摘 要: 介紹了一個按G.723標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的數(shù)字錄音" title="數(shù)字錄音">數(shù)字錄音系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ADSP-2181數(shù)字信號處理器為核心，采用大容量的閃速存儲器(Flash RAM)作為數(shù)字語音數(shù)據(jù)存儲器。試驗表明，該系統(tǒng)具有良好的實用價值。
關(guān)鍵詞： G.723標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字錄音機 ADSP-2181 語音數(shù)字處理
隨著數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展，語音信號數(shù)字處理技術(shù)的不斷成熟[1]，可編程器件和功能強大的數(shù)字信號處理器(DSP)的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的模擬音像設(shè)備大量地被各種數(shù)字設(shè)備所代替。然而，便攜式的錄音設(shè)備仍以各種模擬媒質(zhì)為主，如常用的磁帶錄音機。如果要將其錄音以數(shù)字形式的數(shù)據(jù)保存，則應(yīng)將其模擬錄音信號變換成數(shù)字形式的數(shù)據(jù)，這就給原始數(shù)據(jù)的保存帶來諸多不便。因此，筆者按G.723標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了一種數(shù)字錄音機，它以ADSP-2181作為語音處理器和系統(tǒng)控制器，取消了普通錄音機的機械部分和磁帶，以大容量的閃速存儲器(Flash RAM)作為數(shù)字語音數(shù)據(jù)存儲器。該樣機體積很小，錄音時間長，沒有機械噪音及機械故障，很有實用價值。
1 G.723標(biāo)準(zhǔn)簡介和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1.1 G.723標(biāo)準(zhǔn)簡介
G.723是ITU-T在1996年制訂成型的一種多媒體語音編解碼標(biāo)準(zhǔn)。其典型應(yīng)用包括IP電話服務(wù)、H.324視頻電話、無線電話、數(shù)字衛(wèi)星系統(tǒng)、數(shù)電倍增設(shè)備(DCME)、公共交換電話網(wǎng)(PSTN)、ISDN及各種多媒體語音信息產(chǎn)品。G.723標(biāo)準(zhǔn)傳輸碼率有5.3kb/s和6.3kb/s兩種，在編程過程中可隨時切換。該標(biāo)準(zhǔn)主要包含了編碼算法和解碼算法。原理是:從采集的語音信號中解析出聲道模型參數(shù)，構(gòu)造一個合成濾波器，采用合適的激勵源激勵，編碼傳輸?shù)膮?shù)主要是激勵源與合成濾波器的參數(shù)。5.3kb/s的編碼器采用代數(shù)碼線性預(yù)測激勵(ACELP);6.3kb/s的編碼器則采用多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)激勵。根據(jù)傳輸編碼參數(shù)，可重構(gòu)激勵源與合成濾波器進行解碼，還原出來的數(shù)字語音信號經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬語音信號。關(guān)于G.723的編碼和解碼的詳細說明見參考文獻[2]。
G.723算法對語音信號有很好的編解碼效果，同時也可處理音樂和其它聲音信號，典型輸入是64kb/s(8k×8)或128kb/s(8k×16)的A律或μ律的PCM采樣語音信號。每次處理一幀語音信號，每幀240個采樣點(30ms)。在5.3kb/s的碼率下，每幀語音被壓縮成20個字節(jié)傳輸;在6.3kb/s的碼率下，每幀語音被壓縮成24個字節(jié)傳輸。
