G.723標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字錄音系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

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(lái)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(yǔ)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(yǔ)音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。該樣機(jī)體積很小，錄音時(shí)間長(zhǎng)，沒(méi)有機(jī)械噪聲及機(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(yǔ)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(wú)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(yǔ)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(guò)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(yǔ)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(lái)的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬語(yǔ)音信號(hào)。關(guān)于G.723的編碼和解碼的詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)參考文獻(xiàn)[2]。?

G.723算法對(duì)語(yǔ)音信號(hào)有很好的編解碼效果，同時(shí)也可處理音樂(lè)和其它聲音信號(hào)，典型輸入是64kb/s（8k%26;#215;8）或128kb/s(8k%26;#215;16)的A律或μ律的PCM采樣語(yǔ)音信號(hào)。每次處理一幀語(yǔ)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(yǔ)音被壓縮成20個(gè)字節(jié)傳輸；在6.3kb/s的碼率下，每幀語(yǔ)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(lái)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(lái)存儲(chǔ)已壓縮的語(yǔ)音數(shù)據(jù)；AT27C010（EPROM）用來(lái)存放控制ADSP-2181工作的程序；LCD用來(lái)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(yǔ)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(guò)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中存儲(chǔ)起來(lái)；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(yǔ)音信號(hào)。整個(gè)過(guò)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(zhǎng)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(yǔ)音信號(hào)的采集和數(shù)字語(yǔ)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(yǔ)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(guò)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(guò)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(wú)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?；旌夏Ｊ剑捍藭r(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(lái)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(guò)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GRG2～3兩位控制。?

?
　　通過(guò)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(xiě)控制寄存器CRC，5V電源，使能ADC和DAC} tx0=ax0; IDLE; ax0=0x811b; {寫(xiě)控制寄存器CRB，分頻，設(shè)置8K采樣率} tx0=ax0; IDLE; ax0=0x8320; {寫(xiě)控制寄存器CRD，輸出輸入增益為0} tx0=ax0; IDLE; ax0=0x8400; {寫(xiě)控制寄存器CRE,DAC延遲量為0} ax0=ax0; IDLE; ax0=0x8001; {寫(xiě)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(guó)三星公司生產(chǎn)的KM29 N32000，容量為4M%26;#215;8=32Mbit，分成512塊，每塊有16頁(yè)，每頁(yè)528個(gè)字節(jié)?？蛇M(jìn)行100萬(wàn)次擦寫(xiě)，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年，通過(guò)編程可自動(dòng)進(jìn)行擦寫(xiě)。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(shuō)，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(zhǎng)，可以滿足般的錄音要求。如果采用KM29V64000(8M%26;#215;8=64M bit)，錄音時(shí)間可增加一倍。如果需要更長(zhǎng)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(jiàn)參考文獻(xiàn)[4]。
　　 KM29N32000與ADSP-2181的接口電路如圖4所示，它的讀寫(xiě)及擦除操作說(shuō)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(lái)CLE置低，ALE置高，進(jìn)入地址加載模式，將要訪問(wèn)的24位地址（A0～A23）分三次由低到高從I/O口磅入。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)是加載地址開(kāi)始的。整個(gè)過(guò)程CE必須保持低電平。 (2)寫(xiě)操作寫(xiě)操作過(guò)程與讀操作類似，開(kāi)始控制命令字是80H，將加載地十分三次送入后，適當(dāng)延遲，就可連續(xù)地向閃速存儲(chǔ)器寫(xiě)入一幀數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)寫(xiě)完時(shí)，CLE置高，送入10H命令字，進(jìn)行寫(xiě)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(lái)數(shù)據(jù)。每次擦除一次，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(lái)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)單元出錯(cuò)了。在訪問(wèn)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(shuō)明書(shū)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(wú)法直接由DSP產(chǎn)生，因此通過(guò)觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器74LS123來(lái)產(chǎn)生LCD使能信號(hào)。接口電路如圖5所示。通過(guò)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%26;#183;R%26;#183;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(guò)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(kāi)發(fā)工具及相應(yīng)的仿真器開(kāi)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(kāi)發(fā)系統(tǒng)包括系統(tǒng)建造器、帶運(yùn)行時(shí)時(shí)間庫(kù)的C編譯器、匯編器、連接器、PROM劃分器等。通過(guò)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(guò)PROM劃分器和EPROM燒制設(shè)備可以寫(xiě)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sport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(kāi)始錄音/停止錄音、開(kāi)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(yǔ)言的結(jié)構(gòu)與ASM匯編語(yǔ)言類似，其開(kāi)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(yǔ)句；產(chǎn)生中斷時(shí)，則跳到相應(yīng)語(yǔ)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; {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(shuō)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(guò)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)，將讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，再通過(guò)串行口發(fā)送出去，經(jīng)揚(yáng)聲器還原成語(yǔ)音信號(hào)。其流程如圖6所示。（2）timer中斷 timer中斷用來(lái)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(guò)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ADSP21XX系列的整套軟件開(kāi)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(guò)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(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行連到計(jì)算機(jī)的串行口上，在仿真器開(kāi)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(wèn)題是存儲(chǔ)器讀寫(xiě)及LCD的顯示問(wèn)題。開(kāi)始時(shí)發(fā)現(xiàn)寫(xiě)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(méi)有嚴(yán)格按照閃速存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)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(méi)有寫(xiě)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(shuō)明書(shū)的時(shí)序進(jìn)行編程控制后，數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)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(wèn)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)器擔(dān)任時(shí)每次讀寫(xiě)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(zhǎng)度不一樣，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作。
　　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(wèn)題。
?