按G.723标准设计的数字录音系统_DSP论文
关键词：g.723标准 数字录音机 adsp-2181 语音数字处理
随着数字化技术的迅速发展，语音信号数字处理技术的不断成熟，可编程器件和功能强大的数字信号处理器（dsp）的广泛应用，传统的模拟音像设备大量地被各种数字设备所代替。然而，便携式的录音设备仍以各种模拟媒质为主，如常用的磁带录音机。如果要将其录音以数字形式的数据保存，则应将其模拟录音信号变换成数字形式的数据，这就给原始数据的保存带来诸多不便。因此，笔者按g.723标准设计了一种数字录音机，它以adsp-2181作为语音处理器和系统控制器，取消了普通录音机的机械部分和磁带，以大容量的闪速存储器(flash ram)作为数字语音数据存储器。该样机体积很小，录音时间长，没有机械噪声及机械故障，很有实用价值。
1 g.723标准简介和系统结构框图
1.1 g.723标准简介
g.723是itu-t在1996年制订成型的一种多媒体语音编解码标准。其典型应用包括ip电话服务、h.324视频电话、无线电话、数字卫星系统、数电倍增设备(dcme)、公共交换电话网（pstn）、isdn及各种多媒体语音产品。g.723标准传输码率有5.3kb/s和6.3kb/s两种，在编程过程中可随时切换。该标准主要包含了编码算法和解码算法。原理是：从采集的语音信号中解析出声道模型参数，构造一个合成滤波器，采用合适的激励源激励，编码传输的参数主要是激励源与合成滤波器的参数。5.3kb/s的编码器采用代数码线预测激励（acelp）；6.3kb/s的编码器则采用多脉冲最大似然量化(mp-mlq)激励。根据传输编码参数，可重构激励源与合成滤波器进行解码，还原出来的数字语音信号经d/a转换器转换成模拟语音信号。关于g.723的编码和解码的详细说明见参考文献。
g.723算法对语音信号有很好的编解码效果，同时也可处理和其它声音信号，典型输入是64kb/s（8k×8）或128kb/s(8k×16)的a律或μ律的pcm采样语音信号。每次处理一帧语音信号，每帧240个采样点（30ms）。在5.3kb/s的码率下，每帧语音被压缩成20个字节传输；在6.3kb/s的码率下，每帧语音被压缩成24个字节传输。
1.2 数字录音系统的结构框图
系统框图主要由图1所示的五部分组成。ad73311用来进行a/d和d/a转换，它集成了模/数和数/模转换功能，而且可编程控制，使用极其方便；adsp-2181为系统的核心数字处理器，时钟频率为33mhz，其功能强大；km29n32000为闪速存储器（flash ram），用来存储已压缩的语音数据；at27c010（eprom）用来存放控制adsp-2181工作的程序；lcd用来显示系统当前的工作状态。
系统的工作流程是：模拟语音信号经ad73311采样并经a律或μ律压缩后转换成pcm数据，通过adsp-2181的串行口送到adsp-2181，adsp-2181再将数据进行编码和压缩后送到闪速存储器km29n32000中存储起来；录音回放时，从km29n32000读取压缩数据，送回adsp-2181进行解码，再送到ad73311进行d/a转换，输出模拟语音信号。整个过程都是由存放在at27c010中的dsp程序控制，有条不絮地工作。lcd显示系统当前的工作状态。
2 系统各主要部分的原理与接口
2.1 ad73311与adsp-2181的接口电路及编程控制
2.1.1 ad73311与adsp-2181的接口电路
ad73311具有a/d和d/a转换功能，采样频率为8khz～64khz，可以编程控制，采样字长为16位。ad73311具有大信噪比、输入输出增益可编程控制、低工作电压(2.7～5.5v),并且一片两用的特点，是一种很受欢迎的芯片。ad73311与adsp-2181的接口电路如图2所示。
ad73311完成模拟语音信号的采集和数字语音信号的回放工作。从图2中看出，信号从vin处输入，在vout处输出回放语音信号。vin处接麦克风，vout处接扬声器。与adsp-2181的通信通过串口进行，从sdo引脚向adsp-2181输出数据，从sdi引脚接收adsp-2181数据，发送和接收可同时进行。时钟信号由adsp-2181的slck引脚接入。
编程时必须先初始化ad73311的工作状态，依次设定采样率、输入输出增益、提前时间等，再让其工作在数据传输模式下就可正常工作。ad73311进入数据传输模式后一直进行a/d或d/a转换。在编程控制中，应让adsp-2181的串口一直工作在接收中断方式，这样可使数据发送与接收的速率保持一致。要改变工作模式可将其reset引脚置低，再置高，这样就可重新设定了。
2.1.2 ad73311的编程
