ISD4004在具有接近功能的立體聲語(yǔ)音系統中的應用
加入技術(shù)交流群
掃碼加入
和技術(shù)大咖面對面交流
海量資料庫查詢(xún)
本文正是基于這個(gè)思想，應用美國ISD公司制造的語(yǔ)音芯片ISD4004來(lái)實(shí)現簡(jiǎn)單的雙聲道立體聲語(yǔ)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(jiǎn)化了系統的構成。
1 ISD4004芯片簡(jiǎn)介
ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)降噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。引腳包括電源、時(shí)鐘、語(yǔ)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(shù)，即聲音無(wú)須A/D轉換和D/A轉換，采用模擬量直接存儲技術(shù)，因此能夠真實(shí)、自然地再現聲音。ISD4004系列單片錄放時(shí)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(shí)間越長(cháng)，但音質(zhì)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(guò)串行通信接口(SPI)送入。SPI協(xié)議是一個(gè)同步串行數據傳輸協(xié)議，協(xié)議假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿動(dòng)作，因此對ISD4004而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數據，在時(shí)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(shù)，能夠真實(shí)、自然地再現聲音，但是要想不失真地再現原始語(yǔ)音信號，其采樣頻率也必須滿(mǎn)足采樣定理：當采樣頻率Fs大于信號最高頻率Fm的2倍時(shí)，在采樣過(guò)程中就不會(huì )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(shí)際的語(yǔ)音信號常有一些低能量的頻率分量超過(guò)采樣頻率的一半，如濁音的頻譜超過(guò)4 kHz的分量比其峰值要低40 dB以上;而對于清音，即使超過(guò)8 kHz，頻率分量也沒(méi)有下降，因此語(yǔ)音信號所占的頻率范圍可以到達10 kHz以上。然而對語(yǔ)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(huà)咨詢(xún)委員會(huì ))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(mǎn)足采樣定理的頻率標準，雖然錄放時(shí)間較短但是音質(zhì)較好，甚至可滿(mǎn)足播放簡(jiǎn)單背景音樂(lè )的需求。立體聲錄放的實(shí)現采用兩片ISD4004-8M芯片構成，如圖1所示。
工作原理為：將輸入的雙聲道語(yǔ)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(shí)由單片機發(fā)出讓兩片芯片同時(shí)錄音的指令，進(jìn)行同步錄音，使得輸入的信號在存儲的時(shí)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(shí)由單片機同時(shí)發(fā)出放音指令，兩片芯片同時(shí)放音，因存儲時(shí)信號原有聲級差已經(jīng)保存，所以放音時(shí)可再現原始的立體聲，也可以在放音時(shí)對兩個(gè)芯片發(fā)送放音指令的時(shí)間間隔進(jìn)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
該系統的硬件原理如圖2所示，本系統的硬件主要由單片機MEGA8L，語(yǔ)音芯片ISD4004-8M，被動(dòng)式紅外傳感器等構成。圖中PIR(SENSOR)為兩元被動(dòng)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(shí)該傳感器輸出一個(gè)高電平信號，使得CPU進(jìn)入中斷，然后CPU再對ISD4004進(jìn)行放音操作，使ISD4004輸出已錄制好的音頻信號，再經(jīng)過(guò)功率放大器放大后送入揚聲器。兩個(gè)按鍵TAPE，PALY是進(jìn)行錄音和放音的人工操作按鍵，相應有兩個(gè)指示燈進(jìn)行狀態(tài)指示。MEGA8L還通過(guò)控制繼電器K1來(lái)控制音頻信號功率放大器的供電，在長(cháng)時(shí)間沒(méi)有放音時(shí)將自動(dòng)切斷其供電，這樣降低了系統的功耗，避免了功率放大器長(cháng)時(shí)間通電。
由于該系統的硬件設計針對的是語(yǔ)音模擬信號，所以在設計的時(shí)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(shí)的輸入信號如果是單聲道的信號，應在錄音時(shí)使得左右聲道的輸入端均接入該信號，并在對兩個(gè)語(yǔ)音芯片發(fā)送錄音指令時(shí)中間應有短時(shí)的時(shí)間間隔，可使得單聲道產(chǎn)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
軟件流程圖如圖3所示。
系統上電后先進(jìn)行初始化，軟件實(shí)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(jìn)行錄音，同時(shí)相應的LED燈亮表示正在錄音，此時(shí)當TAPE鍵再次按下時(shí)，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(jìn)行放音，相應的LED燈亮表示正在放音，從而實(shí)現了語(yǔ)音在線(xiàn)錄放;
(2)每次錄音時(shí)CPU將錄音時(shí)間的長(cháng)度記錄到其內部的E2PROM中，以便在放音的過(guò)程中適時(shí)對ISD4004進(jìn)行相應的啟停操作;
(3)CPU通過(guò)控制繼電器來(lái)控制功率放大器的供電，若5 min沒(méi)有人接近紅外傳感器，CPU自動(dòng)切斷功率放大器供電，從而減少了功率放大器的通電時(shí)間，延長(cháng)了其使用壽命，減小了整個(gè)系統的功耗。
該程序采用的編譯環(huán)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(yǔ)言：C語(yǔ)言;
對ISD4004操作的例程如下：
5 結 語(yǔ)
本文介紹了由兩片ISD4004語(yǔ)音芯片構成的具有接近功能的立體聲語(yǔ)音系統，該系統已經(jīng)成功應用于一個(gè)醫療產(chǎn)品展覽會(huì )，滿(mǎn)足自動(dòng)語(yǔ)音立體聲講解的需求，且可以播放較為簡(jiǎn)單的背景音樂(lè )，能夠可靠穩定地工作。該系統亦可應用于多煤體語(yǔ)音教學(xué)，語(yǔ)音導向系統等，為立體聲語(yǔ)音錄放電路設計開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑。
評論