和神经网络技术,
但是算法复杂,目前的单片机速度低,难以实现。结合实际情况,
提出了以下几种可实现的方案。
1、短时平均跨零计数法
该方案通过确定信号跨零数,语音信号编码为数字信号。该方
案主要应用于语音识别中,具有较小的回放失真,音质较好。但对
于现用单片机,处理数据能力低,故该方法不易实现。
2、实时幅值采样法
采样过程如下图所示:
抽样 量化 存储
(2) (3)
(1) 直存直取法
该方案将话音信号的抽样值直接存取,以保证在回放时能真实
的重现抽样值。由于这种方法重现的是采样的真实值,所以只存在
一般量化噪声,与 A/D 转换精度有关。故此方法回放质量最好,但
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占用存储空间也最大,编码速率为 62.5kBit/s,每采集 1 秒钟的
话音信号需占用 7.8125K 字节。由于我们扩展了 256K 字节的 RAM,
故采用这种方法作为不压缩的存储,音质好,录音可达 32.768 秒。
该方法示意图如图 1:
图 1
注:该方法中的量化台阶为 10H,图中 70H、80H、70H、60H、50H、40H、
50H、 70H、 90H、C0H、D0H、D0H 为所要存储的值,解码后所输出的值为:
70H、 80H、70H、60H、50H、40H、50H、70H 90H、C0H、D0H、D0H
(2) 欠抽样采样法
虽然语音信号频谱在高频处迅速下降,但语音信号并非固有的
频带受限。对于浊音来说,超过 4kHz 频率的频谱比其峰值要低
00H
100H
70H
C0H
70H 80H 70H 60H 50H 40H 50H 70H 90H C0H D0H D0H
·26·
40dB 以上。另一方面,对于清音,即使超过 8kHz,频谱也没有显
著下降。因此为了精确的表示所有语声,常常需要大于 20kHz 的抽
样率。然而,在大多数应用中不需要这样高的抽样率。通常我们只
要有 3.5kHz 以下的频谱足以清晰地传输话音信号,即 8kHz 的采样
速率足矣,通常的“电话语音”就是用 4kHz 的奈奎斯特频率实现
的。因此可以 8K 的采样速率对话音信号采样,而存储时采用奇存
法,即只存奇数点而抛弃偶数点,回放时在两相邻奇数点之间的偶
数点只需用两数的平均值代替即可。这样既保留语音信号的主要部
分,使回放的音质较为理想,又提高了存储器的利用率,理论计算
录音时间可达 65.536 秒,数据压缩率为 1:2。但是,由于这种方
法的采样速率实际上只有 4kHz,故在回放时会产生一定的失真。
该方法示意图如图 2 所示
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king_machinedesign
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