ad73311是一种可编程的数据转换器，内含五个8位控制寄存器cra～cre,用于设定工作状态，控制输入输出。ad73311通过串行口与处理器接口，传送的是16位数据，有五种工作模式，分别为：程序模式、数据模式、混合模式、模拟环路模式、数字环路模式。其中前三种是正常的工作模式，后两种是调试模式，仅在调试时使用。五种工作模式由内部的控制寄存器a中的四位（cra0～3）控制。
程序模式：ad73311启动或重置后即工作于程序模式，此时ad73311串行口输入的数据将作为命令字以初始化内部控制寄存器组，之后ad73311根据初始化命令字进入相应的工作模式，在此之前ad73311串行口输出的码字是无效的。
数据模式：此时ad73311串行口输出的是a/d转换的16位数据，输入的是d/a转换的16位数据。ad73311一旦进入数据模式，就不能再得到控制，所以就永远处于这一模式，除非重启动。这时硬件上可采用发送接收帧同步信号同步方式。
混合模式：此时16位码字可能是控制字，也可能是数据。码字的最高位msb用来标识这个码字是控制命令字(msb=1)还是数据（msb=0，低15位是有效数据）。在混合模式下，adsp-2181可以根据系统的运行状况适时改变ad73311的工作参数，如放大器的放大倍数等。这时硬件上可采用发送接收帧同步信号异步方式，便于adsp-2181的自主控制。
ad73311控制采样率由时钟分频电路完成。时钟分频电路将从dmclk引脚输入的外部时钟频率mclk通过主频时钟因子分频为内部时钟频率dmclk，mclk有五种频率选择，由内部控制寄存器b中的crb4～6三位控制。dmclk决定了ad73311的采样频率，它也是ad73311串行口的帧同步频率。dmclk再经串行时钟分频因子分频为串行时钟频率sclk，dmclk有四种选择，由内部控制寄存器b中的grg2～3两位控制。
通过编程控制寄存器d，可控制输入输出的增益。输入增益ig可在0～38db之间调整，输出增益og可在-15～6db之间调整。ad73311的具体编程流程图如图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; {写控制寄存器crc，5v电源，使能adc和dac}
tx0=ax0;
idle;
ax0=0x811b; {写控制寄存器crb，分频，设置8k采样率}
tx0=ax0;
idle;
ax0=0x8320; {写控制寄存器crd，输出输入增益为0}
tx0=ax0;
idle;
ax0=0x8400; {写控制寄存器cre,dac延迟量为0}
ax0=ax0;
idle;
ax0=0x8001; {写控制寄存器cra，进入数据传输模式}
tx0=ax0;
idle；
2.2 闪速存储器与adsp-2181的接口电路
闪速存储器采用韩国三星公司生产的km29 n32000，容量为4m×8=32mbit，分成512块，每块有16页，每页528个字节。可进行100万次擦写，数据保存时间为10年，通过编程可自动进行擦写。这里用于保存录音数据，其数据保存不需要充电维持。
从理论上说，如果采用g.723标准算法，在8khz的采样率下，采用5.3kb/s的码率，录音时间最大值约为100分钟；在6.3kb/s码率下最大录音时间约为83分钟，比常用的录音磁带略长，可以满足般的录音要求。如果采用km29v64000(8m×8=64m bit)，录音时间可增加一倍。如果需要更长的录音时间，可选择容量更大的闪速存储器。有关km29n3200的详细特性见参考文献。
km29n32000与adsp-2181的接口电路如图4所示，它的读写及擦除操作说明如下：
（1）读操作
首先让cle置高，进入命令模式。此时ale置低，从i/o口输入00h（表示读操作控制命令字），接下来cle置低，ale置高，进入地址加载模式，将要访问的24位地址（a0～a23）分三次由低到高从i/o口磅入。适当延迟后，将ale置低，就可连续地进行读操作，每次读取一帧数据。得到的数据是加载地址开始的。整个过程ce必须保持低电平。
(2)写操作
写操作过程与读操作类似，开始控制命令字是80h，将加载地十分三次送入后，适当延迟，就可连续地向闪速存储器写入一帧数据。数据写完时，cle置高，送入10h命令字，进行写操作。
(3)擦除操作
保存数据时，如果对应存储区已经有数据，就必须先擦除掉原来数据。每次擦除一次，每块8k字节。
首先输入控制命令字60h，接着把块地址分两次送出，再输入d0h命令字进行块擦除。擦除完后，输入命令字70h，可读取擦除状态。如果接下来读取的数据的lsb位为"0"则表示擦除成功，为"1"则表示产生了错误，可重新进行擦除操作。如果再次错误，可能是对应单元出错了。
在访问flash ram的内存操作中，最重要的是要注意各个信号的时序。必须严格按照说明书的时序图进行操作才能实现正常的功能。
2.3 lcd显示及接口电路
在本系统中用lcd显示当前系统处于的状态，如录放状态、进行的时间等。可由adsp-2181进行控制，设定显示方式及内容。
