摘 要: 介紹了一個按G.723標準設計的數字錄音" title="數字錄音">數字錄音系統，該系統以ADSP-2181數字信號處理器為核心，采用大容量的閃速存儲器(Flash RAM)作為數字語音數據存儲器。試驗表明，該系統具有良好的實用價值。
關鍵詞： G.723標準 數字錄音機 ADSP-2181 語音數字處理
隨著數字化技術的迅速發展，語音信號數字處理技術的不斷成熟[1]，可編程器件和功能強大的數字信號處理器(DSP)的廣泛應用，傳統的模擬音像設備大量地被各種數字設備所代替。然而，便攜式的錄音設備仍以各種模擬媒質為主，如常用的磁帶錄音機。如果要將其錄音以數字形式的數據保存，則應將其模擬錄音信號變換成數字形式的數據，這就給原始數據的保存帶來諸多不便。因此，筆者按G.723標準設計了一種數字錄音機，它以ADSP-2181作為語音處理器和系統控制器，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)作為數字語音數據存儲器。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標準簡介和系統結構框圖
1.1 G.723標準簡介
G.723是ITU-T在1996年制訂成型的一種多媒體語音編解碼標準。其典型應用包括IP電話服務、H.324視頻電話、無線電話、數字衛星系統、數電倍增設備(DCME)、公共交換電話網(PSTN)、ISDN及各種多媒體語音信息產品。G.723標準傳輸碼率有5.3kb/s和6.3kb/s兩種，在編程過程中可隨時切換。該標準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，構造一個合成濾波器，采用合適的激勵源激勵，編碼傳輸的參數主要是激勵源與合成濾波器的參數。5.3kb/s的編碼器采用代數碼線性預測激勵(ACELP);6.3kb/s的編碼器則采用多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)激勵。根據傳輸編碼參數，可重構激勵源與合成濾波器進行解碼，還原出來的數字語音信號經D/A轉換器轉換成模擬語音信號。關于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個字節傳輸;在6.3kb/s的碼率下，每幀語音被壓縮成24個字節傳輸。
1.2 數字錄音系統的結構框圖
系統框圖主要由圖1所示的五部分組成。AD73311用來進行A/D和D/A轉換，它集成了模/數和數/模轉換功能，而且可編程控制，使用極其方便;ADSP-2181為系統的核心數字處理器[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據;AT27C010(EPROM)用來存放控制ADSP-2181工作的程序;LCD用來顯示系統當前的工作狀態。
系統的工作流程是:模擬語音信號經AD73311采樣并經A律或μ律壓縮后轉換成PCM數據，通過ADSP-2181的串行口送到ADSP-2181，ADSP-2181再將數據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讀取壓縮數據，送回ADSP-2181進行解碼，再送到AD73311進行D/A轉換，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顯示系統當前的工作狀態。
2 系統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，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輸出數據，從SDI引腳接收ADSP-2181數據，發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，依次設定采樣率、輸入輸出增益、提前時間等，再讓其工作在數據傳輸模式下就可正常工作。AD73311進入數據傳輸模式后一直進行A/D或D/A轉換。在編程控制中，應讓ADSP-2181的串口一直工作在接收中斷方式，這樣可使數據發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，這樣就可重新設定了。
2.1.2 AD73311的編程
AD73311是一種可編程的數據轉換器，內含五個8位控制寄存器CRA～CRE，用于設定工作狀態，控制輸入輸出。AD73311通過串行口與處理器接口，傳送的是16位數據，有五種工作模式，分別為:程序模式、數據模式、混合模式、模擬環路模式、數字環路模式。其中前三種是正常的工作模式，后兩種是調試模式，僅在調試時使用。五種工作模式由內部的控制寄存器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串行口輸入的數據將作為命令字以初始化內部控制寄存器組，之后AD73311根據初始化命令字進入相應的工作模式，在此之前AD73311串行口輸出的碼字是無效的。
數據模式:此時AD73311串行口輸出的是A/D轉換的16位數據，輸入的是D/A轉換的16位數據。AD73311一旦進入數據模式，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，也可能是數據。碼字的最高位MSB用來標識這個碼字是控制命令字(MSB=1)還是數據(MSB=0，低15位是有效數據)。在混合模式下，ADSP-2181可以根據系統的運行狀況適時改變AD73311的工作參數，如放大器的放大倍數等。這時硬件上可采用發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部時鐘頻率DMCLK，MCLK有五種頻率選擇，由內部控制寄存器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之間調整，輸出增益OG可在-15～6dB之間調整。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，進入數據傳輸模式}
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的KM29 N32000，容量為4M×8=32Mbit，分成512塊，每塊有16頁，每頁528個字節?？蛇M行100萬次擦寫，數據保存時間為10年，通過編程可自動進行擦寫。這里用于保存錄音數據，其數據保存不需要充電維持。
