雙通道數(shù)字語(yǔ)音監(jiān)錄器設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 雙通道數(shù)字語(yǔ)音監(jiān)錄器設(shè)計(jì)摘 要： 介紹一種雙通道數(shù)字語(yǔ)音監(jiān)錄器的設(shè)計(jì)方案。由于整個(gè)系統(tǒng)的硬件、程序和語(yǔ)音編解碼算法都自行設(shè)計(jì)，所以可以就現(xiàn)有條件到達(dá)化的性能、完善的功能，且易于修改和擴(kuò)大。 隨著數(shù)字信號(hào)處理芯片(DSP)的發(fā)展，語(yǔ)音編解碼技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于軍事、民用和監(jiān)控等領(lǐng)域。就語(yǔ)音監(jiān)錄器而言，它可應(yīng)用于運(yùn)輸、公安、消防、電話(huà)服務(wù)質(zhì)量監(jiān)視等諸多領(lǐng)域。1999年9月，鐵道部公布了鐵路運(yùn)輸數(shù)字通訊記錄儀技術(shù)條件，對(duì)鐵路運(yùn)輸部門(mén)行車(chē)作業(yè)、調(diào)度指揮中使用的通話(huà)語(yǔ)音記錄儀器的功能、技術(shù)要求、測(cè)量方法、檢驗(yàn)規(guī)則等做出了詳細(xì)規(guī)定。本文所介紹的系統(tǒng)符合其各項(xiàng)規(guī)定，通過(guò)了鐵道

2、部的鑒定，現(xiàn)正在推廣與完善之中。 1 系統(tǒng)功能 采用FLASH半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，制成可插拔的卡式構(gòu)造，存儲(chǔ)容量可變。系統(tǒng)為雙通道雙卡式構(gòu)造，目前設(shè)計(jì)的單卡可存儲(chǔ)多達(dá)14小時(shí)的語(yǔ)音。系統(tǒng)也可在單卡狀態(tài)下工作。 用戶(hù)界面為鍵盤(pán)和液晶顯示屏，包括時(shí)間顯示和各功能操作的狀態(tài)顯示。 系統(tǒng)接在通訊線(xiàn)路上，即處于監(jiān)聽(tīng)錄音方式。當(dāng)線(xiàn)上有語(yǔ)音傳輸時(shí)，系統(tǒng)即啟動(dòng)錄音操作，并同時(shí)記錄該語(yǔ)音的出現(xiàn)時(shí)間。用戶(hù)可以對(duì)所錄語(yǔ)音開(kāi)展監(jiān)聽(tīng)，確保語(yǔ)音已錄制在存儲(chǔ)卡上。錄音過(guò)程循環(huán)開(kāi)展，如果不將卡取出，系統(tǒng)將用的語(yǔ)音數(shù)據(jù)覆蓋老的數(shù)據(jù)，從而保證數(shù)小時(shí)的語(yǔ)音記錄。錄音屬于系統(tǒng)后臺(tái)操作。 用戶(hù)可以開(kāi)展放音、循環(huán)放音、快進(jìn)、快退、按錄音時(shí)間查

3、找等操作，還可以獲知每條語(yǔ)音的時(shí)間長(zhǎng)度。這些功能受密碼保護(hù)，為系統(tǒng)前臺(tái)操作。 前臺(tái)操作可以在兩個(gè)存儲(chǔ)卡之間切換，而后臺(tái)操作則獨(dú)立運(yùn)行，不受前臺(tái)操作影響，僅取決于線(xiàn)上是否有語(yǔ)音出現(xiàn)。也就是說(shuō)，放音、監(jiān)聽(tīng)、檢索等操作均不影響錄音，可以錄放音雙工同時(shí)工作。 2 系統(tǒng)整體模塊設(shè)計(jì) 如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)可分為FLASH存儲(chǔ)卡、信號(hào)處理、信號(hào)輸入輸出、系統(tǒng)控制和電源管理等五個(gè)功能單元。 2.1 FLASH存儲(chǔ)卡 韓國(guó)三星(SAMSUNG)半導(dǎo)體公司的大容量存儲(chǔ)器具有很高的性能價(jià)格比，本系統(tǒng)選用三星的64兆位FLASH存儲(chǔ)芯片KM29U64000來(lái)存儲(chǔ)語(yǔ)音數(shù)據(jù)。該芯片工作在2.73.6V電壓下，其命令、地址

