摘 要： 設計了語音記錄儀。該語音記錄儀橋接在通信設備之間，同時提供3種橋接接口：以太網接口，支持在IP通信方式下的各通話組的直通及錄音功能；二線接口，支持模擬二線方式下的直通及錄音功能；音頻接口，支持模擬音頻方式下的直通及錄音功能。同時話音記錄儀提供FTP服務器，可以通過局域網對語音記錄儀保存的語音文件進行下載和管理。此外，該設備支持語音回放功能。
0 引言
通信技術迅速發展，帶來了各行業日新月異的變化。各行各業對電話進行通話錄音越來越普遍，如政府部門、安全系統、金融業或服務機構等部門因為各種原因需要進行在線錄音監控。錄音資料在一些服務領域被用來監控業務流程以幫助服務質量的提高。在鐵路系統、電力系統、大型工廠等比較老邁的行業，錄音電話、磁帶錄音機或磁帶機監控系統仍然得到普遍使用[1]。采用傳統的語音記錄設備作為存儲介質，存在存儲介質體積大、查詢錄音文件困難、文件數據轉移不易、保存壽命短、監控信息管理操作不便等問題，限制了其使用范圍。本文設計的語音設備采用前沿電子技術，能夠實現對專用網絡的語音數據進行錄音、監聽。該設備是針對兩個特殊專網之間的語音通信而設計的，考慮到專網的特殊性，語音數據不能從專網直接獲取，因此將該設備橋接在兩個專網之間，起到信令橋路的作用，網內設備都可以通過本設備對模擬話音、IP話音實現數字化記錄功能，即對通話進行監控錄音并將語音信息轉換為方便存儲的數字信息，以文件形式存儲于存儲介質上。
1 解決方案
本文設計的語音記錄設備采用一個集成了Flash、DDR2、串口、兩個以太網口的CPU模塊作為中心控制器，采用一個DSP模塊完成語音數據的編碼、解碼等功能，采用4路二線模塊接入音頻輸入輸出口，采用一個液晶顯示模塊來顯示設備狀態及用戶操作的反饋結果，采用FPGA完成設備所有信令、數據、控制命令的交互[2]。其功能結構如圖1所示。
?。?）CPU模塊功能與作用
CPU模塊是設備的核心，完成設備內硬件單元模塊的控制，完成兩個專網之間的協議適配，起到信令網關的作用；同時完成錄音文件系統管理、查詢等功能。
?。?）DSP模塊
DSP模塊完成話音數字處理、語音編解碼、回聲處理、靜音識別等功能。
?。?）顯示模塊
顯示模塊完成對設備狀態及用戶操作的反饋結果的顯示。因操作系統啟動時間稍長，接近1 min，在軟件運行之前顯示模塊由FPGA控制，軟件運行之后由CPU接管。
該方案所設計的語音記錄設備具有下述基本功能：
?。?）支持在IP通信方式下的各通話組的直通及錄音功能；
?。?）支持模擬二線方式下的直通及錄音功能；
?。?）支持模擬音頻方式下的直通及錄音功能；
?。?）話音記錄儀提供FTP服務器，為電腦通過車內局域網對語音記錄儀保存的語音文件進行下載和管理。
2 數據處理
設備內部的所有數據通道由FPGA數據總線提供，FPGA對外提供兩個與以太網口對接的MAC口以及所有的模擬接口模塊的信號收發，與CPU模塊之間采用一個以太網接口進行數據交互，與DSP信號處理單元采用MCBSP高速串口進行數據交互[3]。
2.1 CPU與FPGA之間ETH接口
CPU與FPGA之間ETH接口主要實現以下功能：
?。?）接收來自網絡的IP語音包；
（2）接收CPU發往DSP信號處理單元的解碼碼流；
?。?）接收CPU接收DSP信號處理單元解碼后的碼流及模擬接口處理后的碼流；
?。?）響應FTP請求；
?。?）檢測模擬接口模塊是否接收到信號并判斷其類型。
2.2 DSP信號處理單元與FPGA之間的接口
DSP信號處理單元與FPGA之間的接口主要實現以下功能：
（1）接收CPU發來的待解碼數據；
（2）返回CPU解碼后的碼流；
?。?）接收模擬接口模塊的PCM信號及PTT或摘/掛機狀態信號；
（4）將DSP處理后的PCM信號及VAD檢測結果發給CPU。
DSP收發數據時序如圖2所示。
收發幀信號參數如下：時鐘為16 MHz；幀定位為 4 kHz；每幀4 096 bit（512 B）；時鐘上升沿采樣，延遲 1 bit接收，幀定位高有效。
