基于DSP的雙通道數(shù)字語音監(jiān)錄器設(shè)計(jì)

隨著數(shù)字信號處理芯片(DSP)的發(fā)展，語音編解碼技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用于軍事、民用和監(jiān)控等領(lǐng)域。就語音監(jiān)錄器而言，它可應(yīng)用于運(yùn)輸、公安、消防、電話服務(wù)質(zhì)量監(jiān)督等諸多領(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》，對鐵路運(yùn)輸部門行車作業(yè)、調(diào)度指揮中使用的通話語音記錄儀器的功能、技術(shù)要求、測量方法、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，通過了鐵道部的鑒定，現(xiàn)正在推廣與完善之中。

 
1 系統(tǒng)功能
· 采用FLASH半導(dǎo)體存儲器，制成可插拔的卡式結(jié)構(gòu)，存儲容量可變。系統(tǒng)為雙通道雙卡式結(jié)構(gòu)，目前設(shè)計(jì)的單卡可存儲多達(dá)14小時(shí)的語音。系統(tǒng)也可在單卡狀態(tài)下工作。
· 用戶界面為鍵盤和液晶顯示屏，包括時(shí)間顯示和各功能操作的狀態(tài)顯示。
· 系統(tǒng)接在通訊線路上，即處于監(jiān)聽錄音方式。當(dāng)線上有語音傳輸時(shí)，系統(tǒng)即啟動(dòng)錄音操作，并同時(shí)記錄該語音的出現(xiàn)時(shí)間。用戶可以對所錄語音進(jìn)行監(jiān)聽，確保語音已錄制在存儲卡上。錄音過程循環(huán)進(jìn)行，如果不將卡取出，系統(tǒng)將用最新的語音數(shù)據(jù)覆蓋最老的數(shù)據(jù)，從而保證最新數(shù)小時(shí)的語音記錄。錄音屬于系統(tǒng)后臺操作。
· 用戶可以進(jìn)行放音、循環(huán)放音、快進(jìn)、快退、按錄音時(shí)間查找等操作，還可以獲知每條語音的時(shí)間長度。這些功能受密碼保護(hù)，為系統(tǒng)前臺操作。
· 前臺操作可以在兩個(gè)存儲卡之間切換，而后臺操作則獨(dú)立運(yùn)行，不受前臺操作影響，僅取決于線上是否有語音出現(xiàn)。也就是說，放音、監(jiān)聽、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存儲卡、信號處理、信號輸入輸出、系統(tǒng)控制和電源管理等五個(gè)功能單元。

2.1 FLASH存儲卡
韓國三星(SAMSUNG)半導(dǎo)體公司的大容量存儲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存儲芯片KM29U64000來存儲語音數(shù)據(jù)。該芯片工作在2.7~3.6V電壓下，其命令、地址、數(shù)據(jù)線復(fù)用，8位寬度傳輸?？芍貜?fù)擦寫一百萬次，掉電后數(shù)據(jù)存儲時(shí)間為10年。該芯片在5.3kb/s的碼率下可存儲3.5小時(shí)以上的語音，因而在采用4枚該芯片的存儲卡上，可以記錄多達(dá)14小時(shí)的語音信息。

