语音信号采集与回放系统
电子与信息工程学院 综合实验课程报告
课题名称 语音采集及回放系统设计
专 业 电子信息工程
班 级 07电子2班
学生姓名 Y Y Y
学 号 07002
指导教师 X X X
2010年 7月 5日
1 总体设计方案介绍：
1.1语音编码方案：
人耳能听到的声音是一种频率范围为20 Hz～20000 Hz ,而一般语音频率最高为3400 Hz。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300～3 400 Hz ,所以把语音采集的采样频率定为8 kHz。从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。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，目前的单片机速度底，难以实现。结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。
（1）短时平均跨零记数法该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。
（2）实时副值采样法采样过程如图2.1所示。
图2.1 采样过程
具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压1：4.5，既有M
?调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。
1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择
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,只要依原先的采样直经D/ A 接口处理,便可使原音重现。
（1）A/D转换芯片的选择根据题目要求采样频率f s=8K H Z，字长=8位，
可选择转换时间不超过125s的八位A/D转换芯片。目前常用的A/D转换实现的
方法有多种，鉴于转换速度的要求，我们采用A/D转换芯片A D574。该芯片是高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换[5]。
（2）D/A转换芯片的选择 D/A转换芯片的作用是将存储的数字语音信号转换为模拟语音信号，由于一般的模拟转换器都能达到1μs的转换速率，足够满足题目的要求，故我们在此选用了通用D/A转换器D A C0832。
（3）数据存储器的选择 当采样频率?s=8KHZ，字长为8位时，一秒钟的语音需要8K字节的存储空间，则存储器至少需要有80k8
×容量。在这里我们选用闪速存储器A T29C040作为存储器，一片该芯片可存储60秒钟的语言。
1.3系统总体结构
数字化语音存储与回放系统的基本思想是通过拾音器将声音信号转化成电信号，再经过放大器放大，然后通过带通滤波器滤波，模拟语音信号通过模数转换（A/D）转换成数字信号，再通过单片机控制将数据从存储器中读出，然后通过数模转换（D/A）转换成模拟信号，经放大再扬声器或耳机上输出。
整个系统框架图如图3.1所示：
图3.1 整体框图
系统组成如图所示,由输入通道、A T89C51单片机和输出通道三部分组成。输入通道部分由拾音器、前置放大电路和带通滤波器组成；输出通道由带通滤波器、
后级放大电路组成[9]。拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25mV，此电信
号太小不能够进行采样，后级A/D转换输入信号的动态范围为0~5V，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路。考虑到语音信号的固有特点，将低于300Hz和高于3.4kHz的分量滤掉后语音质量仍然良好。此处将其通过一增益为46dB的放大器，因此，将带通滤波器设计为典型的300Hz~3.4kHz,输出级带通滤波器亦为300Hz~3.4kHz,这样既可滤掉低频分量又可滤掉D/A转换带来的高频分量，很好的滤除掉噪声。根据奈奎斯特抽样定理知欲使采样信号无失真，抽样频率最低为 6.8kHZ，考虑到留有一定的余地，这样就足够保证语音质量。经量化后，微处理器将数据存到处理器，需要时再将其回放，存入与放出由开关通过微处理器来控制实现。存储器的容量选择视所存语音信号的时间长短而定。为了使A/D的输入信号稳定在其动态范围内，在输入级加上了自动增益控制电路，同时也使音量稳定。
2硬件电路设计：
2.1拾音器
拾音器是一种声传感器，声传感器是把外界声场中的声信号转换成电信号的传感器。它在通讯、噪声控制、环境检测、音质评价、文化娱乐、超声检测、水下探测和生物医学工程及医学方面有广泛的应用[10]。它的种类很多，按其特点和频率等，将它划分为超声传感器、声压传感器和声表面波传感器等。单纯的磁性拾音器工作的电学原理为当声音在铜丝绕制的线圈内震动切割被该线圈所缠绕的磁芯产生的磁感线时，线圈内感应出电信号并流出。感应电流的强弱取决于切割磁感线的多寡（振幅）、切割频率（震动频率）和磁感线自身的强弱。 拾音器包括拾音头（换能装置、唱针）和音臂等附件。其换能装置主要有压电式、电磁式、电容式以及半导体等[11]。电磁式拾音头，用电磁感应原理，将机械振动变换成电信号的幅度响应拾音头。主要由线圈和磁钢等组成。唱针耦合在线圈上的称动圈式，耦合在磁钢上的称动磁式。此外，也有将唱针耦合在衔铁上的称为动铁式，也称可变磁阻式。在本设计中决定采用动圈式拾音器
2.2放大器的设计
（１）增益放大器 拾音器输出的毫伏信号实测其范围约为20~25Mv 此电信号太小不能够进行采样，后级A/D 转换输入信号的动态范围为0~5V ，语音信号的范围与采样范围的比较得出放大器的放大倍数应为200倍左右，此处将信号通过一增益为46dB 的放大器，将其放大到伏特量级，输出级放大电路亦采用这种电路，两级放大电路都采用增益可调的典型电路[12]。为了将从拾音器获得的微弱语音信号放大,采用两极高输入阻抗的同向放大器,电路图如图所示,每级放大器的放大倍数按下式计算:
311/1R R A P V += 522/1R R A P V +=
M
图4.1 增益放大器（２）输出放大器 经带通滤波器输出的声音回放信号，其幅度为0～5V ，足以用耳机来接收听，可不接任何放大器。但考虑到实际中经常回用到喇叭外放，故在本系统中增加外放功能，前端放大器采用通用型音频功率放大器LM386来完成[13]。电路如图4.1。该电路增益为50～200，连续可调，最大不失真功率为325mW 。输出端接C4、R9串联电路，以校正喇叭的频率特性，防止高频自激．脚7接220uF 去偶电容，以消除低频自激．为便于该功放在高增益情况下工作，这里将不使用输入端脚2对地短路．
图4.2 输出放大器
2.3有源带通滤波器设计
滤波器是一种能使有用频率信号通过同时抑制(或大为衰减)无用频率信号的电子装置。工程上常用它来作信号处理、数据传输和抑制干扰等。这里主要讨论模拟滤波器。以往这种滤波电路主要采用无源元件R 、L 和C 组成，60年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R 、C 组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点[14]。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗又底，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但是，集成运放的带宽有限，所以目前有源滤波电路的工作频率难以作的很高，这是它的不足之处。
对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻和衰减的信号频率范围定义为阻带，理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频响应和线形的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减（()0=ωj A ）。按照通带和阻带的相互位置不同，滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。
通常用幅频响应来表征一个滤波器的特征，欲使信号通过滤波器的失真很小，则相位和延时响应亦须考虑。当相位响应()ω?作线性变化，即时延响应()ωτ为常数时，输出信号才可能避免失真。
()()()
s V s V s A 10=
，()()e
j A j A ωω=()
ω?j (s=ωj )
这里()ωj A 为传递函数的模，()ω?为其相位角。
延时向量()ωτ： ()())s d d ω?ωτ?