1.2 數(shù)字錄音系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)框圖主要由圖1所示的五部分組成。AD73311用來進行A/D和D/A轉(zhuǎn)換，它集成了模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換功能，而且可編程控制，使用極其方便;ADSP-2181為系統(tǒng)的核心數(shù)字處理器[3]，時鐘頻率為33MHz，其功能強大;KM29N32000為閃速存儲器(Flash RAM)，用來存儲已壓縮的語音數(shù)據(jù);AT27C010(EPROM)用來存放控制ADSP-2181工作的程序;LCD用來顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)。
系統(tǒng)的工作流程是:模擬語音信號經(jīng)AD73311采樣并經(jīng)A律或μ律壓縮后轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù)，通過ADSP-2181的串行口送到ADSP-2181，ADSP-2181再將數(shù)據(jù)進行編碼和壓縮后送到閃速存儲器KM29N32000中儲存起來;錄音回放時，從KM29N32000讀取壓縮數(shù)據(jù)，送回ADSP-2181進行解碼，再送到AD73311進行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬語音信號。整個過程都是由存放在AT27C010中的DSP程序控制，有條不絮地工作。LCD顯示系統(tǒng)當(dāng)前的工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)各主要部分的原理與接口
2.1 AD73311與ADSP-2181的接口電路及編程控制
2.1.1 AD73311與ADSP-2181的接口電路
AD73311具有A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，采樣頻率為8kHz～64kHz，可以編程控制，采樣字長為16位。AD73311具有大信噪比、輸入輸出增益可編程控制、低工作電壓(2.7～5.5V)，并且一片兩用的特點，是一種很受歡迎的芯片。AD73311與ADSP-2181的接口電路如圖2所示。
AD73311完成模擬語音信號的采集和數(shù)字語音信號的回放工作。從圖2中看出，信號從VIN處輸入，在VOUT處輸出回放語音信號。VIN處接麥克風(fēng)，VOUT處接揚聲器。與ADSP-2181的通信通過串口進行，從SDO引腳向ADSP-2181輸出數(shù)據(jù)，從SDI引腳接收ADSP-2181數(shù)據(jù)，發(fā)送和接收可同時進行。時鐘信號由ADSP-2181的SLCK引腳接入。
編程時必須先初始化AD73311的工作狀態(tài)，依次設(shè)定采樣率、輸入輸出增益、提前時間等，再讓其工作在數(shù)據(jù)傳輸模式下就可正常工作。AD73311進入數(shù)據(jù)傳輸模式后一直進行A/D或D/A轉(zhuǎn)換。在編程控制中，應(yīng)讓ADSP-2181的串口一直工作在接收中斷方式，這樣可使數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的速率保持一致。要改變工作模式可將其RESET引腳置低，再置高，這樣就可重新設(shè)定了。
2.1.2 AD73311的編程
AD73311是一種可編程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含五個8位控制寄存器CRA～CRE，用于設(shè)定工作狀態(tài)，控制輸入輸出。AD73311通過串行口與處理器接口，傳送的是16位數(shù)據(jù)，有五種工作模式，分別為:程序模式、數(shù)據(jù)模式、混合模式、模擬環(huán)路模式、數(shù)字環(huán)路模式。其中前三種是正常的工作模式，后兩種是調(diào)試模式，僅在調(diào)試時使用。五種工作模式由內(nèi)部的控制寄存器A中的四位(CRA0～3)控制。
程序模式:AD73311啟動或重置后即工作于程序模式，此時AD73311串行口輸入的數(shù)據(jù)將作為命令字以初始化內(nèi)部控制寄存器組，之后AD73311根據(jù)初始化命令字進入相應(yīng)的工作模式，在此之前AD73311串行口輸出的碼字是無效的。
