雙通道數(shù)字語音監(jiān)錄器設(shè)計

摘要：介紹一種雙通道數(shù)字語監(jiān)錄器的設(shè)計方案。由于整個系統(tǒng)的硬件、程序和語音編解碼算法都自行設(shè)計，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)字語音監(jiān)錄器 黑匣子 DSP 單片機(jī) 語音編碼

隨著數(shù)字信與處理芯片（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，它可就用于運(yùn)輸、公安、消防、電話服務(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、檢測驗(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)為雙通道卡式結(jié)構(gòu)，目前設(shè)計的單卡可存儲多達(dá)14小時的語音。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)聽錄音方式。當(dāng)線上有語音傳輸時，系統(tǒng)即啟支動錄音操作，并同時記錄該語音的出現(xiàn)時間。用戶可以對所錄語音進(jìn)行監(jiān)聽，確保語已錄制在存儲卡上。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、按錄音時間查找等操作，還可以獲知每條語音的時間長度。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存儲卡之間交換，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，可以錄雙工同時工作。

2 系統(tǒng)整體模塊設(shè)計

如圖1所示，整個系統(tǒng)可分為FLASH存儲卡、信號處理、信號輸入輸出、系統(tǒng)控制的電源管理等五個功能單元。

2.1 FLASH存儲卡

韓國三星（SAMSUNC）半導(dǎo)體公司的大容量存儲器具有很高性能價格比，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.-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)存儲時間為10年。該芯 片在5.3kb/s的碼率下可存儲3.5小時以上的語音，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部爭采用ANALOC DEVICES公司生產(chǎn)的16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器ADS2181，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)立可編程雙工串行通信接口，支持A律／μ的硬件解壓擴(kuò)，支持自動緩沖區(qū)操作，這兩個串行口在本系統(tǒng)中分別用來收發(fā)語音數(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DSP程序、算法和數(shù)據(jù)；

13個可編程的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)的錄音時間較長、數(shù)據(jù)較多，所以每一存儲而采用了相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將語音數(shù)據(jù)和時鐘數(shù)據(jù)混合存儲。存儲方式是順序的，循環(huán)覆蓋的。（2）錄音。隨時監(jiān)聽線路，進(jìn)行語音編碼，并將壓縮后數(shù)據(jù)實(shí)時存入FLASH芯片。本系統(tǒng)采用了根據(jù)ITU－T標(biāo)準(zhǔn)G.723改進(jìn)的語編碼算法，壓縮率達(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。包括按語音跳轉(zhuǎn)、按3秒長的時間段跳轉(zhuǎn)和按用戶輸入的時間查找本個功能。

DSP是本系統(tǒng)的核心處理芯片，由于錄音是后臺操作，要求在放音時不中斷錄音，所以編解碼過程是雙工的；此外,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)的時間可能會以秒計，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律擴(kuò)，內(nèi)置R－C濾波器可有效濾波除輸入和輸出信號的帶外噪聲?？梢酝珹DS2181配合使用的CODEC很多，性能也沒有太大的差異，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，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，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)對兩個通道的接入信號都沒有自動增益控制，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。輸出電路信號經(jīng)功率放大器后驅(qū)動揚(yáng)聲器工兒。

為了適應(yīng)鐵路部門具有不同增益的信號通道，同時盡量減小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界面和靈活的功能控制，同時對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狀態(tài)告知單片機(jī)。時鐘由單片機(jī)程序運(yùn)行，每秒鐘都向DSP通報新時間。DSP在存儲語音數(shù)據(jù)時也將時間存入，這稱為“時戳”。當(dāng)執(zhí)行“按時間查找”等操作時，就是按照存儲卡中的時戳查找語音數(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，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，本單元還不單片機(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，在外部電壓衰落時提前告知DSP，使其有足夠時間守成現(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)科其它四個狀態(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)、按時間檢索、密碼重置等等都設(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、記錄時間長度等各方面的測試結(jié)果也無全滿足《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)。