= 声音信号经动圈拾音器转有源滤波器换成电压信号，通过前级放大，在对其
进行数据采集之前，有必要经过带通滤波器除带外杂波，选定该滤波器的通带范围为300Hz~3.4KHz.其作用是：
１．保证300～3400Hz 的语音信号不失真的通过滤波器；
２．滤除带外的低频信号，以减少带外功频等分量的干扰，大大减少噪声影
响，该下限频率可下延到270Hz 左右；
３．便于滤除带外的高次谐波，以减少因8kHz 采样率而引起的混叠失真，
根据实际情况，该上限频率可在2700Hz 左右，带通滤波器按品质因数Q 的大小为窄带滤波器（Ｑ＞10）和带通滤波器（Ｑ＜10两种，本题中，上限频率fh=3400Hz,通带滤波器中心频率f0与品质因数Ｑ分别为 f0=1FhF 3003400×=1010Hz Q=
326.01
0=?=f Fh F BW F 显然，Q ＜10，故该带通滤波器为宽带带通滤波器．带宽带通滤波器由高通和低通滤波器级联构成，鉴于Butterworth 滤波器带内平坦的响应特性，我们选用二阶Butterworth 带通滤波器，电路如图4.3所示．实验证明，该滤波器能有效的滤除低频分量，大大减少噪声干扰，与之同时也绿除了多余的高频分量，消除了高频失真，性能足以满足要求[15]。
图4.4 带通滤波器
2.4可调稳压电源的设计
这里介绍的稳压电源，采用三端可调稳压集成电路LM317，外围电路十简单，便于制作。该稳压电源，电压可调范围1.5~25V ,最大负载电流1.5A [16]。
电路如图4.4所示：220V 交流电经变压器T 降压,得到24V 交流电,再经VD1~VD4组成的全桥整流,由C1滤波后得到33V 左右的直流电压[17]。该电压经集成电路LM317后得稳压输出,调节电位器RP ,即可连续调节输出电压。图中C2用以消除寄生振荡,C3的作用是抑制纹波,C4是用以改善稳压电源的的暂态响应,VD6、VD7在输出端电容漏电或调整端短路时起保护作用。VD5为本电源的工作指示灯，电阻R1是限流电阻。输出端接微型电压表PV ，可以直观的指示输出电压值。各元件具体参数如图所标。
图4.5 可调直流稳压电源
2.5M C S—51系列单片机
单片微型计算机（Sing-Chip Microcomputer）简称单片机。它是在一块芯片上集成中央微处理器（Central Processing Unit, CPU）、随机存取存储器（Random Access Memory, RAM）、只读存储器（Read Only Memory, ROM）、定时/计数器及I/O（Input/Output）接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛[18]。
正是由于单片机具有上述显著的特点，使单片机的应用范围日益扩大。单片机的应用打破了人们传统设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机，使用软件来实现。使用单片机具有体积小、可靠性高、性能价格比高和容易产品化的优点。
2.5.189C51简介
89C51是一种带4K字节片内程序存储器，且是高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机[19]。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控
制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
图4.6 89C51引脚图
89C51有40个引脚，4个8位并行输入/输出（I/O）端口：P0、P1、P2、P3，其中，P1是完整的8位准双向I/O口，两个外中断，2个16位可编程定时/计数器，两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。此外，89C51的时钟频率可为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/
计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入工作状态，省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止震荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件系统复位方可继续工作
2. 引脚介绍
Vcc：接+5V电源正端
G N D：接地。
P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8T T L门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在F I A S H编程时，P0口作为原码输入口，当F I A S H进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4T T L门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在F L A S H 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个T T L门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作
为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在F L A S H编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个T T L 门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（I L L）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为89C51的一些特殊功能口，如下表4.1所示：
表4.1 P3口管脚的特殊功能
引脚第二功能
P3.0 P3.0 P2.0 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7
RXD (串行输入口)
TXD (串行输出口)
INTO (外部中断0请求输入端)
INT1 (外部中断1请求输入端)
T0 (定时器/计数器0记数脉冲输入端) T1 (定时器/计数器1记数脉冲输入端) WR (片外数据存储器写选通信号输出端) RD (片外数据存储器读选通信号输出端)
R S T：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持R S T脚两个机器周期的高电平时间。A L E/P R O G：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在F L A S H编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，A L E端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个A L E脉冲。如想禁止A L E的输出可在S F R8E H地址上置0。此时，A L E只有在执行M O V X，M O V C指令是A L E才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态A L E禁止，置位无效。
P S E N：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/P S E N有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/P S E N信号将不出现。
E A/V P P：当/E A保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-
F F F F H），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/E A将内部锁定为R E S E T；当/E A端保持高电平时，此间内部程序存储器。在F L A S H编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（V P P）。
X T A L1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
X T A L2：来自反向振荡器的输出。
3. 主要性能指标
a.与MCS-51兼容
b.4K字节可编程闪烁存储器
c.寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年
d.全静态工作：0Hz-24Hz
e.三级程序存储器锁定
f.128*8位内部RAM
g.32可编程I/O线
h.两个16位可编成定时器/计数器
i.5个中断源
j.可编程串行通道
k.低功耗的闲置和掉电模式
l.片内振荡器和时钟电路,时钟频率1.2—12MHz;可有时钟输出
m.有强的位寻址\位处理能力
4.89C51单片机的主要组成部分
(1)C P U
C P U是单片机的核心部分,他的作用是读入和分析每条指令,根据每条指令的功能要求,控制各个部件执行相应的操作。89C51单片机内部有一个8位的C P U，它是由运算器和控制器组成。
运算器 运算器主要包括算术、逻辑运算部件A L U、累加器A C C、寄存器B、暂存器Y M P1、Y M P2、程序状态寄存器P S W、布尔处理器及十进制调整电路等。运算器主要用来实现数据的传送、数据的算术运算、逻辑运算和位变量处理等。
