數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)\\多點(diǎn)語音通信的實(shí)現(xiàn)

摘 要:數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、多媒體的發(fā)展越來越普及，為了實(shí)現(xiàn)其很好的教學(xué)效果，需要語音的傳遞實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)語音的多點(diǎn)通信和分組通信。隨著DSP技術(shù)的發(fā)展，將DSP技術(shù)運(yùn)用到該數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)語音信息數(shù)字化和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)化，采取DMA讀取硬盤的方式，使得該系統(tǒng)性能好，達(dá)到了實(shí)現(xiàn)全數(shù)字語言教學(xué)的目的。

關(guān)鍵詞:DSP; 數(shù)字語言; 網(wǎng)絡(luò)通信; 實(shí)時(shí)通信

中圖分類號(hào):TP334 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)09-0148-03

Real-time， Multi-point Speech Communication of Digital Language Learning System

LIU Fang

(Engineering and Commerce South-Central University for Nationalities Institute of Business and Experiment Center， Wuhan 430065， China)

Abstract: Digital language learning system is becoming more and more popular with the development of computers， networks and multimedia， which needs real-time transmission， multi-point communication and packet communication of speech for achieving its good teaching result. With the development of DSP， it is applied to the digital language learning system to realize speech information digitization and digital communication networking. DMA is taken to read the hard disk， make the system performance good and achieve the full digital language teaching.

Keywords: DSP; digital language; network communication; real-time communication

0 引 言

全數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)(語音教室)在本專院校培養(yǎng)外語人才中廣泛運(yùn)用。本文主要設(shè)計(jì)了數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的語音通信過程，實(shí)現(xiàn)了教師端和某個(gè)學(xué)生端、教師端對一組學(xué)生端、分組的多個(gè)學(xué)生端、單個(gè)和單個(gè)學(xué)生端間的實(shí)時(shí)交流通話。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)的發(fā)展和普及，語音通信系統(tǒng)也從傳統(tǒng)的模擬電路產(chǎn)品發(fā)展成為全數(shù)字化產(chǎn)品，改進(jìn)了傳統(tǒng)語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的不足。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是建立在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的IT技術(shù)之上，結(jié)構(gòu)由復(fù)雜變得簡單，功能由單一變得齊全，更重要的是在語音通信中不僅保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，而且抗干擾能力強(qiáng)、失真小、清晰、音質(zhì)音色好。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要結(jié)合現(xiàn)代高端DSP技術(shù)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和通信的實(shí)時(shí)可靠。

1 數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)功能

數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)所應(yīng)有的功能如下:一是能對教師端或?qū)W生端發(fā)出的語音信號(hào)進(jìn)行采集和播放;二是該系統(tǒng)具備數(shù)字錄音和點(diǎn)播重放的功能，需要對語音信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，由外設(shè)的FLASH存儲(chǔ)器來完成;三是在整個(gè)教室的局域網(wǎng)系統(tǒng)中，語音的傳輸要通過DSP的ISA總線平臺(tái)來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)上述功能，在技術(shù)上必須實(shí)現(xiàn)語音信息的數(shù)字化和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)[1]，語音的數(shù)字化指對從麥克風(fēng)發(fā)出的語音信號(hào)進(jìn)行放大、濾波后通過ADC采樣轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后由DSP芯片對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)、壓縮成語音壓縮包，按照MPEG標(biāo)準(zhǔn)對語音進(jìn)行編碼，最后通過解碼，解壓縮，DAC轉(zhuǎn)換成模擬語音信號(hào)，通過功放放大后輸出給終端的接收部分。數(shù)字通信的網(wǎng)絡(luò)化是指局域網(wǎng)中的多臺(tái)學(xué)生計(jì)算機(jī)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)語音通信中的控制線路和模擬線路改進(jìn)為單一的數(shù)字線路。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)語音通信中，學(xué)生機(jī)也采用PC機(jī)的聲卡和網(wǎng)卡，基于DSP的ISA總線平臺(tái)，通過網(wǎng)卡直接編程實(shí)現(xiàn)DSP與聲卡、網(wǎng)卡的接口連接，構(gòu)建了DSP的以太網(wǎng)，通過DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)，通過標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交換。