數(shù)據(jù)模式:此時AD73311串行口輸出的是A/D轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)，輸入的是D/A轉(zhuǎn)換的16位數(shù)據(jù)。AD73311一旦進入數(shù)據(jù)模式，就不能再得到控制信息，所以就永遠處于這一模式，除非重啟動。這時硬件上可采用發(fā)送接收幀同步信號同步方式。
混合模式:此時16位碼字可能是控制字，也可能是數(shù)據(jù)。碼字的最高位MSB用來標(biāo)識這個碼字是控制命令字(MSB=1)還是數(shù)據(jù)(MSB=0，低15位是有效數(shù)據(jù))。在混合模式下，ADSP-2181可以根據(jù)系統(tǒng)的運行狀況適時改變AD73311的工作參數(shù)，如放大器的放大倍數(shù)等。這時硬件上可采用發(fā)送接收幀同步信號異步方式，便于ADSP-2181的自主控制。
AD73311控制采樣率由時鐘分頻電路完成。時鐘分頻電路將從DMCLK引腳輸入的外部時鐘頻率MCLK通過主頻時鐘因子分頻為內(nèi)部時鐘頻率DMCLK，MCLK有五種頻率選擇，由內(nèi)部控制寄存器B中的CRB4~6三位控制。DMCLK決定了AD73311的采樣頻率，它也是AD73311串行口的幀同步頻率。DMCLK再經(jīng)串行時鐘分頻因子分頻為串行時鐘頻率SCLK，DMCLK有四種選擇，由內(nèi)部控制寄存器B中的GRB2～3兩位控制。
通過編程控制寄存器D，可控制輸入輸出的增益。輸入增益IG可在0～38dB之間調(diào)整，輸出增益OG可在-15～6dB之間調(diào)整。AD73311的具體編程流程圖如圖3所示，控制程序如下:
AX0=DM(0x3fe5); {For 2181-PF0 connect with AD73311-RESET}
AR=AX0 AND 0XFFFE; {PF0 pin reset}
DM(0x3fe5)=AR; {RESET AD73311 to program}
NOP; {Delay}
NOP;
NOP;
AX0=DM(0x3fe5);
AR=AX0 OR 0X0001; {2181-PF0 SET}
DM(0x3fe5)=AR; {ready to program}
ax0=0x82f9; {寫控制寄存器CRC，5V電源，使能ADC和DAC}
tx0=ax0;
IDLE;
ax0=0x811b; {寫控制寄存器CRB，分頻，設(shè)置8K采樣率}
tx0=ax0;
IDLE;
ax0=0x8320; {寫控制寄存器CRD，輸出輸入增益為0}
tx0=ax0;
IDLE;
ax0=0x8400; {寫控制寄存器CRE，DAC延遲量為0}
tx0=ax0;
IDLE;
ax0=0x8001; {寫控制寄存器CRA，進入數(shù)據(jù)傳輸模式}
tx0=ax0;
IDLE;
2.2 閃速存儲器與ADSP-2181的接口電路
閃速存儲器采用韓國三星公司生產(chǎn)的KM29 N32000，容量為4M×8=32Mbit，分成512塊，每塊有16頁，每頁528個字節(jié)。可進行100萬次擦寫，數(shù)據(jù)保存時間為10年，通過編程可自動進行擦寫。這里用于保存錄音數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)保存不需要充電維持。
從理論上說，如果采用G.723標(biāo)準(zhǔn)算法，在8kHz的采樣率下，采用5.3kb/s的碼率，錄音時間最大值約為100分鐘;在6.3kb/s碼率下最大錄音時間約為83分鐘，比常用的錄音磁帶略長，可以滿足一般的錄音要求。如果采用KM29V64000(8M×8=64M bit)，錄音時間可增加一倍。如果需要更長的錄音時間，可選擇容量更大的閃速存儲器。有關(guān)KM29N3200的詳細特性見參考文獻[4]。
KM29N32000與ADSP-2181的接口電路如圖4所示，它的讀寫及擦除操作說明如下：
(1)讀操作
首先讓CLE置高，進入命令模式。此時ALE置低，從I/O口輸入00H(表示讀操作控制命令字)，接下來CLE置低，ALE置高，進入地址加載模式，將要訪問的24位地址(A0～A23)分三次由低到高從I/O口送入。適當(dāng)延遲后，將ALE置低，就可連續(xù)地進行讀操作，每次讀取一幀數(shù)據(jù)。得到的數(shù)據(jù)是從加載地址開始的。整個過程CE必須保持低電平。
(2)寫操作
寫操作過程與讀操作類似，開始控制命令字是80H，將加載地址分三次送入后，適當(dāng)延遲，就可連續(xù)地向閃速存儲器寫入一幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫完時，CLE置高，送入10H命令字，進行寫操作。