控制器 控制器包括时钟发生器、定时控制逻辑、指令寄存器指令译码器、程序计数器P C、程序地址寄存器、数据指针寄存器D P T R和堆栈指针S P等。控制器是用来统一指挥和控制计算机进行工作的部件。它的功能是从程序存储器中提取指令，送到指令寄存器，再进入指令译码器进行译码，并通过定时和控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需要的全部内部控制信息及C P U外部所需要的控制信号，如A L E、P S E N、R D、W R等，使各部分协调工作，完成指令所规定的各
种操作。
(2)存储器
程序存储器 程序存储器用于存放编好的程序、表格和常数。程序存储器的寻址范围可以有64K B与此相应,程序存储器的编址自0000H开始,最大可至F F F F H。程序存储器的编址规律为；先片内、后片外，片内、片外连续，两者一般不作重叠。对于片内有程序存储器的芯片，C P U的控制器专门提供一个控制信号E A来区分，当E A为无高电平时，复位后单片机先执行片内有程序存储器中程序，当程序计数器的内容超过O F F F H时，将自动转去执行片外程序存储器的程序而当指令，当E A为低电平时，将强行执行片外程序存储器中的程序。此时多在片外程序存储器中存放调试程序，使计算机工作在调试状态。这里应该注意的是，片外程序存储器存放调试程序的部分，其编址与片内程序存储器的编址是可以重叠的，就借E A的换接可实现分别访问。
在程序存储器中，有7个单元具有特殊用途。
0000H—0002H：是所有执行程序的入口地址，89C51单片机复位后，C P U总是从0000H单元开始执行程序。
0003H：外部中断0入口。
000B H：定时/计数器0溢出中断入口。
0013H：外部中断1入口。
001B H：定时/计数器1溢出中断入口。
0023H：串行口中断入口。
002B H：定时器/计数器2溢出或T2E X端负跳变。
使用时，通常在这些入口地址处存放一条绝对跳转指令，使程序跳转到用户安排的中断程序起始地址，或者从0000H起始地址跳转到用户设计的初始程序上。
数据存储器 片内数据存储器有16位，寻址范围也可达64K B。故片外数据存储器的容量可大到与程序存储器一样，其编址自0000H开始,最大可至F F F F H。89C51单片机数据存储器有片内数据存储器R A M和特殊功能寄存器S F R：前者有128个字节，其编址为00H—F F H，可以读、写任何数据；后者也占128个字节，其编址位80H—F F H；两者连续而不重叠。片内数据存储器的容量很小，常需扩展片外数据存储器。如扩展少量片外数据存储器，容量不超过256个单元，则也可按8位二进制数编址，自00H开始，最大可至F F H。
表4.2不同存储器与所用指令及其寻址方式的对应关系
存储
器
访问性质 所用指令及寻址方式 依次取指执行程序 根据P C值自动访问
程序转移 程序转移类指令 R O M
用户访问 M O V C指令
访问整 个字节 主要为M O V指令，借工作寄存器间接寻址
片内R A M
访问20H~2F H单元中的某位 位操作类指令， 借位地址寻址
访问整个字节 主要为M O V类指令，直能借直接寻址字节寻址 S F R
访问S F R中的可寻址
位 位操作类指令， 借位地址寻址
如容量不大于256单
元 M O N X指令，借工作寄存器间接寻址
片外
R A M
如容量大于256单元 M O N X指令，借数据指针寄存器间接寻址
片内数据存储器又可分为工作寄存区、位寻址区、数据缓冲器区等三个区域。
①工作寄存器区
在低128B的内部R A M中，前32个单元（地址为00H—1F H）为通用工作寄存器区，共分为四组（寄存器0组、1组、2组、3组），每组8个工作寄存器由R0—R7组成，共占32个 单元。选用哪一组由程序状态字P S W中的R S1、R S0这两位的设置决定，若程序并不需要四个4组工作寄存器，那么剩下的工作寄存器可作一般的存储器来使用。
②位寻址区
20H—2F H的16个单元为位寻址区，该区的每个单元都被赋予了一个位地址，每个单元8位，共128位。其位寻址范围为00H—7F H。位寻址区的每一位都可当作软件触发器，由程序直接进行处理。程序中通常把各种程序状态标志、位控变量设在位寻址区。同样，位寻址区的R A M单元也可作为一般的数据存储器按字节单元使用。
③数据缓冲区
30H~7F H是数据缓冲区，用户R A M区，共80个单元。
(3)特殊功能寄存器
累加器A累加器A是一个最常用的8位特殊功能寄存器，它既可用于存放
操作数，也可用于存放运算的中间结果。大部分单操作数指令的操作数就取自累加器。用A C C表示A的符号地址。
寄存器B寄存器B是一个8位寄存器，主要用于乘法和除法的运算。乘法运算时，B中存放乘法，乘法操作后，乘积的高8位又存于B中；除法运算时，B中存放除数，出发操作后，B中又存放余数。在其他指令中，寄存器B可作为一般的寄存器使用，用于暂存数据。
5. 定时器/计数器
①主要特性
a.89C51单片机有两个可编程的定时器/计数器——定时器/计数器0与定时器/计数器1，可有程序选择作为定时器用或作为计数器用，定时时间或记数值也可由程序设定。
b.每一个定时器/计数器具有4种工作方式，可用程序选择。
c.任一定时器/计数器在定时时间到或记数值到时，可有程序安排产生中断请求信号或不产生中断请求信号。
②定时/计数器0和1的控制和状态寄存器
特殊功能寄存器TMOD和TCON分别是定时/计数器0和1的控制和状态寄存器，用于控制和确定各定时/计数器的功能和工作模式。
③模式控制寄存器TMOD
TMOD用于控制T0和T1的工作方式和4种工作模式。其中低4位用于控制T0，高4位用于控制T1。其值可用程序决定，其格式如下：
GA TE位：门控位。
当GA TE=1时，只有INTO或1
INT TR0或TR1置1时，相应的定时/计数器才被选通工作；当GA TE=0，则只要TR0和TR1置1，定时/计数器就被选通，而不管0
INT的电平是高还是低
INT或1
C/位：计数/定时功能选择位。
T
T
C/=0，设置为定时器方式，计数器的输入是内部时钟脉冲，其周期等于机器周期。
C/=1，设置为计数器方式，计数器的输入来自T0（P3.4）或T1（P3.5）T
端的外部脉冲。
M1、M0位：工作模式选择位。2位可形成4中编码，对应4种工作模式，见下表：
表4.3 M1、M0工作模式
M1 M0 功能描述
00 方式0：13位定时器/计数器
01 方式1：16位定时器/计数器
10 方式2：具有自动重装初值的8位定时器/计数器
11 方式3：定时/计数器0分为两个8位定时/计数器，定时/计数器1在此方式无实用意义
④控制寄存器TCON
TCON用来控制T0和T1的启、停，并给出相应的控制状态，高4位用于控制定时器0、1的运行；低4位用于控制外部中断。格式如下：
TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0
TF1：定时器1溢出标志。
当定时器1溢出时，由硬件置1。使用查询方式时，此位做状态位供查询，查询有效后需由软件清零；使用中断方式时，此位做中断申请标志，进入中断服务后被硬件自动清零。
TR1位：定时器1运行控制位。
该位靠软件置位或清零，置位时，定时/计数器接通工作，清零时，停止工作。
TF0位：定时器溢出标志位，其功能和操作情况类同于TF1。
TR0位：定时器0运行控制位，其功能和操作类同于TR1。
IE位：外部中断请求标志位。
当CPU采样到INT0非（或INT1非）端出现有效中断请求时，IE0（或IE1）由硬件置1，中断响应完成后转向中断服务时，再由硬件自动清零。
IT位：外部中断请求出发方式位。
IT0（IT1）=1为脉冲触发方式，后负跳有效。
IT0（IT1）=0为电平触发方式，低电平有效。
E.定时/计数器的初始化
89C51单片机的定时/计数器是可编程的，因此，在进行定时或计数之前也要用程序进行初始化。初始化一般应包括以下几个步骤：
a.对TMOD寄存器赋值，以确定定时器的工作模式；
b.置定时/计数器初值，直接将初值写入寄存器的TH0，TL0或TH1，TL1；
c.根据需要，对寄存器IE置初值，开放定时器中断；
d.对TCON寄存器中的TR0或TR1置位，启动定时/计数器，置位以后，定时/计数器即按规定的工作模式和初值进行计数或开始定时。
在初始化过程中，要置入定时/计数器的初值，这时要做一些计算。由于计数器是加法计数，并在溢出时申请中断，因此不能直接输入所需的计数值，而是要从计数最大值倒退回去一个计数值才是应置入的初值。设计数器的最大值为M （在不同的工作模式中，M可以为8192，65536，256），则置入的初值可以这样来计算。
计数方式时X=M—记数值
定时方式时（M—X）T=定时值
所以X=M—定时值/T
式中，T为计数周期，是单片机的机器周期。
6. T0和T1的4种工作方式
方式0：13位定时/计数器，TL1（或TL0）的低5位和TH1（或TH0）的8位构成，TL中的高3位弃之未用。当TL的低5位记数溢出时，向TH进位，而全部13位计数器溢出时使计数器回零，并使溢出标志TF置1，向CPU发出中断请求。
方式1：16位定时/计数器，其逻辑电路和工作情况与方式0几乎完全相同，唯一的差别就是方式1中TL的高3位也参与了计数。
方式2：把TL配置成一个可以自动重装载的8位定时/计数器
方式3：仅对T0有意义，将16位定时/计数器分成两个互相独立的8位定时/计数器TL和TH，
7. CPU时钟电路
时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。
①内部时钟方式
89C51单片机有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟发生器，见下图，外接晶振时，C1、C2值通常选择为30pF左右；外接陶瓷振荡器时，C1、C2约为47pF。C1、C2对频率有微调作用，震荡频率范围是1.2—12MHz。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作，谐振器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近。
