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ISD4004在具有接近功能的立體聲語音系統中的應用

互聯網 2012-12-13 06:36:29

[導讀]

  在實際的語音系統中雙聲道立體聲是一項應用最為普遍的技術,他是利用人們的聽覺錯覺,通過改變兩個揚聲器的聲級差,能使聆聽者前方產生一定角度的聲音方向信息,從而使人們在聆聽時有“身臨其境”的聽覺感受。然而目前較為簡單的語音錄放系統多數采用單聲道,當需要實現雙聲道語音系統時,往往采用復雜的硬件電路才能構成一個雙聲道語音系統,使得雙聲道語音系統的制作成本大大提高。因此用一個較為簡單的電路來實現雙聲道語音系統就顯得很有實用價值。

    本文正是基于這個思想,應用美國ISD公司制造的語音芯片ISD4004來實現簡單的雙聲道立體聲語音錄放系統,并采用ATMEL公司的AVR系列單片機MEGA8L作為微控制器。該單片機的工作電壓和ISD4004的工作電壓相同,均為3 V供電,并且該單片機集成了系統所需要的大部分外圍器件,包括8 kB系統內可編程FLASH程序存儲器,1 kB SRAM,512 B E2PROM,WATCHDOG以及晶振等,從而大大簡化了系統的構成。

  1、ISD4004芯片簡介

    ISD4004芯片采用CMOS技術,內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動降噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。引腳包括電源、時鐘、語音信號模擬輸入/輸出端及MCU接口(SPI接口)幾部分。芯片采用多級存儲技術,即聲音無須A/D轉換和D/A轉換,采用模擬量直接存儲技術,因此能夠真實、自然地再現聲音。ISD4004系列單片錄放時間根據不同的采樣頻率可有8~16 min不等,采樣頻率可為4.0 kHz,5.3 kHz,6.4 kHz,8.0 kHz,采樣頻率越低,錄放時間越長,但音質有所下降。芯片的所有操作必須由微控制器控制,操作命令可通過串行通信接口(SPI)送入。SPI協議是一個同步串行數據傳輸協議,協議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動作,因此對ISD4004而言,在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數據,在時鐘下降沿將數據送至MISO引腳。ISD4004詳細參數可參考文獻[3]。

  2、立體聲錄放原理

    雖然ISD4004采用的是模擬量直接存儲技術,能夠真實、自然地再現聲音,但是要想不失真地再現原始語音信號,其采樣頻率也必須滿足采樣定理:當采樣頻率Fs大于信號最高頻率Fm的2倍時,在采樣過程中就不會丟失信息,并且可以用采樣后的信號重構原始信號。即:Fs>2Fm(2Fm為最小采樣頻率,亦為“奈奎斯特頻率”)

    實際的語音信號常有一些低能量的頻率分量超過采樣頻率的一半,如濁音的頻譜超過4 kHz的分量比其峰值要低40 dB以上;而對于清音,即使超過8 kHz,頻率分量也沒有下降,因此語音信號所占的頻率范圍可以到達10 kHz以上。然而對語音清晰度有明顯影響部分的最高頻率為5.7 kHz左右。CCITT(國際電報電話咨詢委員會)提出的G.711標準建議采用采樣頻率為8 kHz。

    ISD4004-8M的采樣率為8.0 kHz,滿足采樣定理的頻率標準,雖然錄放時間較短但是音質較好,甚至可滿足播放簡單背景音樂的需求。立體聲錄放的實現采用兩片ISD4004-8M芯片構成。

 


    工作原理為:將輸入的雙聲道語音信號分為左右聲道分別接入兩片ISD4004-8M芯片信號輸入端,錄音時由單片機發出讓兩片芯片同時錄音的指令,進行同步錄音,使得輸入的信號在存儲的時候就能保證其原有的聲級差,從而達到了雙聲道錄音的目的。放音時由單片機同時發出放音指令,兩片芯片同時放音,因存儲時信號原有聲級差已經保存,所以放音時可再現原始的立體聲,也可以在放音時對兩個芯片發送放音指令的時間間隔進行操作,可達到調整立體聲的效果。

  3、具有接近功能的立體聲系統的硬件原理

    該系統的硬件原理,本系統的硬件主要由單片機MEGA8L,語音芯片ISD4004-8M,被動式紅外傳感器等構成。圖中PIR(SENSOR)為兩元被動紅外熱釋電傳感器,其輸出信號連接到CPU的中斷1的輸入端,當有人接近時該傳感器輸出一個高電平信號,使得CPU進入中斷,然后CPU再對ISD4004進行放音操作,使ISD4004輸出已錄制好的音頻信號,再經過功率放大器放大后送入揚聲器。兩個按鍵TAPE,PALY是進行錄音和放音的人工操作按鍵,相應有兩個指示燈進行狀態指示。MEGA8L還通過控制繼電器K1來控制音頻信號功率放大器的供電,在長時間沒有放音時將自動切斷其供電,這樣降低了系統的功耗,避免了功率放大器長時間通電。

 


    由于該系統的硬件設計針對的是語音模擬信號,所以在設計的時候應該注意模擬地和數字地的隔離,特別是在ISD4004芯片的引腳上,須注意不同的接地引腳接相應的地。錄音時的輸入信號如果是單聲道的信號,應在錄音時使得左右聲道的輸入端均接入該信號,并在對兩個語音芯片發送錄音指令時中間應有短時的時間間隔,可使得單聲道產生一定的聲級差,從而達到非立體聲轉換為立體聲的效果。

  4、軟件設計

  
    系統上電后先進行初始化,軟件實現的基本操作有:

  (1)TAPE為錄音按鍵,PLAY為放音測試按鍵,當TAPE鍵按下后,CPU操作ISD4004進行錄音,同時相應的LED燈亮表示正在錄音,此時當TAPE鍵再次按下時,錄音停止,相應的LED燈滅表示錄音停止。PIAY鍵為錄音后的放音測試按鍵,按鍵后相當于紅外傳感器信號有效,CPU操作ISD4004進行放音,相應的LED燈亮表示正在放音,從而實現了語音在線錄放;

  (2)每次錄音時CPU將錄音時間的長度記錄到其內部的E2PROM中,以便在放音的過程中適時對ISD4004進行相應的啟停操作;

  (3)CPU通過控制繼電器來控制功率放大器的供電,若5 min沒有人接近紅外傳感器,CPU自動切斷功率放大器供電,從而減少了功率放大器的通電時間,延長了其使用壽命,減小了整個系統的功耗。

  該程序采用的編譯環境為:晶士電子Atmanavr C IDEV4.4;

  程序燒制軟件為:雙龍電子的SLISP V1.1;

  編譯語言:C語言;

  
 
5、結 語

    本文介紹了由兩片ISD4004語音芯片構成的具有接近功能的立體聲語音系統,該系統已經成功應用于一個醫療產品展覽會,滿足自動語音立體聲講解的需求,且可以播放較為簡單的背景音樂,能夠可靠穩定地工作。該系統亦可應用于多煤體語音教學,語音導向系統等,為立體聲語音錄放電路設計開辟了一個新的途徑。

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[整理編輯:CK365測控網]
標簽:  語音系統[6]    揚聲器[2]    語音芯片[4]
 
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