4、、數(shù)據(jù)線(xiàn)復(fù)用，8位寬度傳輸?？芍貜?fù)擦寫(xiě)一百萬(wàn)次，掉電后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間為10年。該芯片在5.3kb/s的碼率下可存儲(chǔ)3.5小時(shí)以上的語(yǔ)音，因而在采用4枚該芯片的存儲(chǔ)卡上，可以記錄多達(dá)14小時(shí)的語(yǔ)音信息。 2.2 信號(hào)處理單元 本單元包括數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、編解碼器(CODEC)和一些控制器件。 DSP部分采用ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2181，這是本系統(tǒng)開(kāi)展信號(hào)處理的芯片，它具有以下特點(diǎn)： 運(yùn)算速度33MIPS，適合高質(zhì)量中低速率語(yǔ)音編碼算法的運(yùn)算速度要求； 片內(nèi)含80K Byte RAM，分為48K Byte的程序RAM及32K Byte的數(shù)據(jù)R

5、AM； 兩路獨(dú)立可編程全雙工串行通信接口，支持A律/律的硬件解壓擴(kuò)，支持自動(dòng)緩沖區(qū)操作。這兩個(gè)串行口在本系統(tǒng)中分別用來(lái)收發(fā)語(yǔ)音數(shù)據(jù)和與單片機(jī)通信； 4M Byte的外部尋址空間； 支持內(nèi)外存之間的DMA操作，用于存儲(chǔ)DSP程序、算法和數(shù)據(jù)； 13個(gè)可編程的I/O口，用于與單片機(jī)通信和可編程邏輯器件的控制。 DSP在系統(tǒng)中的主要作用是：(1)管理存儲(chǔ)卡中的數(shù)據(jù)。由于要求系統(tǒng)的錄音時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)較多，所以每一存儲(chǔ)頁(yè)采用了相同的數(shù)據(jù)構(gòu)造，將語(yǔ)音數(shù)據(jù)和時(shí)鐘數(shù)據(jù)混合存儲(chǔ)。存儲(chǔ)方式是順序的，循環(huán)覆蓋的。(2)錄音。隨時(shí)監(jiān)聽(tīng)線(xiàn)路，開(kāi)展語(yǔ)音編碼，并將壓縮后數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存入FLASH芯片。本系統(tǒng)采用了根據(jù)ITU-T

6、標(biāo)準(zhǔn)G.723改良的語(yǔ)音編碼算法，壓縮碼率到達(dá)5.3Kb/s，具有出色的語(yǔ)音質(zhì)量。(3)放音。根據(jù)單片機(jī)命令開(kāi)展語(yǔ)音解碼。(4)語(yǔ)音搜索。包括按語(yǔ)音段跳轉(zhuǎn)、按3秒長(zhǎng)的時(shí)間段跳轉(zhuǎn)和按用戶(hù)輸入的時(shí)間查找三個(gè)功能。 DSP是本系統(tǒng)的處理芯片，由于錄音是后臺(tái)操作，要求在放音時(shí)不中斷錄音，所以編解碼過(guò)程是雙工的；此外，由于存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)較多，如果采用普通的順序查找方式，搜索過(guò)程所消耗的時(shí)間可能會(huì)以秒計(jì)，所以程序采用了二分法，以提高搜索效率。 與ADSP2181配套使用的CODEC(PCM編解碼器)是MOTOROLA公司的MC145480。該芯片可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和A律、律壓擴(kuò)，內(nèi)置R-C

7、濾波器可有效濾除輸入和輸出信號(hào)的帶外噪聲。可以同ADSP2181配合使用的CODEC很多，性能也沒(méi)有太大差異，所以這里在芯片選擇上并沒(méi)有特殊的考慮。 2.3 信號(hào)輸入輸出單元 本單元為全模擬電路，完成輸入信號(hào)的混合、增益控制以及輸出信號(hào)的放大功能。當(dāng)系統(tǒng)被配置成雙卡雙通道機(jī)型時(shí)，每通道可接入增益不同的兩路信號(hào)；當(dāng)配置成單卡單通道機(jī)型時(shí)，可接入四路信號(hào)。除此以外，還有一路話(huà)筒輸入，主要用作系統(tǒng)測(cè)試。系統(tǒng)對(duì)兩個(gè)通道的接入信號(hào)都設(shè)有自動(dòng)增益控制，控制范圍可達(dá)15dB。在該范圍內(nèi)，電路可將輸入信號(hào)調(diào)整到適合CODEC工作的幅度，從而使DSP的編碼到達(dá)效果。輸出電路相比照較簡(jiǎn)單，兩路CODEC的模擬輸出

