雙通道數字語(yǔ)音監錄器設計

摘要：介紹一種雙通道數字語(yǔ)監錄器的設計方案。由于整個(gè)系統的硬件、程序和語(yǔ)音編解碼算法都自行設計，所以可以就現有條件達到最優(yōu)化的性能、最完善的功能，且易于修改和擴充。

關(guān)鍵詞：數字語(yǔ)音監錄器 黑匣子 DSP 單片機 語(yǔ)音編碼

隨著(zhù)數字信與處理芯片（DSP）的發(fā)展，語(yǔ)音編解碼技術(shù)日益廣泛地應用于軍事、民用和監控等領(lǐng)域。就語(yǔ)音監錄器而言，它可就用于運輸、公安、消防、電話(huà)服務(wù)質(zhì)量監督待諸多領(lǐng)域。1999年9月，鐵道池公布了《鐵路運輸數字通訊記錄儀條件》，對鐵路運輸部門(mén)行車(chē)作業(yè)、調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、測量方法、檢測驗規則等做出了詳細規定。本文所介紹的系統符合其各項規定，通過(guò)了鐵路部的鑒定，現正在推廣與完善之中。

1 系統功能

采用FLASH半導體存儲器，制成可插拔的卡式結構，存儲容量可變。系統為雙通道卡式結構，目前設計的單卡可存儲多達14小時(shí)的語(yǔ)音。系統也可在單卡狀態(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。

系統接在通訊線(xiàn)路上，即處于監聽(tīng)錄音方式。當線(xiàn)上有語(yǔ)音傳輸時(shí)，系統即啟支動(dòng)錄音操作，并同時(shí)記錄該語(yǔ)音的出現時(shí)間。用戶(hù)可以對所錄語(yǔ)音進(jìn)行監聽(tīng)，確保語(yǔ)已錄制在存儲卡上。錄音過(guò)程循環(huán)進(jìn)行，如果不將卡取出，系統將用最新的語(yǔ)音數據覆蓋最老的數據，從而保證最新數小時(shí)的語(yǔ)音記錄。錄音屬于系統后臺操作。

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(cháng)度。這些功能受密碼保護，為系統前臺操作。

前臺操作可以在兩個(gè)存儲卡之間交換，而后臺操作則獨立運行，不受前臺操作影響，僅取決于線(xiàn)上是否有語(yǔ)音出現。也就是說(shuō)，放音、監聽(tīng)、檢索等操作均不影響錄音，可以錄雙工同時(shí)工作。

2 系統整體模塊設計

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

2.1 FLASH存儲卡

韓國三星（SAMSUNC）半導體公司的大容量存儲器具有很高性能價(jià)格比，本系統選用三星的64兆位FLASH存儲芯片KM29U64000來(lái)存儲語(yǔ)音數據。該芯片工作在2.-3.6V電壓下，其命令、地址、數據線(xiàn)復用，8位寬度傳輸?？芍貜筒翆?xiě)一百萬(wàn)次，掉電后數據存儲時(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(yǔ)音，因而在采用4枚該芯片的存儲卡上，可以記錄多達14小時(shí)的語(yǔ)音信息。

2.2 信號處理單元

本單元包括數字信號處理器（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)數字信號處理器ADS2181，這是本系統進(jìn)行信號處理的核心芯片，它具有以下特點(diǎn)：

運算速度33MIPS，適合高質(zhì)量中低速率語(yǔ)音編碼算法的運算速度要求；

片內含80K Byte RAM，分為48K Byte的程序RAM及32K Byte 的數據RAM；

兩路獨立可編程雙工串行通信接口，支持A律／μ的硬件解壓擴，支持自動(dòng)緩沖區操作，這兩個(gè)串行口在本系統中分別用來(lái)收發(fā)語(yǔ)音數據和單片機通信；

4M Byte的外部尋地址空間；

支持內外存之間的DMA操作，用于存儲DSP程序、算法和數據；

13個(gè)可編程的I／O口，用于與單片機通信和可編程邏輯器件的控制；

DSP在系統中的主要作用是：（1）管理存儲卡中的數據。由于要求系統的錄音時(shí)間較長(cháng)、數據較多，所以每一存儲而采用了相同的數據結構，將語(yǔ)音數據和時(shí)鐘數據混合存儲。存儲方式是順序的，循環(huán)覆蓋的。（2）錄音。隨時(shí)監聽(tīng)線(xiàn)路，進(jìn)行語(yǔ)音編碼，并將壓縮后數據實(shí)時(shí)存入FLASH芯片。本系統采用了根據ITU－T標準G.723改進(jìn)的語(yǔ)編碼算法，壓縮率達到5.3kb/s，具有出色的語(yǔ)音質(zhì)量。（3）放音。根據單片機命令進(jìn)行語(yǔ)音解碼。（4）語(yǔ)音搜索。包括按語(yǔ)音跳轉、按3秒長(cháng)的時(shí)間段跳轉和按用戶(hù)輸入的時(shí)間查找本個(gè)功能。

