語(yǔ)音芯片的分段變換采樣頻率的實(shí)現(xiàn)

摘 要: 本文討論了在一片ISD芯片中分段采用不同的采樣頻率，從而取得不同的錄音質(zhì)量和錄音時(shí)間的方法
　　關(guān)鍵詞: 語(yǔ)音錄放；采樣變換；語(yǔ)音芯片

　　Winbond公司的ISD系列語(yǔ)音芯片因?yàn)椴捎昧霜?dú)特的模擬數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)技術(shù)，使其聲音存貯效果較以前產(chǎn)品有大幅提高，實(shí)際試聽(tīng)主觀評(píng)價(jià)可以達(dá)到磁帶錄音機(jī)的水平，是目前市場(chǎng)上錄放效果最好的語(yǔ)音電路之一。

　　我們?cè)陂_(kāi)發(fā)產(chǎn)品“多功能英語(yǔ)語(yǔ)音示教儀”時(shí)，需要做大容量的語(yǔ)音存儲(chǔ)重放。產(chǎn)品要求除了能夠存儲(chǔ)全部的英語(yǔ)音標(biāo)、字母外，還要存儲(chǔ)所有初中英語(yǔ)課本中的英語(yǔ)單詞、詞組，經(jīng)過(guò)計(jì)算，所有的語(yǔ)音錄音時(shí)間加起來(lái)，約有10多分鐘，我們選擇的ISD4004系列芯片有4個(gè)型號(hào)，分別可以存儲(chǔ)不同時(shí)長(zhǎng)的聲音，如表1所示。

　　ISD各個(gè)型號(hào)的內(nèi)存容量是一樣的，但是聲音采樣頻率不一樣，因此錄放的時(shí)間也不一樣。雖然其中有10分鐘和12分鐘的型號(hào)，因?yàn)槠洳蓸宇l率低，會(huì)造成錄音內(nèi)容損失更多的高頻信息。經(jīng)過(guò)對(duì)比試聽(tīng)，發(fā)現(xiàn)如果用8kHz的采樣頻率，可以比較好的完成語(yǔ)音的重播，達(dá)到語(yǔ)音教學(xué)的目的，而如果用6.4kHz或以下的采樣頻率，語(yǔ)音中的高頻部分會(huì)有較多的損失，采樣頻率越低，損失越大，當(dāng)采樣頻率降低到5.3kHz左右時(shí)，如果是單詞、詞組等，仍然可以很容易分辨，但如果是重放發(fā)音相近的字母、音標(biāo)，比如b和d、［z］和[s]時(shí)，則很難分辨，達(dá)不到教學(xué)的要求。

　　為了達(dá)到存儲(chǔ)全部語(yǔ)音信息，有三個(gè)解決方案可供選擇，第一是用一片ISD4004-08M，再增加一片小容量的語(yǔ)音芯片(8kHz采樣率)，這樣音質(zhì)最好，但是成本高。第二是用一片小容量的ISD芯片(8kHz采樣頻率)，再配合一片ISD4004-10M，這樣音質(zhì)要求高的字母音標(biāo)存于8kHz采樣率芯片中，而對(duì)音質(zhì)要求較低的單詞、詞組等則存于低采樣率芯片中，這個(gè)方案成本稍低一些，但是仍然要用兩片芯片，成本上仍不理想。第三種方案是使用一片ISD4004芯片，對(duì)片內(nèi)的不同錄音段分別使用不同的采樣率，這個(gè)方案因?yàn)橹恍枰褂靡黄酒杀咀畹?，但是因?yàn)椴煌谄涞湫偷膽?yīng)用，沒(méi)有相關(guān)應(yīng)用實(shí)例可以參考，因此其效果需要經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證。



　　ISD系列芯片均有一個(gè)外部時(shí)鐘輸入引腳XCLK，如果該引腳接地，則芯片使用在出廠時(shí)已經(jīng)設(shè)定的內(nèi)部時(shí)鐘。如果對(duì)該引腳輸入一時(shí)鐘信號(hào)，則芯片內(nèi)的采樣頻率就由外部時(shí)鐘頻率來(lái)決定，根據(jù)其資料顯示，當(dāng)外部時(shí)鐘頻率為1024kHz時(shí)，內(nèi)部聲音的采樣頻率是8kHz。

　　查閱ISD4004的數(shù)據(jù)手冊(cè)，其中并無(wú)關(guān)于改變時(shí)鐘頻率應(yīng)用的說(shuō)明，相反倒是有不能改變時(shí)鐘頻率的提示，原因是芯片內(nèi)的抗混疊(antialias)電路和輸出濾波電路均已經(jīng)是固定的，改變采樣頻率，會(huì)影響這兩個(gè)電路正常發(fā)揮作用。