内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出信号是单片机工作所需的时钟信号。
②外部时钟方式
外部时钟方式是采用外部振荡器，外部振荡信号由XTAL2端接入后直接送至内部时钟发生器。输入端XTAL1应接地，由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL
的，故建议外接一个上拉电阻。
一般情况下，单片机时钟输入均采用内部时钟方式，外接一个震荡电路，本系统采用内部时钟方式，晶振采用12MHz，其电路如下图4.7所示。
8. 复位电路
①复位状态
计算机在启动时，系统进入复位状态。在复位状态，CPU和系统都处于一个确定的初始状态或成为原始状态，在这种状态下，所有的专用寄存器都赋予默认值。其复位状态见下表。
表4.5 计算机复位状态表
专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态
PC
ACC
B
PSW
SP
DPTR P0—P3
IP
IE
0000H
00H
00H
00H
07H
0000H
FFH
XXX0 0000B
0XX0 0000B
TMOD
TCON
TH0
TL0
TH1
TL1
SCON
SBUF
PCON
00H
00H
00H
00H
00H
00H
00H
XXXX XXXXB
0XXX 0000B
②复位电路
单片机复位电路包括片内、片外两部分，片外复位电路通过引脚加到内部复位电路上，内部复位电路在每个机器周期S5P2对片外信号采样一次，当RST引脚上出现连续两个机器周期的高电平时，单片机就完成一次复位。外部复位电路就是为内部复位电路提供两个机器周期以上的高电平而设计的，A T89C2051通常采用上电自动复位和按键手动复位两种方式。上电复位电路在通电瞬间，在
RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。
按键手动复位又分为按键电平复位和按键脉冲复位，按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连，按键脉冲复位是利用RC微分电路产生正脉冲来达到复位的目的。本系统设计时采用的是上电复位方式。
2.6D/A、A/D转换器
2.6.1 D/A转换器DAC0832的介绍
1、D/ A转换器DAC0832的主要性能指标
分辨率通常将输入数字量的最低有效位LSB变化1时所引起的输入电压的变化△V称为分辨率，即△V=Vm/2,式中，Vm为输出电压的满度值；n为D/A转换器的二进制数的位数[20]。
建立时间当DAC输入数字量发生变换时，输出模拟电压也随之改变，但输出电压变化到稳定值时相对于输入数字量的变化有一段延迟时间，这段延迟时间就称为建立时间，用t s表示。建立时间越短，DAC的转换速度越块。通常用转换时间来反映建立时间，如DAC0832的转换速度为100ns,DAC0832的转换速度为0.1ms。
转换误差转换误差可以用绝对误差△或相对误差r来表示。绝对误差△是指DAC的输入端加有固定的数字代码时，实际测得模拟输出值理论值之间的差。相对误差r是指绝对误差△与满度值之比，常用百分数表示。
电源抑制比DAC的输出电压的变化量与相对应的电源电压变化量之比定义为电源抑制比。要求电源电压发生变化时，对输出电压的影响越小越好。
表4.6 DAC0832的引脚
2. DAC0832的引脚介绍
DAC0832有20个引脚：ID7~ID0是8位数据输入端；ILE是输入数据允许
锁存信号，CS与WR是第一级缓冲器选通信号，这三个信号决定了LE1的电平，LE1位为高电平时，锁存器的输出随输入变化，LE1的负跳变使数据锁存进锁存器，LE1为低点电平时，锁存器的输出不在随输入端数据变化；XFER与WR2是第二级缓冲器选通信号，它们决定了LE2的电平，LE2在不同电平时对锁存器的控制作用与LE2一致；VREF是基准电压源输入端；IOUT1、IOUT2分别是电流输出端1和电流输出端2；RFB是反馈信号输入端；AGND与DGND是模拟地与数字地，两者分开是一项常用的抗干扰措施。
DAC0832的两级缓冲器都是8位锁存器，它具有二级锁存控制功能，当多片同用时可实现多参数的同时输出：此时每片DAC0832承担一种参数的D/A转换，各片第一级缓冲器的打开是有先后的，但各片的XFER与WR2信号如分别互连在一起，则多片DAC0832开始D/A转换和有模拟量输出的时间将基本一。
2.6.2 A/D转换器AD574介绍
1.A D574的特点及功能
A D574是A D公司生产的12位逐次逼近型A D C,它的转换速度为25μs,转换精度为0.05%,可广泛应用在数据采集系统中[21]。由于A D574芯片内有三态输出缓冲电路,因而可直接与单片机的数据总线相连,而无须附加逻辑接口电路。另外,由于A D574与C M O S和T T L兼容,因而可构成简单的数据采集最小系统。本文细讲述了A D574的工作原理和硬件与软件设计方法。A D574为28脚双列直插式封装,其引脚分布如图1所示。各主要引脚功能如下:
图4.8 AD574的引脚图
C S:片送。
C E:片启动。
R/C:读出/转换控制。
基于dsp的语音信号采集与回放系统的设计--开题报告
HEFEI UNIVERSITY 课程设计开题报告 题目：《基于DSP系统的语音采集与回放系统》 专业：11 级电子信息工程 姓名：章健吴广岭何志刚 学号：1105011029 1105011030 1105011044 指导老师：汪济洲老师 完成时间：2014年12月1日
一、开题报告题目 基于DSP系统的语音采集与回放系统。 二、研究背景与意义 语音处理是数字信号处理最活跃的研究方向之一,它是信息高速公路、多媒体技术、办公自动化、现代通信及职能系统等新兴领域应用的核心技术之一。用数字化的方法进行语音的传送、存储、分析、识别、合成、增强等是整个数字化通信网中的最重要、最基本的组成部分之一。一个完备的语音信号处理系统不但要具有语音信号的采集和回放功能, 还要能够进行复杂的语音信号分析和处理。通常这些信号处理算法的运算量很大, 而且又要满足实时的快速高效处理要求, 随着DSP 技术的发展, 以DSP 为内核的 设备越来越多。为语音信号的处理提供了优质可靠的平台. 软件编程的灵活性给很多设备增加不同的功能提供了方便, 利用软件在已有的硬件平台上实现不同的功能已成为 一种趋势。近年来，随着DSP的功能日益增强，性能价格比不断上升，开发手段不断改进，DSP在数据采集系统的应用也在不断完善。 三、主要内容与目标 随着计算机多媒体技术，网络通信技术和DSP（Digital Signal Processor）技术的飞速发展，语音的数字通信得到越来越多的应用，语音信号的数字化一直是通信发展的主要方向之一，语音的数字通信和模拟通信相比，无疑有着更大的优越性，这主要体现在以下几个方面：数字语音比模拟语音具有更好的话音质量；具有更强的干扰性，并易于加密；可节省带宽，能更有效的利用网络资源；更加易于存储和处理。最简单的数字化就是直接对原始语音信号进行A/D 转换，但这样得到的语音的数据量非常大。为了减少语音信号所占用的带宽或存储空间，就必须对数字语音信号进行压缩编码。语音编码的目的就在于在保证语音音质和可懂度的条件下，采用尽可能少的比特数来表示语音，即尽可能的降低编码比特率，以便在有限的传输带宽内让出更多的信道来传输图像和其他数据流，从而达到传输资源的有效利用和网络容量的提高。在通信越来越发达的当今世界，尤其最近几十年，语音压缩编码技术在移动通信、IP 电话通信、保密通信、卫星通信以及语音存储等很多方面得到了广泛的应用。 语音信号处理在手持设备、移动设备和无线个人设备中的应用正在不断增加。今天的个人手持设备语音大多时候仅仅局限于语音拨号，但是已经出现了适用于更广泛开发语音识别和文本到语音应用的技术。语音功能为用户提供自然的输入和输出方式，它比其他形式的I/O更安全，尤其是当用户在开车期间。在大多数应用中，语音都是键盘和显示器的理想补充。其他潜在的语音应用包括如下几个方面。 （1）语音电子邮件。包括浏览邮箱、利用语音输入写电子邮件以及收听电子邮件的读出。 （2）信息检索。股票价格、标题新闻、航班信息、天气预报等都可以通过语音从互联网收听。例如，用户不用先进入某个网址并输入股票名字或者浏览预定义列表，可以通过语音命令实现。 （3）个人信息管理。允许用户通过语音指定预约、查看日历、添加联络信息等等。 （4）语音浏览。利用语音程序菜单，用户可以在网上冲浪、添加语音收藏夹并收听网页内容的读出。 （5）语音导航。在自动和人眼不够用的条件下获取导航的完全语音输入/输出驾驶
matlab语音信号采集与初步处理要点
《matlab与信号系统》实验报告 学院： 学号： 姓名： 考核实验——语音信号采集与处理初步 一、课题要求 1．语音信号的采集 2．语音信号的频谱分析 3．设计数字滤波器和画出频率响应 4．用滤波器对信号进行滤波 5．比较滤波前后语音信号的波形及频谱 6．回放和存储语音信号 （第5、第6步我放到一起做了） 二、语音信号的采集 本段音频文件为胡夏演唱的“那些年”的前奏（采用Audition音频软件进行剪切，时长17秒）。运行matlab软件，在当前目录中打开原音频文件所在的位置，采用wavread函数对其进行采样，并用sound函数可进行试听，程序运行之后记下采样频率和采样点。 利用函数wavread对语音信号的采集的程序如下： clear; [y,fs,bits]=wavread('music.wav'); %x：语音数据；fs：采样频率；bits：采样点数sound(y,fs,bits); %话音回放 程序运行之后，在工作区间中可以看到采样频率fs=44100Hz，采样点bits=16
