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)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)有條件達(dá)到最優(yōu)化的性能、最完善的功能，且易于修改和擴(kuò)充。

關(guān)鍵詞：數(shù)字語(yǔ)音監(jiān)錄器 黑匣子 DSP 單片機(jī) 語(yǔ)音編碼

隨著數(shù)字信與處理芯片（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，它可就用于運(yùn)輸、公安、消防、電話(huà)服務(wù)質(zhì)量監(jiān)督待諸多領(lǐng)域。1999年9月，鐵道池公布了《鐵路運(yùn)輸數(shù)字通訊記錄儀條件》，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、檢測(cè)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)了鐵路部的鑒定，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，制成可插拔的卡式結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)容量可變。系統(tǒng)為雙通道卡式結(jié)構(gòu)，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成顯不．示。

系統(tǒng)接在通訊線路上，即處于監(jiān)聽(tīng)錄音方式。當(dāng)線上有語(yǔ)音傳輸時(shí)，系統(tǒng)即啟支動(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)音進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，確保語(yǔ)已錄制在存儲(chǔ)卡上。錄音過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，如果不將卡取出，系統(tǒng)將用最新的語(yǔ)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(yǔ)音記錄。錄音屬于系統(tǒng)后臺(tái)操作。

用戶(hù)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(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)卡之間交換，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)控制的電源管理等五個(gè)功能單元。

2.1 FLASH存儲(chǔ)卡

韓國(guó)三星（SAMSUNC）半導(dǎo)體公司的大容量存儲(chǔ)器具有很高性能價(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.-3.6V電壓下，其命令、地址、數(shù)據(jù)線復(fù)用，8位寬度傳輸。可重復(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部爭(zhēng)采用ANALOC DEVICES公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器ADS2181，這是本系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)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(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)RAM；

兩路獨(dú)立可編程雙工串行通信接口，支持A律／μ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)和單片機(jī)通信；

4M Byte的外部尋地址空間；

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)而采用了相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，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)線路，進(jìn)行語(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標(biāo)準(zhǔn)G.723改進(jìn)的語(yǔ)編碼算法，壓縮率達(dá)到5.3kb/s，具有出色的語(yǔ)音質(zhì)量。（3）放音。根據(jù)單片機(jī)命令進(jìn)行語(yǔ)音解碼。（4）語(yǔ)音搜索。包括按語(yǔ)音跳轉(zhuǎn)、按3秒長(zhǎng)的時(shí)間段跳轉(zhuǎn)和按用戶(hù)輸入的時(shí)間查找本個(gè)功能。

DSP是本系統(tǒng)的核心處理芯片，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,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)程所耗費(fèi)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、μ律擴(kuò)，內(nèi)置R－C濾波器可有效濾波除輸入和輸出信號(hào)的帶外噪聲?？梢酝珹DS2181配合使用的CODEC很多，性能也沒(méi)有太大的差異，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)都沒(méi)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)整到最適后CDOEC工作的幅度，從而使DSP的編碼達(dá)到最佳效果。輸出電路信號(hào)經(jīng)功率放大器后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工兒。

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。

2.4 系統(tǒng)控制單元

選用SAMSUNC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(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)線將錄狀態(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”等操作時(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，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)由信號(hào)處理單元提供。

（2） 信號(hào)處理單元：5V一路，給單元各部件供電。

（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，本單元還不單片機(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)間守成現(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(tīng)，以確保系統(tǒng)正常工作。進(jìn)科其它四個(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)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)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；失真度小于5％；以1000Hz為基準(zhǔn)，語(yǔ)音帶內(nèi)的幅頻響應(yīng)在±3dB以?xún)?nèi)；每月時(shí)鐘誤差小于一分種。除些以外，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(zhǎng)度等各方面的測(cè)試結(jié)果也無(wú)全滿(mǎn)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(tái)錄音功能、高語(yǔ)音質(zhì)量都使本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，現(xiàn)已投入小規(guī)模生產(chǎn)。