8、信號(hào)經(jīng)功率放大器后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作。 為了適應(yīng)鐵路部門(mén)具有不同增益的信號(hào)通道，同時(shí)盡量減小DSP的編解碼對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量的損失，需要性能優(yōu)良的模擬電路。本電路單元是在試驗(yàn)中根據(jù)用戶(hù)需要和整機(jī)調(diào)試結(jié)果，經(jīng)過(guò)多次修改后才完成的，它與其它單元配合，可使DSP的編解碼算法到達(dá)其性能。 2.4 系統(tǒng)控制單元 選用SAMSUNG公司的4位單片機(jī)KS57C2308，用以提供友好的用戶(hù)界面和靈活的功能控制，同時(shí)對(duì)DSP的工作狀況開(kāi)展監(jiān)視，保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)健性，這在監(jiān)錄系統(tǒng)中是非常必要的。KS57C2308工作電壓較寬，可以直接驅(qū)動(dòng)段式液晶。其I/O功能也較強(qiáng)，能夠輕松地控制兩塊DSP芯片協(xié)同工作。 為了與DSP協(xié)調(diào)工

9、作，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了23條單片機(jī)命令及相應(yīng)的DSP應(yīng)答，其中包括初始化、放音、音量調(diào)節(jié)、時(shí)鐘的獲取與修改、各種跳轉(zhuǎn)與搜索等指令。由于錄音過(guò)程由DSP自主控制，所以單片機(jī)命令集中不包含錄音命令，DSP僅用一條信號(hào)線(xiàn)將錄音狀態(tài)告知單片機(jī)。時(shí)鐘由單片機(jī)程序運(yùn)行，每秒鐘都向DSP通報(bào)新的時(shí)間。DSP在存儲(chǔ)語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)也將時(shí)間存入，這稱(chēng)為時(shí)戳。當(dāng)執(zhí)行按時(shí)間查找操作時(shí)，就是按照存儲(chǔ)卡中的時(shí)戳查找語(yǔ)音數(shù)據(jù)段。 2.5 電源管理單元 本系統(tǒng)各單元需要彼此盡可能獨(dú)立而且可靠的電源，這部分工作由電源管理單元完成。本單元可接入220V交流或者12V直流電，向其它單元提供電源。 (1)存儲(chǔ)卡：3.3V電源。這一路電源經(jīng)由信

10、號(hào)處理單元提供。 (2)信號(hào)處理單元：5一路，給本單元各部件供電。 (3)信號(hào)輸入輸出單元：9V(未經(jīng)穩(wěn)壓)一路，給功放供電；5V一路，給本單元其它部件供電。 (4)系統(tǒng)控制單元：9V(未經(jīng)穩(wěn)壓)一路，給液晶顯示的背光及蜂鳴器供電；5V一路，給本單元其它部件供電。 以上各電源之間充分隔離，以盡量消除數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的串?dāng)_。此外，本單元還為單片機(jī)提供上電復(fù)位信號(hào)，保證在系統(tǒng)電壓穩(wěn)定之后再啟動(dòng)單片機(jī)工作；本單元又為DSP提供了掉電警告信號(hào)，在外部電壓衰落時(shí)提前告知DSP，使其有足夠時(shí)間完成現(xiàn)有操作，轉(zhuǎn)入安全狀態(tài)，以免在電壓不穩(wěn)定時(shí)向存儲(chǔ)卡寫(xiě)入數(shù)據(jù)，致使卡上數(shù)據(jù)損壞。 3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn) 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)部分和DSP部分，從功能上可以綜合表達(dá)為圖2所示流程。 程序共有五個(gè)工作狀態(tài)，通常處于普通監(jiān)錄狀態(tài)，可以開(kāi)展監(jiān)聽(tīng)，以確保系統(tǒng)正常工作。進(jìn)入其它四個(gè)狀態(tài)之前需要校驗(yàn)密碼，所以只有掌握密碼的管理人員才有權(quán)查找和播放所存儲(chǔ)的語(yǔ)音內(nèi)容。軟件不設(shè)錄音命令，但其它功能，如監(jiān)錄、音量增減、按條目或3秒鐘長(zhǎng)度向前跳轉(zhuǎn)、向后跳轉(zhuǎn)、按時(shí)間檢索、密碼重置等等都單設(shè)一條命令，在DSP程序中對(duì)應(yīng)于不同的程序模塊。此外，DSP程序中還含有語(yǔ)音編碼和語(yǔ)音解碼兩大模塊，由DSP主程序調(diào)用。 4 系統(tǒng)性能評(píng)測(cè) 本系統(tǒng)在鐵道部測(cè)試時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異：信噪比大于 50dB；