G.723标准数字录音系统设计

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。
　

G.723算法对语音信号有很好的编解码效果，同时也可处理音乐和其它声音信号，典型输入是64kb/s（8k%26;#215;8）或128kb/s(8k%26;#215;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，就不能再得到控制信息，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。 

  [p] 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%26;#215;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。 

 
　　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信息。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。
　　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。