三、语音信号的频谱分析 先画出语音信号的时域波形，然后对语音号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。语音信号的FFT频谱分析的完整程序如下： clear; [y,fs,bits]=wavread('music.wav'); %x：语音数据；fs：采样频率；bits：采样点数sound(y,fs,bits); %话音回放 n = length (y) ; %求出语音信号的长度 Y=fft(y,n); %傅里叶变换 subplot(2,1,1); plot(y); title('原始信号波形'); subplot(2,1,2); plot(abs(Y)); title('原始信号频谱'); 程序结果如下图： 四、设计数字滤波器和画出频率响应 根据语音信号的特点给出有关滤波器的性能指标： 1）低通滤波器性能指标，fp=1000Hz，fc=1200 Hz，As=100dB，Ap=1dB； 2）高通滤波器性能指标，fc=4800 Hz，fp=5000 Hz As=100dB，Ap=1dB。
基于matlab的语音信号的采集与处理
文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。 目录 第1章前言 ................................................................................................... 错误!未定义书签。第2章语音信号分析处理的目的和要求 ................................................... 错误!未定义书签。 2.1MATLAB软件功能简介................................................................. 错误!未定义书签。 2.2课程设计意义 .................................................................................. 错误!未定义书签。第3章语音信号的仿真原理..................................................................... 错误!未定义书签。第4章语音信号的具体实现..................................................................... 错误!未定义书签。 4.1语音信号的采集................................................................................ 错误!未定义书签。 4.2语音信号加噪与频谱分析................................................................ 错误!未定义书签。 4.3设计巴特沃斯低通滤波器................................................................ 错误!未定义书签。 4.4用滤波器对加噪语音滤波................................................................ 错误!未定义书签。 4.5比较滤波前后语音信号波形及频谱................................................ 错误!未定义书签。第5章总结................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献......................................................................................................... 错误!未定义书签。附录................................................................................................................. 错误!未定义书签。
基于MATLAB的语音信号采集与处理
工程设计论文 题目：基于MATLAB的语音信号采集与处理 姓名： 班级： 学号： 指导老师：
一.选题背景 1、实践意义： 语音信号是一种非平稳的时变信号，它携带着各种信息。在语音编码、语音合成、语音识别和语音增强等语音处理中无一例外需要提取语音中包含的各种信息。语音信号分析的目的就在于方便有效地提取并表示语音信号所携带的信息。所以理解并掌握语音信号的时域和频域特性是非常重要的。 通过语音相互传递信息是人类最重要的基本功能之一.语言是人类特有的功能.声音是人类常用工具,是相互传递信息的最重要的手段.虽然,人可以通过多种手段获得外界信息,但最重要,最精细的信息源只有语言,图像和文字三种.与用声音传递信息相比,显然用视觉和文字相互传递信息,其效果要差得多.这是因为语音中除包含实际发音容的话言信息外,还包括发音者是谁及喜怒哀乐等各种信息.所以,语音是人类最重要,最有效,最常用和最方便的交换信息的形式.另一方面,语言和语音与人的智力活动密切相关,与文化和社会的进步紧密相连,它具有最大的信息容量和最高的智能水平。 语音信号处理是研究用数字信号处理技术对语音信号进行处理的一门学科,处理的目的是用于得到某些参数以便高效传输或存储;或者是用于某种应用,如人工合成出语音,辨识出讲话者,识别出讲话容,进行语音增强等. 语音信号处理是一门新兴的学科,同时又是综合性的多学科领域,
是一门涉及面很广的交叉学科.虽然从事达一领域研究的人员主要来自信息处理及计算机等学科.但是它与语音学,语言学,声学,认知科学,生理学,心理学及数理统计等许多学科也有非常密切的联系. 语音信号处理是许多信息领域应用的核心技术之一,是目前发展最为迅速的信息科学研究领域中的一个.语音处理是目前极为活跃和热门的研究领域,其研究涉及一系列前沿科研课题,巳处于迅速发展之中;其研究成果具有重要的学术及应用价值. 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、抽样、变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域都获得了极其广泛的应用。具有灵活、精确、抗干扰强、度快等优点。 数字滤波器, 是数字信号处理中及其重要的一部分。随着信息时代和数字技术的发展，受到人们越来越多的重视。数字滤波器可以通过数值运算实现滤波，所以数字滤波器处理精度高、稳定、体积小、重量轻、灵活不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。数字滤波器种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应( FIR，Finite Impulse Response)滤波器和无限冲激响应( IIR，Infinite Impulse Response)滤波器。 FIR滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，系统函数H (z)在处收敛，极点全部在z = 0处（因果系统），因而只能
语音信号采集与处理课程设计
河南科技大学 课程设计说明书课程名称微机应用技术课程设计 题目语音信号采集与处理课程设计 学院医学技术与工程学院 班级生物医学工程1201班 学生姓名 指导教师杨晓利 日期 2014年3月29日
课程设计任务书 （指导教师填写） 课程设计名称微机应用技术课程设计 学生姓名 专业班级生物医学工程1201班 设计题目语音信号采集与处理课程设计 课程设计目的 1．学会MATLAB的使用，掌握MATLAB的程序设计方法； 2．掌握在Windows环境下语音信号采集的方法； 3．掌握信号处理的基本概念、基本理论和基本方法； 4．学会用MATLAB对信号进行分析和处理。 设计内容、技术条件和要求 1．语音信号的采集 用windows自带的录音机（开始—程序—附件—娱乐—录音机，文件—属性—立即转换—8000KHz，8位，单声道）或其他软件，录制一段语音信号，时间控制在2秒左右。然后在MATLAB软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。通过wavread函数的使用，理解采样频率、采样位数等概念。 wavread函数调用格式： y=wavread(file)，读取file所规定的wav文件，返回采样值放在向量y中。 [y,fs,nbits]=wavread(file)，采样值放在向量y中，fs表示采样频率（Hz），nbits表示采样位数。 y=wavread(file,N)，读取前N点的采样值放在向量y中。 y=wavread(file,[N1,N2])，读取从N1点到N2点的采样值放在向量y中。2．语音信号的频谱分析 首先画出语音信号的时域波形；然后对语音信号进行频谱分析，在MATLAB中，可以利用函数fft对信号进行快速傅里叶变换，得到信号的频谱特性。 时间进度安排 第1周：查阅资料； 第2周：实现设计内容 第3周：整理资料，撰写课程设计任务书 1
语音信号采集与回放系统
电子与信息工程学院 综合实验课程报告 课题名称 语音采集及回放系统设计 专 业 电子信息工程 班 级 07电子2班 学生姓名 Y Y Y 学 号 07002 指导教师 X X X 2010年 7月 5日
