摘 要: 介紹了一個(gè)按G.723標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)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(hào)處理器為核心,，采用大容量的閃速存儲(chǔ)器(Flash RAM)作為數(shù)字語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)用價(jià)值,。
關(guān)鍵詞： G.723標(biāo)準(zhǔn) 數(shù)字錄音機(jī) 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(hào)數(shù)字處理技術(shù)的不斷成熟[1]，可編程器件和功能強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)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(jī),。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(hào)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(jì)了一種數(shù)字錄音機(jī),，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(jī)的機(jī)械部分和磁帶,，以大容量的閃速存儲(chǔ)器(Flash RAM)作為數(shù)字語音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,。該樣機(jī)體積很小，錄音時(shí)間長,，沒有機(jī)械噪音及機(jī)械故障,，很有實(shí)用價(jià)值。
1 G.723標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
1.1 G.723標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)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(shí)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(hào)中解析出聲道模型參數(shù),，構(gòu)造一個(gè)合成濾波器，采用合適的激勵(lì)源激勵(lì),，編碼傳輸?shù)膮?shù)主要是激勵(lì)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(cè)激勵(lì)(ACELP);6.3kb/s的編碼器則采用多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)激勵(lì)。根據(jù)傳輸編碼參數(shù),，可重構(gòu)激勵(lì)源與合成濾波器進(jìn)行解碼,，還原出來的數(shù)字語音信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬語音信號(hào)。關(guān)于G.723的編碼和解碼的詳細(xì)說明見參考文獻(xiàn)[2],。
G.723算法對(duì)語音信號(hào)有很好的編解碼效果,，同時(shí)也可處理音樂和其它聲音信號(hào)，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(hào),。每次處理一幀語音信號(hào),，每幀240個(gè)采樣點(diǎn)(30ms)。在5.3kb/s的碼率下,，每幀語音被壓縮成20個(gè)字節(jié)傳輸;在6.3kb/s的碼率下,，每幀語音被壓縮成24個(gè)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(jìn)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(shí)鐘頻率為33MHz，其功能強(qiáng)大;KM29N32000為閃速存儲(chǔ)器(Flash RAM),，用來存儲(chǔ)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(hào)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(jìn)行編碼和壓縮后送到閃速存儲(chǔ)器KM29N32000中儲(chǔ)存起來;錄音回放時(shí),，從KM29N32000讀取壓縮數(shù)據(jù)，送回ADSP-2181進(jìn)行解碼,，再送到AD73311進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換,，輸出模擬語音信號(hào)。整個(gè)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(diǎn),，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(hào)的采集和數(shù)字語音信號(hào)的回放工作,。從圖2中看出,，信號(hào)從VIN處輸入，在VOUT處輸出回放語音信號(hào),。VIN處接麥克風(fēng),，VOUT處接揚(yáng)聲器。與ADSP-2181的通信通過串口進(jìn)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(shí)進(jìn)行,。時(shí)鐘信號(hào)由ADSP-2181的SLCK引腳接入,。
編程時(shí)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(shí)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式后一直進(jìn)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(gè)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(shí)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(dòng)或重置后即工作于程序模式,，此時(shí)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(jìn)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(shí)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(jìn)入數(shù)據(jù)模式,，就不能再得到控制信息,，所以就永遠(yuǎn)處于這一模式，除非重啟動(dòng),。這時(shí)硬件上可采用發(fā)送接收幀同步信號(hào)同步方式,。
混合模式:此時(shí)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(shí)這個(gè)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(yùn)行狀況適時(shí)改變AD73311的工作參數(shù),，如放大器的放大倍數(shù)等。這時(shí)硬件上可采用發(fā)送接收幀同步信號(hào)異步方式,，便于ADSP-2181的自主控制,。
AD73311控制采樣率由時(shí)鐘分頻電路完成。時(shí)鐘分頻電路將從DMCLK引腳輸入的外部時(shí)鐘頻率MCLK通過主頻時(shí)鐘因子分頻為內(nèi)部時(shí)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(shí)鐘分頻因子分頻為串行時(shí)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式}
tx0=ax0;
IDLE;
2.2 閃速存儲(chǔ)器與ADSP-2181的接口電路
閃速存儲(chǔ)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(gè)字節(jié)?？蛇M(jìn)行100萬次擦寫,，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年，通過編程可自動(dòng)進(jìn)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(shí)間最大值約為100分鐘;在6.3kb/s碼率下最大錄音時(shí)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(shí)間可增加一倍。如果需要更長的錄音時(shí)間,，可選擇容量更大的閃速存儲(chǔ)器,。有關(guān)KM29N3200的詳細(xì)特性見參考文獻(xiàn)[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(jìn)入命令模式。此時(shí)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(jìn)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(jìn)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(gè)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(chǔ)器寫入一幀數(shù)據(jù),。數(shù)據(jù)寫完時(shí)，CLE置高,，送入10H命令字,，進(jìn)行寫操作。