1.2 數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件主要包括網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、教師機(jī)、服務(wù)器、語音控制器、學(xué)生終端[2]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。中央控制器是插在計(jì)算機(jī)里的一塊 ISA總線適配卡，它是這個(gè)系統(tǒng)的核心，它與交換機(jī)和語音控制器相連接，采用時(shí)分多址的策略對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，同時(shí)控制所有語音信息通信的切換和處理。一方面中央控制器將PC機(jī)發(fā)出的語音和控制信號(hào)通過以太網(wǎng)傳傳遞給學(xué)生端，另一方面又對學(xué)生端發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行分析處理，然后發(fā)終端信號(hào)給PC機(jī)，在該系統(tǒng)中以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包中包含有源地址和目的地址，每個(gè)學(xué)生端網(wǎng)卡的IP地址是惟一的，方便教師端對學(xué)生端的控制。

圖1 數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)字語音通信的DSP平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字語言通信的DSP平臺(tái)硬件圖

該數(shù)字語音學(xué)習(xí)系統(tǒng)的語音通信平臺(tái)由數(shù)字處理器DSP作為核心部分，通過語音采集與編解碼模塊TLV320AIC23實(shí)現(xiàn)語音的采集與傳輸，由以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)通過網(wǎng)卡、聲卡在網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音數(shù)據(jù)，由DMA控制器直接讀取硬盤數(shù)據(jù)，其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字語言通信的DSP平臺(tái)

2.2 數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5416

DSP作為一種專用的數(shù)字信號(hào)處理器[3]，是一種可編程的微處理器，對語言和圖像有強(qiáng)大的處理功能，運(yùn)算速度快，接口靈活，能實(shí)時(shí)、快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法。在數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)中DSP選用TI公司TMS320VC5416芯片，對語音壓縮編碼運(yùn)算能力達(dá)到50 MIPS，數(shù)據(jù)、程序的存儲(chǔ)空間大，對語音輸入/輸出、信碼輸入/輸出提供雙向串口。為保證語音質(zhì)量，語音壓縮編碼技術(shù)采用ITU-T制定為低速率編解碼算法G.729標(biāo)準(zhǔn)，即CS-ACELP 算法。它實(shí)現(xiàn)了8 Kb/s的碼率，能實(shí)現(xiàn)DSP對編解碼的處理。

2.3 語音采集與編解碼(CODEC)模塊TLV320AIC23

音頻芯片采用一塊可編程的芯片TLV320AIC23[4]，AIC23是通過數(shù)字控制口將芯片的控制字寫入AIC23內(nèi)部的寄存器。音頻控制口與DSP的通信主要由多通道緩沖串行口McBSP1來實(shí)現(xiàn)，支持立體聲或MIC兩輸入方式和立體聲輸出。TLV320AIC23的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADCs)和數(shù)模轉(zhuǎn)換(DACs)部件高度集成在芯片內(nèi)部，采用了先進(jìn)的Sigma-Delta過采樣技術(shù)，可以在8～96 kHz的頻率范圍內(nèi)提供16 b，20 b，24 b和32 b的采樣。語音控制器的控制接口為標(biāo)準(zhǔn)的RS 232接口，TLV320AIC23與TMS320VC5416的接口電路圖如圖3所示。

圖3 TLV320AIC23與TMS320VC5416

的接口電路圖

2.4 DMA控制器，HPI的配置

在數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，DMA[5]在對聲卡進(jìn)行控制和訪問時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)DSP對DMA功能的擴(kuò)展，通過ISA總線兼容聲卡、網(wǎng)卡的硬件結(jié)構(gòu)，為了有效地采集信號(hào)、播放語音，對聲卡、語音網(wǎng)卡采用中斷和DMA控制方式，結(jié)合DSP使用HOLD操作進(jìn)行，直接讀取硬盤數(shù)據(jù)，DMA控制器可以不需要CPU介入而直接在內(nèi)部存儲(chǔ)器，外部存儲(chǔ)器和芯片上外設(shè)之間傳遞數(shù)據(jù)，當(dāng)操作完成后，DMA控制器可以向CPU發(fā)出中斷，同時(shí)DMA有一個(gè)輔助端口用于HPI 和存儲(chǔ)器間傳遞數(shù)據(jù)。

