ISD4004在具有接近功能的立體聲語(yǔ)音系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在實(shí)際的語(yǔ)音系統(tǒng)中雙聲道立體聲是一項(xiàng)應(yīng)用最為普遍的技術(shù)，他是利用人們的聽(tīng)覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，通過(guò)改變兩個(gè)揚(yáng)聲器的聲級(jí)差，能使聆聽(tīng)者前方產(chǎn)生一定角度的聲音方向信息，從而使人們?cè)隈雎?tīng)時(shí)有“身臨其境”的聽(tīng)覺(jué)感受。然而目前較為簡(jiǎn)單的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)多數(shù)采用單聲道，當(dāng)需要實(shí)現(xiàn)雙聲道語(yǔ)音系統(tǒng)時(shí)，往往采用復(fù)雜的硬件電路才能構(gòu)成一個(gè)雙聲道語(yǔ)音系統(tǒng)，使得雙聲道語(yǔ)音系統(tǒng)的制作成本大大提高。因此用一個(gè)較為簡(jiǎn)單的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)雙聲道語(yǔ)音系統(tǒng)就顯得很有實(shí)用價(jià)值。本文正是基于這個(gè)思想，應(yīng)用美國(guó)ISD公司制造的語(yǔ)音芯片ISD4004來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的雙聲道立體聲語(yǔ)音錄放系統(tǒng)，并采用ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)MEGA8L作為微控制器。該單片機(jī)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(jī)集成了系統(tǒng)所需要的大部分外圍器件，包括8 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH程序存儲(chǔ)器，1 kB SRAM，512 B E2PROM，WATCHDOG以及晶振等，從而大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的構(gòu)成。

　　1 ISD4004芯片簡(jiǎn)介

　　ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)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(hào)模擬輸入/輸出端及MCU接口(SPI接口)幾部分。芯片采用多級(jí)存儲(chǔ)技術(shù)，即聲音無(wú)須A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，采用模擬量直接存儲(chǔ)技術(shù)，因此能夠真實(shí)、自然地再現(xiàn)聲音。ISD4004系列單片錄放時(shí)間根據(jù)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(zhǎng)，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(shù)據(jù)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(duì)ISD4004而言，在時(shí)鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘下降沿將數(shù)據(jù)送至MISO引腳。ISD4004詳細(xì)參數(shù)可參考文獻(xiàn)[3]。

　　2 立體聲錄放原理

　　雖然ISD4004采用的是模擬量直接存儲(chǔ)技術(shù)，能夠真實(shí)、自然地再現(xiàn)聲音，但是要想不失真地再現(xiàn)原始語(yǔ)音信號(hào)，其采樣頻率也必須滿(mǎn)足采樣定理：當(dāng)采樣頻率Fs大于信號(hào)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(hào)重構(gòu)原始信號(hào)。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(hào)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(duì)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(hào)所占的頻率范圍可以到達(dá)10 kHz以上。然而對(duì)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(guó)際電報(bào)電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì))提出的G.711標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(xiàn)采用兩片ISD4004-8M芯片構(gòu)成，如圖1所示。

　　 

　　工作原理為：將輸入的雙聲道語(yǔ)音信號(hào)分為左右聲道分別接入兩片ISD4004-8M芯片信號(hào)輸入端，錄音時(shí)由單片機(jī)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(hào)在存儲(chǔ)的時(shí)候就能保證其原有的聲級(jí)差，從而達(dá)到了雙聲道錄音的目的。放音時(shí)由單片機(jī)同時(shí)發(fā)出放音指令，兩片芯片同時(shí)放音，因存儲(chǔ)時(shí)信號(hào)原有聲級(jí)差已經(jīng)保存，所以放音時(shí)可再現(xiàn)原始的立體聲，也可以在放音時(shí)對(duì)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(dá)到調(diào)整立體聲的效果。

　　3 具有接近功能的立體聲系統(tǒng)的硬件原理

　　該系統(tǒng)的硬件原理如圖2所示，本系統(tǒng)的硬件主要由單片機(jī)MEGA8L，語(yǔ)音芯片ISD4004-8M，被動(dòng)式紅外傳感器等構(gòu)成。圖中PIR(SENSOR)為兩元被動(dòng)紅外熱釋電傳感器，其輸出信號(hào)連接到CPU的中斷1的輸入端，當(dāng)有人接近時(shí)該傳感器輸出一個(gè)高電平信號(hào)，使得CPU進(jìn)入中斷，然后CPU再對(duì)ISD4004進(jìn)行放音操作，使ISD4004輸出已錄制好的音頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)功率放大器放大后送入揚(yáng)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(yīng)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(hào)功率放大器的供電，在長(zhǎng)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(tǒng)的功耗，避免了功率放大器長(zhǎng)時(shí)間通電。

　　 



　　由于該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)針對(duì)的是語(yǔ)音模擬信號(hào)，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該注意模擬地和數(shù)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(yīng)的地。錄音時(shí)的輸入信號(hào)如果是單聲道的信號(hào)，應(yīng)在錄音時(shí)使得左右聲道的輸入端均接入該信號(hào)，并在對(duì)兩個(gè)語(yǔ)音芯片發(fā)送錄音指令時(shí)中間應(yīng)有短時(shí)的時(shí)間間隔，可使得單聲道產(chǎn)生一定的聲級(jí)差，從而達(dá)到非立體聲轉(zhuǎn)換為立體聲的效果。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件流程圖如圖3所示。

　　 



　　系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，軟件實(shí)現(xiàn)的基本操作有：

　　(1)TAPE為錄音按鍵，PLAY為放音測(cè)試按鍵，當(dāng)TAPE鍵按下后，CPU操作ISD4004進(jìn)行錄音，同時(shí)相應(yīng)的LED燈亮表示正在錄音，此時(shí)當(dāng)TAPE鍵再次按下時(shí)，錄音停止，相應(yīng)的LED燈滅表示錄音停止。PIAY鍵為錄音后的放音測(cè)試按鍵，按鍵后相當(dāng)于紅外傳感器信號(hào)有效，CPU操作ISD4004進(jìn)行放音，相應(yīng)的LED燈亮表示正在放音，從而實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音在線錄放;

　　(2)每次錄音時(shí)CPU將錄音時(shí)間的長(zhǎng)度記錄到其內(nèi)部的E2PROM中，以便在放音的過(guò)程中適時(shí)對(duì)ISD4004進(jìn)行相應(yīng)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(zhǎng)了其使用壽命，減小了整個(gè)系統(tǒng)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(duì)ISD4004操作的例程如下：

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　本文介紹了由兩片ISD4004語(yǔ)音芯片構(gòu)成的具有接近功能的立體聲語(yǔ)音系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于一個(gè)醫(yī)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(wěn)定地工作。該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于多煤體語(yǔ)音教學(xué)，語(yǔ)音導(dǎo)向系統(tǒng)等，為立體聲語(yǔ)音錄放電路設(shè)計(jì)開(kāi)辟了一個(gè)新的途徑。