ISD4004在具有接近功能的立體聲語音系統(tǒng)中的應(yīng)用
1 ISD4004芯片簡介
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(shù)，即聲音無須A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換，采用模擬量直接存儲技術(shù)，因此能夠真實、自然地再現(xiàn)聲音。ISD4004系列單片錄放時間根據(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，錄放時間越長，但音質(zhì)有所下降。芯片的所有操作必須由微控制器控制，操作命令可通過串行通信接口(SPI)送入。SPI協(xié)議是一個同步串行數(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的下降沿動作，因此對ISD4004而言，在時鐘上升沿鎖存MOSI引腳的數(shù)據(jù)，在時鐘下降沿將數(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技術(shù)，能夠真實、自然地再現(xiàn)聲音，但是要想不失真地再現(xiàn)原始語音信號，其采樣頻率也必須滿足采樣定理：當(dāng)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(gòu)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)建議采用采樣頻率為8 kHz。
ISD4004-8M的采樣率為8.0 kHz，滿足采樣定理的頻率標(biāo)準(zhǔn)，雖然錄放時間較短但是音質(zhì)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(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(jī)發(fā)出讓兩片芯片同時錄音的指令，進(jìn)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(dá)到了雙聲道錄音的目的。放音時由單片機(jī)同時發(fā)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(jīng)保存，所以放音時可再現(xiàn)原始的立體聲，也可以在放音時對兩個芯片發(fā)送放音指令的時間間隔進(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，語音芯片ISD4004-8M，被動式紅外傳感器等構(gòu)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(dāng)有人接近時該傳感器輸出一個高電平信號，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)過功率放大器放大后送入揚(yáng)聲器。兩個按鍵TAPE，PALY是進(jìn)行錄音和放音的人工操作按鍵，相應(yīng)有兩個指示燈進(jìn)行狀態(tài)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(tǒng)的功耗，避免了功率放大器長時間通電。
由于該系統(tǒng)的硬件設(shè)計針對的是語音模擬信號，所以在設(shè)計的時候應(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。錄音時的輸入信號如果是單聲道的信號，應(yīng)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(fā)送錄音指令時中間應(yīng)有短時的時間間隔，可使得單聲道產(chǎn)生一定的聲級差，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
軟件流程圖如圖3所示。
系統(tǒng)上電后先進(jìn)行初始化，軟件實現(xiàn)的基本操作有：
(1)TAPE為錄音按鍵，PLAY為放音測試按鍵，當(dāng)TAPE鍵按下后，CPU操作ISD4004進(jìn)行錄音，同時相應(yīng)的LED燈亮表示正在錄音，此時當(dāng)TAPE鍵再次按下時，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試按鍵，按鍵后相當(dāng)于紅外傳感器信號有效，CPU操作ISD4004進(jìn)行放音，相應(yīng)的LED燈亮表示正在放音，從而實現(xiàn)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(nèi)部的E2PROM中，以便在放音的過程中適時對ISD4004進(jìn)行相應(yīng)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(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;
編譯語言：C語言;
對ISD4004操作的例程如下： 
5 結(jié) 語
本文介紹了由兩片ISD4004語音芯片構(gòu)成的具有接近功能的立體聲語音系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于一個醫(yī)療產(chǎn)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(wěn)定地工作。該系統(tǒng)亦可應(yīng)用于多煤體語音教學(xué)，語音導(dǎo)向系統(tǒng)等，為立體聲語音錄放電路設(shè)計開辟了一個新的途徑。
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