1 总体设计方案介绍： 1.1语音编码方案： 人耳能听到的声音是一种频率范围为20 Hz～20000 Hz ,而一般语音频率最高为3400 Hz。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300～3 400 Hz ,所以把语音采集的采样频率定为8 kHz。从语音的存储与压缩率来考虑，模型参数表示法明显优于信号波形表示法[4]。但要将之运用于单片机，显然信号波形表示法相对简单易实现。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，目前的单片机速度底，难以实现。结合实际情况，提出以下几种可实现的方案。 （1）短时平均跨零记数法该方案通过确定信号跨零数，将语音信号编码为数字信号，常用于语音识别中。但对于单片机，由于处理数据能力底，该方法不易实现。 （2）实时副值采样法采样过程如图2.1所示。 图2.1 采样过程 具体实现包括直存取法、欠抽样采样法、自相似增量调制法等三种基本方法。其中第三种实现方法最具特色，该方法可使数据压1：4.5，既有M ?调制的优点，又同时兼有PCM编码误差较小的优点，编码误差不向后扩散。 1.2 A/D、D/A及存储芯片的选择 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,只要依原先的采样直经D/ A 接口处理,便可使原音重现。 （1）A/D转换芯片的选择根据题目要求采样频率f s=8K H Z，字长=8位， 可选择转换时间不超过125s的八位A/D转换芯片。目前常用的A/D转换实现的
语音信号采集与回放系统设计
语音采集与回放系统设计
l 竞赛真题 l 总体方案选择 l 具体方案设计 l 设计阶段划分
一、竞赛真题
1999 年第四届 E 题 数字化语音存储与回放系统 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，其示意图如下：
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 fs= 8kHz，字长= 8 位； （4）语音存储时间≥10 秒； （5）DAC：变换频率 fc= 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： 四、评分意见
校正等） 。
项
目
满 分 50 50 15 5 15 15
基 设计与总结报告： 方案设计与论证， 理论分析与计算， 电路图， 本 测试方法与数据，对测试结果的分析 要 实际制作完成情况 求 完成第一项 发 挥 完成第二项 部 完成第三项 分 完成第四项 五、说明 不能使用单片语音专用芯片实现本系统。
训练侧重点 l 题目中给出一些提示性设计参数，设计中应予以重点理解
1. 放大器 1 的增益，放大器 1 的增益为 46dB 2. 带通滤波器的频率范围通带为 300Hz～3.4kHz（方便测试） 3. AD 采样的字长和采样频率（保证公平竞争）
l
题目中部分非技术性指标在培训中可以适当简化
1. 语音存储与回放时间≥10 秒 2. 语音存储时间增加至 20 秒以上；
二、总体方案选择
1. 控制平台选择 2. 前级放大模块 3. 带通滤波器 4. 模数、数模转换部分 5. 存储器 6. 编码方案
1. 控制平台选择
供选平台： A. B. 单片机平台 FPGA 开发平台
基于MATLAB的语音信号的采集与处理详解
数字信号处理 课程设计 题目：基于MATLAB的语音信号的采集与处理学院：皖西学院 专业：通信工程 班级：通信1001班 学号：2010013461 2010013494 姓名：刘敏纵大庆指导教师：何富贵
摘要: 本次课程设计题目为<<基于MATLAB的语音信号的采集与处理>>。首先我们利用计算机上的录音软件获得语音信号，然后利用MATLAB对语音信号进行分析和处理，采集语音信号后，利用MATLAB软件平台进行频谱分析；并对所采集的语音信号加入干扰噪声，对加入噪声的信号进行频谱分析，设计合适的滤波器滤除噪声，恢复原信号！
1.背景 2. 设计目的 (2) 3. 设计原理 (2) 4. 设计过程 .......................................... ,,, 3 5. 实验代码及结果 (4) 5.1 语音信号的采集 (4) 5.2 语音信号加噪与频谱分析 ..................................... ,,,, 7 5.3 巴特沃斯滤波器的设计 .. (9) 5.4 比较滤波前后语音信号波形及频谱 (10) 6. 收获与体会 (12) 参考文献 (13)
1. 引言 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、抽样、 变换、综合、估值与识别等加工处理，借以达到提取信息和便于应用的目的。它在语音、雷达、图像、系统控制、通信、航空航天、生物医学等众多领域都获得了极其广泛的应用。具有灵活、精确、抗干扰强、度快等优点。 数字滤波器，是数字信号处理中及其重要的一部分。随着信息时代和数字技术的发展，受到人们越来越多的重视。数字滤波器可以通过数值运算实现滤波，所以数字滤波器处理精 度高、稳定、体积小、重量轻、灵活不存在阻抗匹配问题，可以实现模拟滤波器无法实现的特殊功能。数字滤波器种类很多，根据其实现的网络结构或者其冲激响应函数的时域特性，可分为两种，即有限冲激响应(FIR, Finite Impulse Response)滤波器和无限冲激响应(IIR，Infin ite Impulse Resp on se) 滤波器。 FIR滤波器结构上主要是非递归结构，没有输出到输入的反馈，系统函数H (z)在 z= R处收敛，极点全部在z = 0处(因果系统)，因而只能用较高的阶数达到高的选 择性。FIR数字滤波器的幅频特性精度较之于IIR数字滤波器低，但是线性相位，就是 不同频率分量的信号经过FIR滤波器后他们的时间差不变，这是很好的性质。FIR数字滤波器是有限单位脉冲响应有利于对数字信号的处理，便于编程，用于计算的时延也小，这对实时的信号处理很重要。FIR滤波器因具有系统稳定，易实现相位控制，允许 设计多通带(或多阻带)滤波器等优点收到人们的青睐[1]。 IIR滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由 延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。同时，IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的 模拟滤波器的成果，如巴特沃斯滤波器等。
语音信号的采集和播放
语音信号的采集和播放 随着数字信号处理算法在DSP上的实现，基于DSP处理器的语音处理也得到了更广泛的应用。语音信号具有随机性强、应用广泛和实时性要求高等特点。DSP较其他类型处理器处理速度快、运算能力强的特点使它在语音处理方面的应用优势显著。语音信号的处理包括信号采集、处理、传输、存储和播放等一系列过程。其中，语音信号的采集、传输和播放属于语音信号的控制，满足一般的标准操作即可；而语音信号的处理和存储与应用类型有很大的联系，不同的应用要求的处理和存储算法也不一样。 语音信号的采集和播放是语音信号处理的基础，在基于DSP的语音处理系统中，DSP通过控制APD芯片采集和播放语音信号，再通过DSP实现各种语音处理算法。在TI各个系列DSP芯片中，16位的C54XX因其指令简单、接口连接方便而在语音处理系统中得到广泛应用。 1 实现目标 系统要求使用DSP和APD芯片实现语音信号的采集，然后将语音信号存储到DSP的RAM中，最后实现语音信号的播放。 2 硬件实现 2.1 解决思路 系统采用的主处理器是TMS320VC5402，利用芯片提供的多通道缓冲串口McBSP实现与APD芯片的连接。
系统采用的TLC320AD50的APD芯片采集和播放语音信号。AD50使用过采样技术提供APD和DPA的高分辨率低速信号转换。该器件包括两个串行的转换通道，在DPA之前有内插滤波器，APD 之后有抽取滤波器，由此可以降低AD50的本底噪声。在AD50正常工作以前，必须对它进行初始化。初始化的主要工作是配置AD50的四个控制寄存器CR1，CR2，CR3和CR4。控制寄存器的读写是通过二次通信来实现的。AD50启动二次通信有硬件和软件两种方式，硬件方式相对容易实现，DSP通过内部寄存器将XF引脚置高，进而控制与其连接的FC引脚到高，然后向McBSP串口写16位的控制字，低8位是AD50的控制寄存器初始化字，高8位选择要初始化的寄存器及操作。软件方式则是当AD50工作于15位模式时，将DSP输出到AD50的数据的D0位置1，即可进行二次通信。系统采用的是硬件实现的方式，在二次通信中，D0~D7为写入控制寄存器的数据或从寄存器读出的数据，D8~D12的内容决定选择哪个控制寄存器，D13决定是读操作还是写操作。D8~D13位确定的具体操作情况如表1所示。 表1 D8~D13位确定的具体操作情况
语音信号的采集和频谱分析
语音信号的采集和频谱分析： [y,fs,bits]=wavread('voice'); %读取音频信息（双声道，16位，频率44100Hz）sound(y,fs,bits); %回放该音频 Y=fft(y,4096); %进行傅立叶变换 subplot(211); plot(y); title('声音信号的波形'); subplot(212) plot(abs(Y)); title('声音信号的频谱'); 窗函数设计低通滤波器： fp=1000; fc=1200; as=100; ap=1; fs=22000; wp=2*fp/fs; wc=2*fc/fs; N=ceil((as-7.95)/(14.36*(wc-wp)/2))+1; beta=0.1102*(as-8.7); window=Kaiser(N+1,beta); b=fir1(N,wc,window); freqz(b,1,512,fs); 结果： 滤波： [y,fs,bits]=wavread('voice'); d=filter(b,a,y); D=fft(d); subplot(211) plot(d); title('滤波后的声音波形') subplot(212) plot(abs(D)) title('滤波后的声音频谱') 回放： sound(d,fs,bits) 与滤波之前相比，噪音明显降低了许多。