(3)擦除操作
保存數(shù)據(jù)時，如果對應(yīng)存儲區(qū)已經(jīng)有數(shù)據(jù)，就必須先擦除掉原來數(shù)據(jù)。每次擦除一塊，每塊8K字節(jié)。
首先輸入控制命令字60H，接著把塊地址分兩次送出，再輸入D0H命令字進行塊擦除。擦除完后，輸入命令字70H，可讀取擦除狀態(tài)。如果接下來讀取的數(shù)據(jù)的LSB位為“0”則表示擦除成功，為“1”則表示產(chǎn)生了錯誤，可重新進行擦除操作。如果再次錯誤，可能是對應(yīng)塊單元出錯了。
在訪問Flash RAM的內(nèi)存操作中，最重要的是要注意各個信號的時序。必須嚴格按照說明書的時序圖進行操作才能實現(xiàn)正常的功能。
2.3 LCD顯示及接口電路
在本系統(tǒng)中用LCD顯示當(dāng)前系統(tǒng)處于的狀態(tài)，如錄放狀態(tài)、進行的時間等。可由ADSP-2181進行控制，設(shè)定顯示方式及內(nèi)容。
所用的是點陣式液晶顯示器，為日立公司的HD44780A00LCD。里面有專用集成電路作為點陣的控制驅(qū)動，只要直接送入數(shù)據(jù)和指令就可實現(xiàn)所需的顯示。在本系統(tǒng)中，由于LCD使能信號脈寬較大，無法直接由DSP產(chǎn)生，因此通過觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器74LS123來產(chǎn)生LCD使能信號。接口電路如圖5所示。
通過調(diào)節(jié)連接74LS123的R和C值可控制輸出Q的脈寬tW。當(dāng)C≥1000pF時為：
tW=K·R·C
其中K為常數(shù)，與外界溫度及外接電容C有關(guān)，在0.2～0.6間選擇。
當(dāng)C≤1000pF時，tW估計值如下：
tW=6+0.05C(pF)+0.45R(kΩ)C+11.6R
當(dāng)74LS123引腳A出現(xiàn)一個下降脈沖時，輸出Q產(chǎn)生一個高電平脈沖，脈寬由R和C決定，驅(qū)動LCD工作。
錄音時LCD上面一行顯示RECORD，下行則顯示進行的時間;放音時上面一行顯示PLAY，下行也顯示進行的時間。時間的顯示通過ADSP-2181里面定時器中斷進行。
3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計
ADSP21XX系列提供了一整套軟件開發(fā)工具及相應(yīng)的仿真器開發(fā)平臺，給系統(tǒng)的調(diào)試與仿真提供了極大的方便。軟件開發(fā)系統(tǒng)包括系統(tǒng)建造器、帶運行時間庫的C編譯器、匯編器、連接器、PROM劃分器等。通過編譯連接匯編源程序，可以生成EXE文件。此文件是存儲映像文件，可以加載到仿真器上進行仿真;調(diào)試成功后，通過PROM劃分器和EPROM燒制設(shè)備可以寫入EPROM，系統(tǒng)復(fù)位時DSP加載EPROM程序便可自動運行，控制整個系統(tǒng)的工作。
系統(tǒng)軟件設(shè)計采用自舉和中斷控制兩種方式。自舉方式是系統(tǒng)一上電，ADSP-2181讀取EPROM中的程序，自動運行程序去控制整個系統(tǒng)工作。
中斷控制利用了ADSP-2181的兩個中斷，即sport0接收中斷和timer中斷。ADSP-2181的sport0與AD73311相連。當(dāng)?shù)玫揭粋€采樣數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生一個接收中斷，ADSP-2181讀取便得到采樣數(shù)據(jù)。由于sport0是全雙工的，當(dāng)產(chǎn)生接收中斷時，同時可以發(fā)送數(shù)據(jù)，一方面在錄音時可以得到回放效果;另一方面則在播放時可直接發(fā)送數(shù)據(jù)，而對采樣數(shù)據(jù)置之不理，這樣便于解碼數(shù)據(jù)以固定的碼率回放。Timer中斷定時檢測外部控制引腳狀態(tài)，包括錄音、放音、快放及碼率轉(zhuǎn)換4個引腳，每個引腳的0/1狀態(tài)對應(yīng)兩種控制，即開始錄音/停止錄音、開始放音/停止放音、5.3kbps/6.3kbps碼率轉(zhuǎn)換及快放狀態(tài)，共有七個狀態(tài)。