2.5 以太網(wǎng)控制器

該系統(tǒng)的交換機(jī)采用先進(jìn)的芯片作為以太網(wǎng)控制器[6]，簡化了系統(tǒng)的線纜連接，解決了語音通信的堵塞問題，以太網(wǎng)控制器采用臺(tái)灣Realtek生產(chǎn)的RTL8019AS，內(nèi)置16 KB的SRAM，用于收發(fā)緩沖、半雙工通信，達(dá)到10 Mb/s，與主機(jī)采用PnP接口模式。在DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)時(shí)，選擇聯(lián)合體作為DSP接收和發(fā)送以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的緩沖區(qū)，使得在各層協(xié)議間的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)質(zhì)上是數(shù)據(jù)指針在傳遞而不是數(shù)據(jù)拷貝傳遞。該控制器實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)通過網(wǎng)卡、聲卡在網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音數(shù)據(jù)，通過DSP對聲卡直接操作實(shí)現(xiàn)語音的錄放控制。

2.6 DSP的存儲(chǔ)器擴(kuò)展

為了防止TMS320C5416在斷電程序和數(shù)據(jù)的丟失，需要用配置容量為(512K×16)b FLASH和(256K×16)b SRAM將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，在系統(tǒng)恢復(fù)電位后，將外部FLASH中的程序搬移到DSP內(nèi)部的程序存儲(chǔ)空間中，同時(shí)也通過 FLASH存儲(chǔ)器[7]進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

3 語音的網(wǎng)絡(luò)傳輸

3.1 傳輸方式

傳輸控制協(xié)議TCP[8]和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議UDP這兩種傳輸協(xié)議都是在IP協(xié)議上完成的。TCP協(xié)議需要在教師端和學(xué)生端間建立直接的通信通道， 采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)式的非實(shí)時(shí)方式。而語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的語音通信要求實(shí)時(shí)性強(qiáng)，UDP作為一種底層的傳輸協(xié)議， 是無連接的數(shù)據(jù)報(bào)傳輸，不需要建立通信通道，直接把數(shù)據(jù)送到接收端，且提供復(fù)用機(jī)制的能力，可以迅速地實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通信。

3.2 傳輸協(xié)議

RTP/RTCP協(xié)議，是由實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議(RTP)及其控制協(xié)議(RTCP)組成，控制數(shù)據(jù)的擁塞和流量。在數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，RTP和RTCP配合使傳輸效率最佳化。實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議是一種應(yīng)用型的傳輸層協(xié)議，通過UDP協(xié)議對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行單播或者多播，實(shí)現(xiàn)通過學(xué)習(xí)系統(tǒng)的語音間通信。

3.3 IP組播

IP組播(IP Multicast)[9]是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的通信方式，包括3種IP數(shù)據(jù)通信方式:點(diǎn)對點(diǎn)通信、全網(wǎng)廣播和居于以上兩者之間IP多播。能實(shí)現(xiàn)源IP主機(jī)教師端向指定IP的某個(gè)學(xué)生端間進(jìn)行通信;源IP主機(jī)教師端向一個(gè)網(wǎng)絡(luò)段中所有IP的學(xué)生機(jī)組間進(jìn)行通信;更重要的是IP多播通過使用一個(gè)特殊的IP地址組作為組播地址，并對這個(gè)組進(jìn)行命名，這個(gè)地址也同時(shí)惟一地表示了一個(gè)多點(diǎn)廣播組，在這里，源主機(jī)能夠向 IP 網(wǎng)絡(luò)上的任何一組IP地址組發(fā)送IP信息包，實(shí)現(xiàn)了IP分組語音通信[9]。

4 結(jié) 語

通過先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器結(jié)合現(xiàn)代通信基本協(xié)議實(shí)現(xiàn)了數(shù)字語言學(xué)習(xí)系統(tǒng)的語音傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，采取DMA讀取硬盤的方式，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)語音傳輸和分組語音傳輸，滿足了現(xiàn)代教學(xué)的需要，解決了在通信中語音信息數(shù)字化和數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)化，使得該系統(tǒng)有效運(yùn)行。

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