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。可以同ADSP2181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)對兩個通道的接入信號都設(shè)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。