DSP與FPGA之間每幀傳送512時隙的內容，每32個時隙為一組，共16組，每組包括4個信令時隙和30個話音時隙，信令時隙用于交互某一通路話音的主被叫信息、編碼方式、處理方式、錄音指示等信息，話音時隙用于傳輸語音數據，每一個語音時隙可以和同組內的任意話音時隙進行合并使用。幀結構定義如表1所示。
2.3 FPGA與模擬接口模塊之間的接口
FPGA與模擬接口模塊之間的接口主要實現以下功能：
?。?）接收音頻接口模塊上音頻對的PCM信號、雙向PTT狀態；
（2）接收二線接口模塊上的PCM信號、摘/掛機狀態；
?。?）檢測模塊有無狀態并報送給CPU；
?。?）檢測模塊類型并報送給CPU。
2.4 話音編解碼
設備的話音編解碼模塊支持CVSD-PCM、PCM-G729、CVSD-G729、LPCM-PCM、LPCM-CVSD、LPCM-G729等編碼方式的轉換。語音編解碼處理主要通過DSP來完成，DSP通過mcbsp口接收來自FPGA按規定格式送來的數據包，然后采用相應的算法完成數據編解碼。
3 FPGA程序模塊化設計
本設計中，FPGA程序采用模塊化設計[4]。FPGA所完成的主要功能如下：
?。?）將各硬件模塊組合在一起共同工作，完成各個數據接口適配。二線和音頻接口需要FPGA對片外AD采樣芯片進行控制，時序適配，完成對數據采集及輸出。DSP接口模塊實現與DSP和FPGA之間數據交換、信令交互。MAC模塊完成以太網成解幀適配，采用查找表的方式完成語音包與信令包區分，語音通道號分配，話路號識別。
?。?）實現話音數據交換功能。FPGA將來自音頻模塊、MAC模塊、DSP的語音數據進行內部交換處理，任意話路和通道的語音皆可交換至相應的出口和通道，從而實現對兩個專網之間語音數據的監聽、錄音、回放等功能[5]。
4 實驗及結果
將本文所設計的語音記錄設備跨接在兩個專網中，搭建圖3所示的實驗環境進行實測以驗證其功能及性能，測試結果如表2所示。
從表2可以看出，本文設計開發的語音記錄設備可以橋接在兩個專網之間工作，并有效地完成了專網之間語音通話的錄音、監聽等功能。從實際的使用效果上來看，該語音記錄設備并未影響到兩個專網各自的功能及應用，專網之間仍然可以互通電話及數據。采用4路音頻接口對任意4路通話進行監聽，并且可以隨時切換監聽話路。長時間錄音、監聽的效果達到了令人滿意的程度。
5 結論
本文所設計的語音記錄設備實現了對多路電話信號檢測、語音信號編解碼，以及與通話相關信息的記錄、保存與管理，管理內容主要包括用戶管理、記錄查詢、記錄備份、通話清單報表打印、操作日志以及遠程操作等。在查詢方面，系統實現了按通道、電話號碼、時間、通話長度進行單一或組合的查詢方式；在操作日志方面，系統實現了對操作系統用戶的記錄，保證了系統安全性；在遠程操作中，實現了按通道、電話號碼、時間、通話長度進行單一或組合的查詢方式，并且實現了對通話語音的FTP下載。該語音記錄設備的運行完全不影響原有的兩個通信系統，并且人機界面友好、操作簡單方便。
參考文獻
[1] 徐君毅.單片機微型計算機原理及應用[M].上海：上?？萍汲霭嫔?，1988.
[2] 陳顯治.現代通信技術[M].北京：電子工業出版社，2001.
[3] 沈鑫剡.多媒體傳輸網絡與VoIP系統設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.
[4] 楊海鋼，孫嘉斌，王慰．FPGA器件設計技術發展綜述[J]．電子與信息學報，2010，32（3）：714-727．
[5] DAVID D， MICHAEL S． Verification methodology manual techniques for verifying HDL designs[M]． Winchester： Teamwork International， 2002.