过零率的计算要用下面的代码： zcr = zeros(size(y,1)1); delta= 0.02; for i=1:size(y,1) x=y(i,:); for j=1;length(x)-1 if x(j)*x(j+1)<0 &abs(x(j)-x(j+1))>delta zcr(i)=zcr(i)+1; end end end 其中设置了门限delta=0.02。这是个经验值，可以进行细微的调整。在此条件下可以得到如图所示的过零率波形。与过零率曲线画在一起的是原始的语音信号波形，可以看到，语音信号音母部分的幅度比较低，但是其过零率的数值却很高，峰值将近50，而后面的韵母部分过零率则比较低，在20左右。 加矩形窗的短时能量函数： a=wavread('F:\WO.wav'); subplot(6,1,1),plot(a); N=32; for i=2:6 h=linspace(1,1, (i-1)*N);%形成一个矩形窗，长度为N En=conv(h,a.*a);%求卷积得其短时能量函数En subplot(6,1,i),plot(En); if(i==2) legend('N=32'); elseif(i==3) legend('N=64'); elseif(i==4) legend('N=128'); elseif(i==5) legend('N=256'); elseif(i==6) legend('N=512'); end end 加hamming窗的短时能量函数： 把h=linspace(1,1, (i-1)*N); 改为h1=hamming((i-1)*N); 加矩形窗的短时平均幅度： a=wavread('F:\WO.wav'); subplot(6,1,1),plot(a); N=32; for i=2:6 h=linspace(1,1,(i-1)*N);%形成一个矩形窗，长度为N En=conv(h,abs(a));%求卷积得其短时能量函数En subplot(6,1,i),plot(En); if(i==2) legend('N=32'); elseif(i==3) legend('N=64');
数字信号处理在语音信号分析中的应用
《数字信号处理》 课程设计报告 数字信号处理在语音信号分析中的应用 专业班级： 姓名： 学号：
目录 摘要 (3) 1、绪论 (3) 2、课程设计的具体容 (4) 2.1.1、读取语音信号的任务 (4) 2.1.2、任务分析和解决方案 (5) 2.1.4、运行结果和相应的分析 (5) 2.2、IIR滤波器设计和滤波处理 (6) 2.2.1、设计任务 (6) 2.2.2、任务分析和解决方案 (7) 2.2.3、编程得到的MATLAB代码 (7) 2.2.4、运行结果和相应的分析 (7) 2.3、FIR滤波器设计和滤波处理 (9) 2.3.1、设计任务 (9) 2.3.2、任务分析和解决方案 (9) 2.3.3、编程得到的MATLAB代码 (9) 2.3.4、运行结果和相应的分析 (11) 3、总结 (13) 4、存在的不足及建议 (13) 5、参考文献 (13)
数字信号处理设计任务书 摘要 语音信号滤波处理是研究用数字信号处理技术和语音学知识对语音信号进行处理的新兴的学科，是目前 发展最为迅速的信息科学研究领域的核心技术之一。通过语音传递信息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息形式。 Matlab语言是一种数据分析和处理功能十分强大的计算机应用软件，它可以将声音文件变换为离散的数据文件，然后利用其强大的矩阵运算能力处理数据，如数字滤波、傅里叶变换、时域和频域分析、声音回放以及各种图的呈现等，它的信号处理与分析工具箱为语音信号分析提供了十分丰富的功能函数，利用这些功能函数可以快捷而又方便地完成语音信号的处理和分析以及信号的可视化，使人机交互更加便捷。信号处理是Matlab重要应用的领域之一。本设计通过录制一段语音，对其进行了时域分析，频谱分析,分析语音信号的特性。并应用matlab平台对语音信号进行加噪然后再除去噪声，进一步设计两种种滤波器即高通滤波器、带通滤波器，基于这两种滤波器设计原理，对含加噪的语音信号进行滤波处理。最后对比滤波前后的语音信号的时域和频域特性，回放含噪语音信号和去噪语音信号。论文从理论和实践上比较了不同数字滤波器的滤波效果。 1．绪论 通过语音传递倍息是人类最重要、最有效、最常用和最方便的交换信息的形式。语言是人类持有的功能，声音是人类常用的工具，是相互传递信息的最主要的手段。因此，语音信号是人们构成思想疏通和感情交流的最主要的途径。并且，由于语言和语音与人的智力活动密切相关，与社会文化和进步紧密相连，所以它具有最大的信息容量和最高的智能水平。现在，人类已开始进入了信息化时代，用现代手段研究语音信号，使人们能更加有效地产生、传输、存储、获取和应用语音信息，这对于促进社会的发展具有十分重要的意义。让计算机能听懂人类的语言，是人类自计算机诞生以来梦寐以求的想法。 随着计算机越来越向便携化方向发展，随着计算环境的日趋复杂化，人们越来越迫切要求摆脱键盘的束缚而代之以语音输人这样便于使用的、自然的、人性化的输人方式。作为高科鼓应用领域的研究热点，语音信号采集与分析从理论的研究到产品的开发已经走过了几十个春秋并且取得了长足的进步。它正在直接与办公、交通、金融、公安、商业、旅游等行业的语音咨询与管理．工业生产部门的语声控制，、电信系统的自动拨号、辅助控制与查询以及医疗卫生和福利事业的生活支援系统等各种实际应用领域相接轨，并且有望成为下一代操作系统和应用程序的用户界面。可见，语音信号采集与分析的研究将是一项极具市场价值和挑战性的工作。我们今天进行这一领域的研究与开拓就是要让语音信号处理技术走人人们的日常生活当中，并不断朝更高目标而努力。数字滤波器是数字信号处理的基础，用来对信号
数字信号处理课程设计报告-语音信号的采集与处理
数字信号处理 课程设计报告 课设题目：语音信号的采集与处理 学院： 专业： 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 2011 年7月1日
课程设计报告撰写要求 1、页面设置 纸张大小设置为纵向A4，页边距设置为：上3.8厘米，下 3.5厘米，左3厘米，右3厘米，页眉设置为3厘米，页脚设置为2.7厘米，文档网络设置为指定行和字符网格，每行34字，每页34行。 2、段落及字体设置 除各级标题外，首行缩进2字符；图、表及图题、表题首行不缩进，居中放置；图表不应超出版心范围；行距采用单倍行距。 正文中文采用小四号宋体，英文采用新罗马字体（Times New Roman），段前0磅，断后0磅； 一级标题采用小二号黑体，段前12磅，段后12磅 二级标题采用小三号黑体，段前6磅，段后6磅 三级标题采用四号黑体，段前6磅，段后0磅 3、装订要求 采用左侧装订，订两钉。
目录 一. 课程设计任务 (1) 二. 课程设计原理及设计方案 (2) 三. 课程设计的步骤和结果 (6) 四. 课程设计总结 (39) 五. 设计体会 (40) 六. 参考文献 (41)
一. 课程设计任务 1、语音信号的采集 利用Windows下的录音机，录制一段自己的话音，时间在1s内，然后在Matlab软件平台下，利用函数wavread对语音信号进行采样，记住采样频率和采样点数。 2、语音信号的频谱分析 在Matlab中，可以利用函数fft对信号进行快速傅立叶变换，得到信号的频谱特性，要求学生首先画出语音信号的时域波形，然后对语音信号进行频谱分析。 3、设计数字滤波器和画出其频率响应给出各滤波器的性能指标； 给定滤波器的性能指标如下： (1)低通滤波器的性能指标：fb=1000Hz,fc=1200Hz,As=100dB,Ap=1dB. (2)高通滤波器的性能指标：fc=4800Hz,fb=5000Hz,As=100dB,Ap=1dB. (3)带通滤波器的性能指标：fb1=1200Hz, fb2=3000Hz,fc1=1000Hz, fc2=3200Hz,As=100dB,Ap=1dB. 采用窗函数法和双线性变换法设计上面要求的3种滤波器，并画出滤波器的频率响应； 4、用滤波器对信号进行滤波 然后用自己设计的滤波器对采集到的信号进行滤波，画出滤波后信号的时域波形及频谱，并对滤波前后的信号进行对比，分析信号的变化； 5、回放语音信号，分析滤波前后的语音变化； 6、设计系统界面 为了使编制的程序操作方便，设计处理系统的用户界面，在所设计的系统界面上可以选择滤波器的类型，输入滤波器的参数、显示滤波器的频率响应，选择信号等。 - 1 -
基于matlab的语音信号的采集与处理