2.2 信號處理單元
本單元包括數(shù)字信號處理器(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)字信號處理器ADSP2181，這是本系統(tǒng)進(jìn)行信號處理的核心芯片，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)RAM；
· 兩路獨(dú)立可編程全雙工串行通信接口，支持A律/μ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)中分別用來收發(fā)語音數(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)管理存儲卡中的數(shù)據(jù)。由于要求系統(tǒng)的錄音時(shí)間較長、數(shù)據(jù)較多，所以每一存儲頁采用了相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將語音數(shù)據(jù)和時(shí)鐘數(shù)據(jù)混合存儲。存儲方式是順序的，循環(huán)覆蓋的。(2)錄音。隨時(shí)監(jiān)聽線路，進(jìn)行語音編碼，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標(biāo)準(zhǔn)G.723改進(jìn)的語音編碼算法，壓縮碼率達(dá)到5.3Kb/s，具有出色的語音質(zhì)量。(3)放音。根據(jù)單片機(jī)命令進(jìn)行語音解碼。(4)語音搜索。包括按語音段跳轉(zhuǎn)、按3秒長的時(shí)間段跳轉(zhuǎn)和按用戶輸入的時(shí)間查找三個(gè)功能。
DSP是本系統(tǒng)的核心處理芯片，由于錄音是后臺操作，要求在放音時(shí)不中斷錄音，所以編解碼過程是雙工的；此外，由于存儲的數(shù)據(jù)較多，如果采用普通的順序查找方式，搜索過程所耗費(fèi)的時(shí)間可能會以秒計(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)語音信號的A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換和A律、μ律壓擴(kuò)，內(nèi)置R-C濾波器可有效濾除輸入和輸出信號的帶外噪聲?？梢酝珹DSP2181配合使用的CODEC很多，性能也沒有太大差異，所以這里在芯片選擇上并沒有特殊的考慮。

2.3 信號輸入輸出單元
本單元為全模擬電路，完成輸入信號的混合、增益控制以及輸出信號的放大功能。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；當(dāng)配置成單卡單通道機(jī)型時(shí)，可接入四路信號。除此以外，還有一路話筒輸入，主要用作系統(tǒng)測試。系統(tǒng)對兩個(gè)通道的接入信號都設(shè)有自動(dòng)增益控制，控制范圍可達(dá)15dB。在該范圍內(nèi)，電路可將輸入信號調(diào)整到最適合CODEC工作的幅度，從而使DSP的編碼達(dá)到最佳效果。輸出電路相對比較簡單，兩路CODEC的模擬輸出信號經(jīng)功率放大器后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作。
為了適應(yīng)鐵路部門具有不同增益的信號通道，同時(shí)盡量減小DSP的編解碼對語音質(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)用戶需要和整機(jī)調(diào)試結(jié)果，經(jīng)過多次修改后才完成的，它與其它單元配合，可使DSP的編解碼算法達(dá)到其最佳性能。[!--empirenews.page--]

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界面和靈活的功能控制，同時(shí)對DSP的工作狀況進(jìn)行監(jiān)督，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僅用一條信號線將錄音狀態(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在存儲語音數(shù)據(jù)時(shí)也將時(shí)間存入，這稱為"時(shí)戳"。當(dāng)執(zhí)行"按時(shí)間查找"操作時(shí)，就是按照存儲卡中的時(shí)戳查找語音數(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)存儲卡：3.3V電源。這一路電源經(jīng)由信號處理單元提供。
(2)信號處理單元：5Ｖ一路，給本單元各部件供電。
(3)信號輸入輸出單元：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)字信號對模擬信號的串?dāng)_。此外，本單元還為單片機(jī)提供上電復(fù)位信號，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，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)向存儲卡寫入數(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，從功能上可以綜合敘述為圖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)"，可以進(jìn)行監(jiān)聽，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)查找和播放所存儲的語音內(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程序中對應(yīng)于不同的程序模塊。此外，DSP程序中還含有語音編碼和語音解碼兩大模塊，由DSP主程序調(diào)用。

 4 系統(tǒng)性能評測
本系統(tǒng)在鐵道部測試時(shí)表現(xiàn)優(yōu)異：信噪比大于50dB；失真度小于5%；以1000Hz為基準(zhǔn)，語音帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)在±3dB以內(nèi)；每月時(shí)鐘誤差小于一分鐘。除此以外，在起錄靈敏度、耐壓、輸入阻抗、輸出阻抗、功率輸出、線路輸出、記錄時(shí)間長度等各方面的測試結(jié)果也完全滿足《鐵路運(yùn)輸數(shù)字通訊記錄儀技術(shù)條件》的要求。而且，雙卡雙通道結(jié)構(gòu)、后臺錄音功能、高語音質(zhì)量都使本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的市場競爭力，現(xiàn)已投入小規(guī)模生產(chǎn)。