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ISD4004在具有接近功能的立体声语音系统中的应用

时间:2015-05-25 19:58:54  来源:  作者:
在实际的语音系统中双声道立体声是一项应用最为普遍的技术,他是利用人们的听觉错觉,通过改变两个扬声器的声级差,能使聆听者前方产生一定角度的声音方向信息,从而使人们在平面电感器聆听时有“身临其境”的听觉感受。然而目前较为简单的语音录放系统多数采用单声道,当需要实现双声道语音系统时,往往采用复杂的硬件电路才能构成一个双声道语音系统,使得双声道语音系统的制作成本大大提高。因此用一个较为简单的电路来实现双声道语音系统就显得很有实用价值。本文正是基于这个思想,应用美国ISD公司制造的语音芯片ISD4004来实现简单的双声道立体声语音录放系统,并采用ATMEL公司的AVR系列单片机MEGA8L作为微控制器。该单片机的工作电压和ISD4004的工作电压相同,均为3V供电,并且该单片机集成了系统所需要的大部分外围器件,包括8kB系统内可编程FLASH程序存储器,1kBSRAM,512BE2PROM,WATCHDOG以及晶振等,从而大大简化了系统的构成。

  1ISD4004芯片简介

  ISD4004芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动降噪及高密度多电平闪烁存贮阵列。引脚包括电源、时钟、语音信号模拟输入/输出端及MCU接口(SPI接口)几部分。芯片采用多级存储技术,即声音无须A/D转换和D/A转换,采用模拟量直接存储技术,因此能够真实、自然地再现声音。ISD4004系列单片录放时间根据不同的采样频率可有8~16min不等,采样频率可为4.0kHz,5.3kHz,6.4kHz,8.0kHz,采样频率越低,录放时间越长,但音质有所下降。芯片的所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI)送入。SPI协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI移位寄存器在SCLK的下降沿动作,因此对ISD4004而言,在时钟上升沿锁存MOSI引脚的数据,在时钟下降沿将数据送至MISO引脚。ISD4004详细参数可参考文献[3]。

  2立体声录放原理

  虽然ISD4004采用的是模拟量直接存储技术,能够真实、自然地再现声音,但是要想不失真地再现原始语音信号,其采样频率也必须满足采样定理:当采样频率Fs大于信号最高频率Fm的2倍时,在采样过程中就不会丢失信息,并且可以用采样后的信号重构原始信号。即:Fs>2Fm(2Fm为最小采样频率,亦为“差模电感器奈奎斯特频率”)

  实际的语音信号常有一些低能量的频率分量超过采样频率的一半,如浊音的频谱超过4kHz的分量比其峰值要低40dB以上;而电感生产对于清音,即使超过8kHz,频率分量也没有下降,因此语音信号所占的频率范围可以到达10kHz以上。然而对语音清晰度有明显影响部分的最高频率为5.7kHz左右。CCITT(国际电报电话咨询委员会)提出的G.711标准建议采用采样频率为8kHz。

  ISD4004-8M的采样率为8.0kHz,满足采样定理的频率标准,虽然录放时间较短但是音质较好,甚至可满足播放简单背景音乐的需求。立体声录放的实现采用两片ISD4004-8M芯片构成,如图1所示。

   共模电感




  工作原理为:将输入的双声道语音信号分为左右声道分别接入两片ISD4004-8M芯片信号输入端,录音时由单片机发出让两片芯片同时录音的指令,进行同步录音,使得输入的信号在存储的时候就能保证其原有的声级差,从而达到了双声道录音的目的。放音时由单片机同时发出放音指令,两片芯片同时放音,因存储时信号原有声级差已经保存,所以放音时可再现原始的立体声,也可以在放音时对两个芯片发送放音指令的时间间隔进行操作,可达到调整立体声的效果。

  3具有接近功能的立体声系统的硬件原理

  该系统的硬件原理如图2所示,本系统的硬件主要由单片机MEGA8L,语音芯片ISD4004-8M,被动式红外传感器等构成。图中PIR(SENSOR)为两元被动红外热释电传感器,其输出差模电感器信号连接到CPU的中断1的输入端,当有人接近时该传感器输出一个高电平信号,使得CPU进入中断,然后CPU再对ISD4004进行放音操作,使ISD4004输出已录制好的音频信号,再经过功率放大器放大后送入扬声器。两个按键TAPE,PALY是进行录音和放音的人工操作按键,相应有两个指示灯进行状态指示。MEGA8L还通过控制继电器K1来控制音频信号功率放大器的供电,在长时间没有放音时将自动切断其供电,这样降低了系统的功耗,避免了功率放大器长时间通电。 1

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