目录 第1章前言 (1) 第2章语音信号分析处理的目的和要求 (2) 2.1MATLAB软件功能简介............................................................................................ - 2 - 2.2课程设计意义 ............................................................................................................. - 2 - 第3章语音信号的仿真原理. (3) 第4章语音信号的具体实现 (4) 4.1语音信号的采集........................................................................................................... - 4 - 4.2语音信号加噪与频谱分析........................................................................................... - 5 - 4.3设计巴特沃斯低通滤波器........................................................................................... - 6 - 4.4用滤波器对加噪语音滤波........................................................................................... - 7 - 4.5比较滤波前后语音信号波形及频谱........................................................................... - 8 - 第5章总结.............................................................................................................................. - 9 - 参考文献.................................................................................................................................. - 10 - 附录.......................................................................................................................................... - 11 -
基于LabVIEW的数据采集与信号处理系统的设计_杜娟
基于L a b V I E W 的数据采集与信号处理系统的设计 杜 娟1,邱晓晖1,赵 阳2,颜 伟2,缪 飞1 (1.南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003;2.南京师范大学电气与自动化工程学院,江苏南京210042) [摘要] 介绍了虚拟仪器领域中最具代表性的图形化编程开发平台L a b V I E W,并对基于L a b V I E W 编程环境实现数据采集进 行了研究,设计实现了一种基于L a b V I E W 8.5环境,以E M I 噪声分析仪为下位机的数据采集与信号处理系统的设计方法.该设 计方法主要实现了以R S 232为代表的串口通讯,数组转换及频谱分析等功能,结果表明应用该设计方法设计出的系统具有简 洁友好的人机界面,可直接在前面板上完成各种操作与观测.该设计方案较之目前大多数的设计方法相比有效地降低了程序的 运算量,节省了运算时间,成功实现了实时无差错的采集到由下位机发来的完整数据. [关键词] L a b V I E W,串口通讯,数组转换 [中图分类号]T M 461;T N 713+.7 [文献标识码]A [文章编号]1672-1292(2010)03-0007-04 D a t a A c q u i s i t i o n a n dS i g n a l P r o c e s s i n g S y s t e m B a s e do nL a b V I E W D u J u a n 1,Q i u X i a o h u i 1,Z h a o Y a n g 2,Y a n We i 2,Mi a o F e i 1 (1.C o l l e g e o f C o m m u n i c a t i o na n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g U n i v e r s i t y o f P o s t a n dC o m m u n i c a t i o n s ,N a n j i n g 210003,C h i n a ; 2.S c h o o l o f E l e c t r i c a l a n dA u t o m a t i o nE n g i n e e r i n g ,N a n j i n g N o r m a l U n i v e r s i t y ,N a n j i n g 210042,C h i n a )A b s t r a c t :L a b V I E W i s i n t r o d u c e di n t h i s p a p e r a s a k i n d o f m o s t r e p r e s e n t a t i v e g r a p h i c a l p r o g r a m m i n g p l a t f o r m s i n V i r - t u a l i n s t r u m e n t f i e l d ,a n dr e a l i z i n g d a t a a c q u i s i t i o n b a s e do n L a b V I E W p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n t i s s t u d i e d ,t h e n a d e - s i r e m e t h o d o f D a t a a c q u i s i t i o n a n dS i g n a l p r o c e s s i n g s y s t e m u s e dE M I n o i s e a n a l y z e r a s t h en e x t b i t m a c h i n e b a s e d o n l a b v i e w 8.5i s i n t r o d u c e d .T h es y s t e m r e a l i z e dR S 232s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ,a r r a yc o n v e r s i o na n ds p e c t r a l a n a l y s i s f u n c t i o n s .T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e s y s t e m d e s i g n e d b y t h i s m e t h o d h a s a s i m p l e a n df r i e n d l y i n t e r f a c e ,a n d t h a t u s e r s c a n d o e v e r y o p e r a t i o na n do b s e r v a t i o n i n t h e f r o n t p a n e l d i r e c t l y .T h i s s c h e m e r e d u c e s t h e c a l c u l a t i o n p r o c e d u r e e f f e c - t i v e l y a n d s a v e t i m e ,a c h i e v e s t h e r e a l -t i m e a n d e r r o r -f r e e c o l l e c t e d t h e d a t a i n t e g r i t i l y . K e yw o r d s :l a b v i e w ,s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ,a r r a y c o n v e r s i o n 收稿日期:2010-06-02. 基金项目:中国博士后基金(20080431126)、毫米波国家重点实验室开放基金(K 200903)、江苏省博士后基金(0702033B )、江苏省自然科 学基金(B K 2008429). 通讯联系人:邱晓晖,博士,副教授,研究方向:现代信号处理.E -m a i l :q i u x h @n j u p t .e d u .c n L a b V I E W (L a b o r a t o r y V i r t u a l I n s t r u m e n t E n g i n e e r i n g W o r k b e n c h )是基于图形编译G (G r a p h i c s )语言的虚拟仪器软件开发平台,具有数据采集、数据分析、信号发生、信号处理、输入输出控制等功能,是公认的标准数据采集和仪器控制软件.在L a b v i e w 环境下开发的应用程序称为V I (V i r t u a l I n s t r u m e n t ).一个完整的L a b V I E W 程序主要由前面板、程序框图和图标/连接端口3部分组成[1],前面板是交互式图形化用户界面,用于设置输入数值和观察输出量;程序框图是定义V I 功能的图形化源代码,包括前面板上没有但编程必须有的对象,如函数、结构和连线等,利用图形语言对前面板的控制量和指示量进行控制;图标/连接端口是用于把程序定义成一个子程序,以便在其他程序中加以调用.L a b V I E W 中自带450多个内置函数,专门用于从采集到的数据中挖掘有用的信息,用于分析测量数据及处理信号. 1 系统硬件结构部分 传导电磁干扰综合测量与分析系统可以对被测设备进行噪声诊断与抑制,包括硬件部分和软件部分[2,3].硬件部分的原理图如图1所示.系统硬件又分为模拟部分和数字部分,模拟部分由中心控制模块、第10卷第3期2010年9月 南京师范大学学报(工程技术版)J O U R N A LO FN A N J I N GN O R M A LU N I V E R S I T Y (E N G I N E E R I N GA N DT E C H N O L O G YE D I T I O N ) V o l .10N o .3S e p t ,2010