所用的是点阵式液晶显示器，为日立公司的hd44780a00lcd。里面有专用集成电路作为点阵的控制驱动，只要直接送入数据和指令就可实现所需的显示。在本系统中，由于lcd使能信号脉宽较大，无法直接由dsp产生，因此通过触发单稳触发器74ls123来产生lcd使能信号。接口电路如图5所示。
通过调节连接74ls123的r和c值可控制输出q的脉宽tw。当c≥1000pf时为：
tw=k·r·c
其中k为常数，与外界温度及外接电容c有关，在0.2～0.6间选择。
当c≤1000pf时，tw估计值如下：
tw=6+0.05c(pf)+0.45r(kΩ)c+11.6r
当74ls123引脚a出现一个下降脉冲时，输出q产生一个高电平脉冲，脉宽由r和c决定，驱动lcd工作。
录音时lcd上面一行显示record，下行则显示进行的时间；放音时上面一行显示play，下行也显示进行的时间。时间的显示通过adsp-2181里面定时器中断进行。
3 系统控制软件设计
adsp21xx系列提供了一整套软件开发工具及相应的仿真器开发平台，给系统的调试与仿真提供了极大的方便。软件开发系统包括系统建造器、带运行时时间库的c编译器、汇编器、连接器、prom划分器等。通过编译连接汇编源程序，可以生成exe文件。此文件是存储映像文件，可以加载到仿真器上进行仿真；调试成功后，通过prom划分器和eprom烧制设备可以写入eprom，系统复位时dsp加载eprom程序便可自动运行，控制整个系统的工作。
系统软件设计采用自举和中断控制两种方式。自举方式系统一上电，adsp-2181读取eprom中的程序，自动运行程序去控制整个系统工作。
中断控制利用了adsp-2181的两个中断，即sport0接收中断和timer中断。adsp-2181的sport与ad73311相连。当得到一个采样数据时，产生一个接收中断，adsp-2181读取便得到采样数据。由于sport0是全双工的，当产生接收中断时，同时可以发送数据，一方面在录音时可以得到回放效果；另一方面则在播放时可直接发送数据，而对采样数据置之不理，这样便于解码数据以固定的码率回放。timer中断定时检测 外部控制引脚状态，包括录音、放音、快放及码率转换4个引脚，每个引脚的0/1状态对应两种控制，即开始录音/停止录音、开始放音/停止放音、5.3kbps/6.3kbps码率转换及快放状态，共有七个状态。
dsp汇编语言的结构与asm汇编语言类似，其开头部分对应中断向量表。工作在中断方式时，则向量表对应中断处一般为一条跳转语句；产生中断时，则跳到相应语句执行中断控制功能。
主程序的中断设置部分如下：
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中断控制说明如下：
（1）sporto接收数据中断
在程序中，数据处理集中在此进行。主要过程是：在录音时，每收到240个采样数据，就进行g.723编码，将编码结果保存到闪速存储器中；在播放时，每次读取24个数据，将读取的数据进行解码，再通过串行口发送出去，经扬声器还原成语音信号。其流程如图6所示。
（2）timer中断
timer中断用来检测用户的控制信息及显示运行时间。用户控制有4个，即码率选择、录音控制、放音控制及快退控制。对应这4个控制引脚，初始设定为输入态，然后通过检测各个引脚的电平设定工作态。其流程如图7所示。
4 系统调试
系统调试要使用ad公司提供的adsp21xx系列的整套软件开发工具和仿真器。笔者使用adsp-2181-ez-ice仿真器进行调试。仿真器上自带33mhz的2181，调试支持20个断点，可单步、设断点和全速运行，可随时观察和修改寄存器和存储单元的值。仿真器上提供了一个14针的仿真接口，仿真器通过此接口仿真控制目标系统。仿真器与
计算机间有一个rs-232接口，通过数据进行连到计算机的串行口上，在仿真器开发平台上就可以进行软件调试。
系统调试时遇到的主要问题是存储器读写及lcd的显示问题。开始时发现写进闪速存储器的数据与读出的数据不符。经仔细分析，发现是由于没有严格按照闪速存储器的读写操作时序进行编程，或是延迟量不够，或是两个信号的先后次序弄反了，数据可能根本没有写进去，读出的数据当然是错的。在严格按照其说明书的时序进行编程控制后，数据的读写擦除操作完全正常。
在播放录音数据时，曾出现声音跳变不连续的问题，经分析发现原因在于地址定位时出错。因为对闪速存储器担任时每次读写都是一帧数据，而编解码时一次操作的数据为20/24个字节，两者长度不一样，需要进行转换操作。
lcd开始调试时没有显示。经分析发现原因在于工作周期。本系统中adsp-2181处理器的机器周期为30ns，经设定最大的等待周期为7机器周期后也才有240ns，而lcd的工作使能脉宽至少要300ns。因此在硬件上增加了一单稳延迟电路，这样便解决了此问题。