DSP是本系統的核心處理芯片，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(guò)程是雙工的；此外,于存儲的數據較多，如果采用普通的順序查找方式，搜索過(guò)程所耗費的時(shí)間可能會(huì )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)現語(yǔ)音信號的A／D轉換、D／A轉換和A律、μ律擴，內置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(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。當系統被配置成雙卡雙通道機型時(shí)，每通道可接入增益不同的兩路信號；當配置成單卡單通道機型時(shí)，可接入四路信號。除此以外，還有一路話(huà)筒輸入，主要用作系統測試。系統對兩個(gè)通道的接入信號都沒(méi)有自動(dòng)增益控制，控制范圍可達15dB。在該范圍內，電路可將輸入信號調整到最適后CDOEC工作的幅度，從而使DSP的編碼達到最佳效果。輸出電路信號經(jīng)功率放大器后驅動(dòng)揚聲器工兒。

為了適應鐵路部門(mén)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(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中根據用戶(hù)需要和整機調試結果，經(jīng)過(guò)多次修改才完成的，它與其它單元配合，可使DSP的編解碼算法達到其最佳性能。

2.4 系統控制單元

選用SAMSUNC公司的4位單片機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DSP的工作狀況進(jìn)行監督，保證系統工作的穩健性，這在監錄系統中是非常必要的。KS57C2308工作電壓較寬，可以直接驅動(dòng)段式液晶。其I／O功能也較強，能夠輕松地控制兩塊DSP芯片協(xié)同工作。

為了與DSP協(xié)調工作，本系統設計了23條單片機命令及相應的DSP應答，其中包括初始化、放音、音量調節、時(shí)鐘的獲取與修改、各種跳轉與搜索等指令。由于錄音過(guò)程由DSP自主控制，所以單片機命令集中不包含錄音命令，DSP僅用一條信號線(xiàn)將錄狀態(tài)告知單片機。時(shí)鐘由單片機程序運行，每秒鐘都向DSP通報新時(shí)間。DSP在存儲語(yǔ)音數據時(shí)也將時(shí)間存入，這稱(chēng)為“時(shí)戳”。當執行“按時(shí)間查找”等操作時(shí)，就是按照存儲卡中的時(shí)戳查找語(yǔ)音數據段。

2.5 電源管理單元

本系統各單元需要彼此盡可能獨立而且可靠的電源，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)穩壓）一路，給功放供電；5V一路，給本單元其它部件供電。

（4） 系統控制單元：9V（未經(jīng)穩壓）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，以盡量消除數字信號對模擬信號的串擾。此外，本單元還不單片機提供上電復位信號，保證在系統電壓穩定之后再啟動(dòng)單片機工作；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)間守成現有操作，轉入安全狀態(tài)，以免在電壓不穩定時(shí)向存儲卡寫(xiě)入數據，致使卡上數據損壞。

3 系統軟件的實(shí)現

本系統的軟件設計包括單片機部分和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“普通監錄狀態(tài)”，可以進(jìn)行監聽(tīng)，以確保系統正常工作。進(jìn)科其它四個(gè)狀態(tài)之前需要校驗密碼，所以只有掌握密碼的管理人員才有權查找和播放所存儲的語(yǔ)內容。軟件不設錄音命令，但其它功能，如監錄、音量增減、按條目或3秒鐘長(cháng)度向前跳轉、向后跳轉、按時(shí)間檢索、密碼重置等等都設一條命令，在DSP程序中對應于

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主程序調用。

4 系統性能評測

本系統在鐵道部測試時(shí)表現優(yōu)異：信噪比大于50dB；失真度小于5％；以1000Hz為基準，語(yǔ)音帶內的幅頻響應在±3dB以?xún)?；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(xiàn)路輸出、記錄時(shí)間長(cháng)度等各方面的測試結果也無(wú)全滿(mǎn)足《鐵路運輸數字通訊記錄儀技術(shù)條件》的要求。而且，雙卡雙通道結構、后臺錄音功能、高語(yǔ)音質(zhì)量都使本系統具有很強的市場(chǎng)競爭力，現已投入小規模生產(chǎn)。