ISD4004在具有接近功能的立體聲語音系統(tǒng)中的應用

　　在實際的語音系統(tǒng)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(tǒng)多數采用單聲道，當需要實現雙聲道語音系統(tǒng)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(tǒng)，使得雙聲道語音系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(tǒng)所需要的大部分外圍器件，包括8 kB系統(tǒng)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(tǒng)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，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，錄音時由單片機發(fā)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(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(fā)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(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(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(fā)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

　　軟件流程圖如圖3所示。

　　系統(tǒng)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(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 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(tǒng)，該系統(tǒng)已經成功應用于一個醫(yī)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(wěn)定地工作。該系統(tǒng)亦可應用于多煤體語音教學，語音導向系統(tǒng)等，為立體聲語音錄放電路設計開辟了一個新的途徑。