從理論上說，如果采用G.723標準算法，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。適當延遲后，將ALE置低，就可連續地進行讀操作，每次讀取一幀數據。得到的數據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，適當延遲，就可連續地向閃速存儲器寫入一幀數據。數據寫完時，CLE置高，送入10H命令字，進行寫操作。
(3)擦除操作
保存數據時，如果對應存儲區已經有數據，就必須先擦除掉原來數據。每次擦除一塊，每塊8K字節。
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。如果接下來讀取的數據的LSB位為“0”則表示擦除成功，為“1”則表示產生了錯誤，可重新進行擦除操作。如果再次錯誤，可能是對應塊單元出錯了。
在訪問Flash RAM的內存操作中，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正常的功能。
2.3 LCD顯示及接口電路
在本系統中用LCD顯示當前系統處于的狀態，如錄放狀態、進行的時間等。可由ADSP-2181進行控制，設定顯示方式及內容。
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動，只要直接送入數據和指令就可實現所需的顯示。在本系統中，由于LCD使能信號脈寬較大，無法直接由DSP產生，因此通過觸發單穩觸發器74LS123來產生LCD使能信號。接口電路如圖5所示。
通過調節連接74LS123的R和C值可控制輸出Q的脈寬tW。當C≥1000pF時為：
tW=K·R·C
其中K為常數，與外界溫度及外接電容C有關，在0.2～0.6間選擇。
當C≤1000pF時，tW估計值如下：
tW=6+0.05C(pF)+0.45R(kΩ)C+11.6R
當74LS123引腳A出現一個下降脈沖時，輸出Q產生一個高電平脈沖，脈寬由R和C決定，驅動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 系統控制軟件設計
ADSP21XX系列提供了一整套軟件開發工具及相應的仿真器開發平臺，給系統的調試與仿真提供了極大的方便。軟件開發系統包括系統建造器、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;調試成功后，通過PROM劃分器和EPROM燒制設備可以寫入EPROM，系統復位時DSP加載EPROM程序便可自動運行，控制整個系統的工作。
系統軟件設計采用自舉和中斷控制兩種方式。自舉方式是系統一上電，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。當得到一個采樣數據時，產生一個接收中斷，ADSP-2181讀取便得到采樣數據。由于sport0是全雙工的，當產生接收中斷時，同時可以發送數據，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送數據，而對采樣數據置之不理，這樣便于解碼數據以固定的碼率回放。Timer中斷定時檢測外部控制引腳狀態，包括錄音、放音、快放及碼率轉換4個引腳，每個引腳的0/1狀態對應兩種控制，即開始錄音/停止錄音、開始放音/停止放音、5.3kbps/6.3kbps碼率轉換及快放狀態，共有七個狀態。
DSP匯編語言的結構與ASM匯編語言類似，其開頭部分對應中斷向量表。工作在中斷方式時，則向量表對應中斷處一般為一條跳轉語句;產生中斷時，則跳到相應語句執行中斷控制功能。
主程序的中斷設置部分如下:
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接收數據中斷
在程序中，數據處理集中在此進行。主要過程是:在錄音時，每收到240個采樣數據，就進行G.723編碼，將編碼結果保存到閃速存儲器中;在播放時，每次讀取24個數據，將讀到的數據進行解碼，再通過串行口發送出去，經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。對應這4個控制引腳，初始設定為輸入態，然后通過檢測各個引腳的電平設定工作態。其流程如圖7所示。
4 系統調試
系統調試要使用AD公司提供的ADSP21××系列的整套軟件開發工具和仿真器。筆者使用ADSP-2181-EZ-ICE仿真器進行調試。仿真器上自帶33MHz的2181，調試支持20個斷點，可單步、設斷點和全速運行，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系統。仿真器與計算機間有一個RS-232接口，通過數據帶連到計算機的串行口上，在仿真器開發平臺上就可以進行軟件調試。
系統調試時遇到的主要問題是存儲器讀寫及LCD的顯示問題。開始時發現寫進閃速存儲器的數據與讀出的數據不符。經仔細分析，發現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，數據可能根本沒有寫進去，讀出的數據當然是錯的。在嚴格按照其說明書的時序進行編程控制后，數據的讀寫擦除操作完全正常。
在播放錄音數據時，曾出現聲音跳變不連續的問題，經分析發現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據，而編解碼時一次操作的數據為20/24個字節，兩者長度不一樣，需要進行轉換操作。
LCD開始調試時沒有信息顯示。經分析發現原因在于工作周期。本系統中ADSP-2181處理器的機器周期為30ns，經設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延遲電路，這樣便解決了此問題。
參考文獻
1 楊行峻，遲惠生. 語音信號數字處理.北京:電子工業出版社，1995
2 ITU-T DRAFT G.723[z].INTERNATIONAL TELECOMMU-NICATION UNION，1995
3 DSP Microcomputer ADSP-2181[z]. USA： ANALOG DEVICES Inc.， 1997
4 Flash Memory Data Book[z]. Korea： SAMSUNG，1998