　　但是在我們的應(yīng)用中是降頻使用，采樣頻率降低，相當(dāng)于抗混疊電路和輸出濾波器的設(shè)定頻率偏高，這樣應(yīng)該不會(huì)對(duì)還原質(zhì)量造成影響，有可能使信噪比下降，但如果頻率改變不大，信噪比下降將會(huì)很有限。

　　為了驗(yàn)證我們的推論，進(jìn)行了兩個(gè)測(cè)試，一個(gè)是降頻使用的測(cè)試，一個(gè)是分段降頻的測(cè)試，即在同一片中分別使用兩種不同的時(shí)鐘頻率的測(cè)試。

　　首先，在測(cè)試前，需要對(duì)ISD芯片編程器進(jìn)行一些改造，我們將ISD4004的時(shí)鐘輸入XCLK引腳斷開(kāi)，接入可調(diào)頻率發(fā)生器，測(cè)試芯片在不同時(shí)鐘頻率下的工作情況。我們用一片ISD4004-8M(內(nèi)部頻率1024kHz)，在錄音和重放時(shí)分別將外部頻率調(diào)整到682kHz和512kHz，與ISD4004-12M和ISD4004-16M相比較。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，ISD4004-8M在682kHz時(shí)，與ISD4004-12M在錄放效果上，基本上沒(méi)有可察覺(jué)的差別；在512kHz時(shí)，與ISD4004-16M相比，除感覺(jué)聲音略微有些“發(fā)毛”外，也沒(méi)有明顯的差別，這就證明，ISD芯片可以適當(dāng)降低頻率使用，以獲得更長(zhǎng)的錄放時(shí)間，適合在對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量要求不是很高，以及頻率降低的范圍不很大的應(yīng)用中。

　　第二步，測(cè)試在同一芯片內(nèi)使用不同的時(shí)鐘頻率，具體測(cè)試方法是，使用ISD4004-8M芯片，前半段錄音使用1024kHz的時(shí)鐘頻率，然后調(diào)低到682kHz,再繼續(xù)錄音;重放時(shí)，前半段使用1024kHz的頻率，后半段使用682kHz的頻率。測(cè)試結(jié)果證明，這樣的做法是可行的。

　　變頻使用ISD芯片時(shí)，有三個(gè)問(wèn)題是在定頻使用時(shí)不會(huì)遇到的，一個(gè)是芯片的變頻錄制，第二是變頻芯片的復(fù)制，第三個(gè)是重放時(shí)的頻率控制。

　　對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)槲覀兊漠a(chǎn)品中語(yǔ)音數(shù)據(jù)的存放比較有規(guī)律，音標(biāo)、字母、單詞、詞組順序存放，也就是說(shuō)采用1024kHz高頻率的數(shù)據(jù)均在前半段，而后半段均采用低頻率。低頻率段的具體頻率，應(yīng)根據(jù)具體需要的錄音時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定，頻率越低，錄音時(shí)間越長(zhǎng)，但是相應(yīng)的錄音質(zhì)量越低，因此應(yīng)該采用盡可能高的頻率。經(jīng)過(guò)測(cè)算，如果采用750kHz左右的頻率，剛好可以把所有的內(nèi)容錄完。

　　錄制完一個(gè)母片，其余生產(chǎn)用的芯片均可以由這個(gè)母片復(fù)制產(chǎn)生。不過(guò)，對(duì)于改變采樣頻率使用的芯片，必須按照低一檔次的芯片進(jìn)行設(shè)置。我們低頻段使用的是750kHz,這樣應(yīng)該按照系統(tǒng)頻率是682.7kHz的ISD4004-12M設(shè)置。因?yàn)閷?duì)后半段語(yǔ)音信號(hào)來(lái)說(shuō)，如果使用更高的頻率來(lái)重放，必然會(huì)引起音調(diào)的升高，但是因?yàn)镮SD4004-8M芯片內(nèi)部的濾波器已經(jīng)固定在了3.4kHz，這樣就可能引起語(yǔ)音中高頻部分的損失；而如果設(shè)成更低的系統(tǒng)頻率，雖然音調(diào)降低，但因?yàn)镮SD芯片具有良好的低頻響應(yīng)，因此在復(fù)制出的芯片重新以原頻率放音時(shí)，不會(huì)有聲音質(zhì)量的損失。

　　為了在系統(tǒng)中重放時(shí)能夠隨時(shí)改變ISD芯片的時(shí)鐘頻率，我們采用了如圖2的電路。

　　電路中，MCU端接單片機(jī)控制輸出，XCLK接ISD芯片時(shí)鐘輸入。當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，振蕩電路以較低的頻率(約750kHz)振蕩，當(dāng)模擬開(kāi)關(guān)接通時(shí)，等效電阻減小，振蕩電路頻率升高(約1024kHz)。。

　　經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，證明ISD芯片的變頻使用的方案是可行的，達(dá)到了預(yù)期的目的。