DSP匯編語言的結(jié)構(gòu)與ASM匯編語言類似，其開頭部分對應(yīng)中斷向量表。工作在中斷方式時，則向量表對應(yīng)中斷處一般為一條跳轉(zhuǎn)語句;產(chǎn)生中斷時，則跳到相應(yīng)語句執(zhí)行中斷控制功能。
主程序的中斷設(shè)置部分如下:
JUMP start;NOP;NOP;NOP; {reset start interrupt}
RTI;NOP;NOP;NOP; {IRQ2}
RTI;NOP;NOP;NOP; {IRQL1}
RTI;NOP;NOP;NOP; {IRQL0}
RTI;NOP;NOP;NOP; {sport0 transmit}
JUMP sportReceive;NOP;NOP;NOP; {sport0 receive}
RTI;NOP;NOP;NOP; {IRQE}
RTI;NOP;NOP;NOP; {BDMA}
RTI;NOP;NOP;NOP; {sport1 transmit}
RTI;NOP;NOP;NOP; {sport1 receive}
JUMP settimer;NOP;NOP;NOP; {timer interrupt}
RTI;NOP;NOP;NOP; {PowerDown}
sporto和timer中斷控制說明如下:
(1)sporto接收數(shù)據(jù)中斷
在程序中，數(shù)據(jù)處理集中在此進行。主要過程是:在錄音時，每收到240個采樣數(shù)據(jù)，就進行G.723編碼，將編碼結(jié)果保存到閃速存儲器中;在播放時，每次讀取24個數(shù)據(jù)，將讀到的數(shù)據(jù)進行解碼，再通過串行口發(fā)送出去，經(jīng)揚聲器還原成語音信號。其流程如圖6所示。
(2)timer中斷
timer中斷用來檢測用戶的控制信息及顯示運行時間信息。用戶控制有4個，即碼率選擇、錄音控制、放音控制及快退控制。對應(yīng)這4個控制引腳，初始設(shè)定為輸入態(tài)，然后通過檢測各個引腳的電平設(shè)定工作態(tài)。其流程如圖7所示。
4 系統(tǒng)調(diào)試
系統(tǒng)調(diào)試要使用AD公司提供的ADSP21××系列的整套軟件開發(fā)工具和仿真器。筆者使用ADSP-2181-EZ-ICE仿真器進行調(diào)試。仿真器上自帶33MHz的2181，調(diào)試支持20個斷點，可單步、設(shè)斷點和全速運行，可隨時觀察和修改寄存器和存儲單元的值。仿真器上提供了一個14針的仿真接口，仿真器通過此接口仿真控制目標(biāo)系統(tǒng)。仿真器與計算機間有一個RS-232接口，通過數(shù)據(jù)帶連到計算機的串行口上，在仿真器開發(fā)平臺上就可以進行軟件調(diào)試。
系統(tǒng)調(diào)試時遇到的主要問題是存儲器讀寫及LCD的顯示問題。開始時發(fā)現(xiàn)寫進閃速存儲器的數(shù)據(jù)與讀出的數(shù)據(jù)不符。經(jīng)仔細分析，發(fā)現(xiàn)是由于沒有嚴格按照閃速存儲器的讀寫操作時序進行編程，或是延遲量不夠，或是兩個信號的先后次序弄反了，數(shù)據(jù)可能根本沒有寫進去，讀出的數(shù)據(jù)當(dāng)然是錯的。在嚴格按照其說明書的時序進行編程控制后，數(shù)據(jù)的讀寫擦除操作完全正常。
在播放錄音數(shù)據(jù)時，曾出現(xiàn)聲音跳變不連續(xù)的問題，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)原因在于地址定位時出錯。因為對閃速存儲器操作時每次讀寫都是一幀數(shù)據(jù)，而編解碼時一次操作的數(shù)據(jù)為20/24個字節(jié)，兩者長度不一樣，需要進行轉(zhuǎn)換操作。
LCD開始調(diào)試時沒有信息顯示。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)原因在于工作周期。本系統(tǒng)中ADSP-2181處理器的機器周期為30ns，經(jīng)設(shè)定最大的等待周期為7機器周期后也才有240ns，而LCD的工作使能脈寬至少要300ns。因此在硬件上增加了一單穩(wěn)延遲電路，這樣便解決了此問題。
參考文獻
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