(3)擦除操作
保存數(shù)據(jù)時(shí),，如果對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)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(jìn)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(cuò)誤,，可重新進(jìn)行擦除操作,。如果再次錯(cuò)誤，可能是對(duì)應(yīng)塊單元出錯(cuò)了,。
在訪問Flash RAM的內(nèi)存操作中,，最重要的是要注意各個(gè)信號(hào)的時(shí)序。必須嚴(yán)格按照說明書的時(shí)序圖進(jìn)行操作才能實(shí)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(jìn)行的時(shí)間等?？捎葾DSP-2181進(jìn)行控制,，設(shè)定顯示方式及內(nèi)容。
所用的是點(diǎn)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(diǎn)陣的控制驅(qū)動(dòng)，只要直接送入數(shù)據(jù)和指令就可實(shí)現(xiàn)所需的顯示,。在本系統(tǒng)中,，由于LCD使能信號(hào)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(hào),。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(shí)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(shí),，tW估計(jì)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(gè)下降脈沖時(shí)，輸出Q產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖,，脈寬由R和C決定,，驅(qū)動(dòng)LCD工作。
錄音時(shí)LCD上面一行顯示RECORD,，下行則顯示進(jìn)行的時(shí)間;放音時(shí)上面一行顯示PLAY,，下行也顯示進(jìn)行的時(shí)間。時(shí)間的顯示通過ADSP-2181里面定時(shí)器中斷進(jìn)行,。
3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)
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(tái),，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(yùn)行時(shí)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(chǔ)映像文件,，可以加載到仿真器上進(jìn)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(shí)DSP加載EPROM程序便可自動(dòng)運(yùn)行,，控制整個(gè)系統(tǒng)的工作,。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)運(yùn)行程序去控制整個(gè)系統(tǒng)工作,。
中斷控制利用了ADSP-2181的兩個(gè)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€(gè)采樣數(shù)據(jù)時(shí),，產(chǎn)生一個(gè)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(shí)，同時(shí)可以發(fā)送數(shù)據(jù),，一方面在錄音時(shí)可以得到回放效果;另一方面則在播放時(shí)可直接發(fā)送數(shù)據(jù),，而對(duì)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(shí)檢測(cè)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(gè)引腳,，每個(gè)引腳的0/1狀態(tài)對(duì)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(gè)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(duì)應(yīng)中斷向量表。工作在中斷方式時(shí),，則向量表對(duì)應(yīng)中斷處一般為一條跳轉(zhuǎn)語句;產(chǎn)生中斷時(shí),，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(jìn)行,。主要過程是:在錄音時(shí)，每收到240個(gè)采樣數(shù)據(jù),，就進(jìn)行G.723編碼,，將編碼結(jié)果保存到閃速存儲(chǔ)器中;在播放時(shí)，每次讀取24個(gè)數(shù)據(jù)，將讀到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼,，再通過串行口發(fā)送出去,，經(jīng)揚(yáng)聲器還原成語音信號(hào)。其流程如圖6所示,。
(2)timer中斷
timer中斷用來檢測(cè)用戶的控制信息及顯示運(yùn)行時(shí)間信息,。用戶控制有4個(gè)，即碼率選擇,、錄音控制,、放音控制及快退控制。對(duì)應(yīng)這4個(gè)控制引腳,，初始設(shè)定為輸入態(tài),，然后通過檢測(cè)各個(gè)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(jìn)行調(diào)試。仿真器上自帶33MHz的2181,，調(diào)試支持20個(gè)斷點(diǎn),，可單步、設(shè)斷點(diǎn)和全速運(yùn)行,，可隨時(shí)觀察和修改寄存器和存儲(chǔ)單元的值,。仿真器上提供了一個(gè)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(jì)算機(jī)間有一個(gè)RS-232接口,，通過數(shù)據(jù)帶連到計(jì)算機(jī)的串行口上，在仿真器開發(fā)平臺(tái)上就可以進(jìn)行軟件調(diào)試,。
系統(tǒng)調(diào)試時(shí)遇到的主要問題是存儲(chǔ)器讀寫及LCD的顯示問題,。開始時(shí)發(fā)現(xiàn)寫進(jìn)閃速存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)與讀出的數(shù)據(jù)不符。經(jīng)仔細(xì)分析,，發(fā)現(xiàn)是由于沒有嚴(yán)格按照閃速存儲(chǔ)器的讀寫操作時(shí)序進(jìn)行編程,，或是延遲量不夠，或是兩個(gè)信號(hào)的先后次序弄反了,，數(shù)據(jù)可能根本沒有寫進(jìn)去,，讀出的數(shù)據(jù)當(dāng)然是錯(cuò)的。在嚴(yán)格按照其說明書的時(shí)序進(jìn)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(shí)，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(shí)出錯(cuò),。因?yàn)閷?duì)閃速存儲(chǔ)器操作時(shí)每次讀寫都是一幀數(shù)據(jù),，而編解碼時(shí)一次操作的數(shù)據(jù)為20/24個(gè)字節(jié)，兩者長度不一樣,，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作,。
LCD開始調(diào)試時(shí)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(jī)器周期為30ns,，經(jīng)設(shè)定最大的等待周期為7機(jī)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。
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