语音芯片的分段变换采样频率的实现

　　摘 要: 本文讨论了在一片ISD芯片中分段采用不同的采样频率，从而取得不同的录音质量和录音时间的方法
　　关键词: 语音录放；采样变换；语音芯片

　　Winbond公司的ISD系列语音芯片因为采用了独特的模拟数据直接存储技术，使其声音存贮效果较以前产品有大幅提高，实际试听主观评价可以达到磁带录音机的水平，是目前市场上录放效果最好的语音电路之一。

　　我们在开发产品“多功能英语语音示教仪”时，需要做大容量的语音存储重放。产品要求除了能够存储全部的英语音标、字母外，还要存储所有初中英语课本中的英语单词、词组，经过计算，所有的语音录音时间加起来，约有10多分钟，我们选择的ISD4004系列芯片有4个型号，分别可以存储不同时长的声音，如表1所示。

　　ISD各个型号的内存容量是一样的，但是声音采样频率不一样，因此录放的时间也不一样。虽然其中有10分钟和12分钟的型号，因为其采样频率低，会造成录音内容损失更多的高频信息。经过对比试听，发现如果用8kHz的采样频率，可以比较好的完成语音的重播，达到语音教学的目的，而如果用6.4kHz或以下的采样频率，语音中的高频部分会有较多的损失，采样频率越低，损失越大，当采样频率降低到5.3kHz左右时，如果是单词、词组等，仍然可以很容易分辨，但如果是重放发音相近的字母、音标，比如b和d、［z］和[s]时，则很难分辨，达不到教学的要求。

　　为了达到存储全部语音信息，有三个解决方案可供选择，第一是用一片ISD4004-08M，再增加一片小容量的语音芯片(8kHz采样率)，这样音质最好，但是成本高。第二是用一片小容量的ISD芯片(8kHz采样频率)，再配合一片ISD4004-10M，这样音质要求高的字母音标存于8kHz采样率芯片中，而对音质要求较低的单词、词组等则存于低采样率芯片中，这个方案成本稍低一些，但是仍然要用两片芯片，成本上仍不理想。第三种方案是使用一片ISD4004芯片，对片内的不同录音段分别使用不同的采样率，这个方案因为只需要使用一片芯片而成本最低，但是因为不同于其典型的应用，没有相关应用实例可以参考，因此其效果需要经过试验验证。

表1 ISD语音芯片

图1 ISD芯片的内部结构

图2 双频振荡和切换电路

　　ISD4004系列芯片的内部结构如图1所示。

　　ISD系列芯片均有一个外部时钟输入引脚XCLK，如果该引脚接地，则芯片使用在出厂时已经设定的内部时钟。如果对该引脚输入一时钟信号，则芯片内的采样频率就由外部时钟频率来决定，根据其资料显示，当外部时钟频率为1024kHz时，内部声音的采样频率是8kHz。

　　查阅ISD4004的数据手册，其中并无关于改变时钟频率应用的说明，相反倒是有不能改变时钟频率的提示，原因是芯片内的抗混叠(antialias)电路和输出滤波电路均已经是固定的，改变采样频率，会影响这两个电路正常发挥作用。

　　但是在我们的应用中是降频使用，采样频率降低，相当于抗混叠电路和输出滤波器的设定频率偏高，这样应该不会对还原质量造成影响，有可能使信噪比下降，但如果频率改变不大，信噪比下降将会很有限。

　　为了验证我们的推论，进行了两个测试，一个是降频使用的测试，一个是分段降频的测试，即在同一片中分别使用两种不同的时钟频率的测试。

　　首先，在测试前，需要对ISD芯片编程器进行一些改造，我们将ISD4004的时钟输入XCLK引脚断开，接入可调频率发生器，测试芯片在不同时钟频率下的工作情况。我们用一片ISD4004-8M(内部频率1024kHz)，在录音和重放时分别将外部频率调整到682kHz和512kHz，与ISD4004-12M和ISD4004-16M相比较。经比较发现，ISD4004-8M在682kHz时，与ISD4004-12M在录放效果上，基本上没有可察觉的差别；在512kHz时，与ISD4004-16M相比，除感觉声音略微有些“发毛”外，也没有明显的差别，这就证明，ISD芯片可以适当降低频率使用，以获得更长的录放时间，适合在对语音质量要求不是很高，以及频率降低的范围不很大的应用中。

　　第二步，测试在同一芯片内使用不同的时钟频率，具体测试方法是，使用ISD4004-8M芯片，前半段录音使用1024kHz的时钟频率，然后调低到682kHz,再继续录音;重放时，前半段使用1024kHz的频率，后半段使用682kHz的频率。测试结果证明，这样的做法是可行的。

　　变频使用ISD芯片时，有三个问题是在定频使用时不会遇到的，一个是芯片的变频录制，第二是变频芯片的复制，第三个是重放时的频率控制。

　　对于第一个问题，因为我们的产品中语音数据的存放比较有规律，音标、字母、单词、词组顺序存放，也就是说采用1024kHz高频率的数据均在前半段，而后半段均采用低频率。低频率段的具体频率，应根据具体需要的录音时间长短来决定，频率越低，录音时间越长，但是相应的录音质量越低，因此应该采用尽可能高的频率。经过测算，如果采用750kHz左右的频率，刚好可以把所有的内容录完。

　　录制完一个母片，其余生产用的芯片均可以由这个母片复制产生。不过，对于改变采样频率使用的芯片，必须按照低一档次的芯片进行设置。我们低频段使用的是750kHz,这样应该按照系统频率是682.7kHz的ISD4004-12M设置。因为对后半段语音信号来说，如果使用更高的频率来重放，必然会引起音调的升高，但是因为ISD4004-8M芯片内部的滤波器已经固定在了3.4kHz，这样就可能引起语音中高频部分的损失；而如果设成更低的系统频率，虽然音调降低，但因为ISD芯片具有良好的低频响应，因此在复制出的芯片重新以原频率放音时，不会有声音质量的损失。

　　为了在系统中重放时能够随时改变ISD芯片的时钟频率，我们采用了如图2的电路。

　　电路中，MCU端接单片机控制输出，XCLK接ISD芯片时钟输入。当模拟开关关闭时，振荡电路以较低的频率(约750kHz)振荡，当模拟开关接通时，等效电阻减小，振荡电路频率升高(约1024kHz)。。

　　经过实际应用，证明ISD芯片的变频使用的方案是可行的，达到了预期的目的。

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