（电气工程专业论文）全数字语音系统的研制.pdf

英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h el n f o r m a t i o nt i m e sc o m i n g ，e d u c m i o n a lm e t h o d sw i t han e wf a s h i o na r e e x h i b i t e df o ru s ，t h ee m e r g e n c eo fm u l t i m e d i ai se s p e c i a l l yt y p i c a l m u l t i m e d i as y s t e m i sa b l et oo f f e ri d e o l o g i c a lt e a c h i n ge n v i r o n m e n tw h e r es t u d e n ta n dt e a c h e ra r ea b l et o c o m m u n i c a t em o r e c o n v e n i e n t l y ，a l s oi tc a ni m p r o v e t h ee f f i c i e n c yo f b o t h t e a c h i n ga n d s t u d y i n g t h ea u d i os 3 y s t e mi s a l l i m p o r t a n tp a r to fm u l t i m e d i as y s t e m ，w h i c hc a n a s s i s ts t u d e n tt o i n l p r o v et h e i ra b i l i t yo fs p e a k i n ga n dl i s t e n i n go ff o r e i g nl a n g u a g e m o s to ft h er e l m e dm u l t i m e d i ap r o d u c t sa r ea n a l o g u es y s t e m s ；a l s ot h e yh a v em a n y i n e v i t a b l es h o r t a g e si nc o m p a r et ot h ed i g i t a lp r o d u c t s t t h e r e f o r e ，t h ed e v e l o p m e n to f p u r ed i g i t a la u d i o s y s t e m h a sv e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a lv a l u e t h ep u r ed i g i t a la u d i os y s t e mi nt h i sp a p e rh a sb e e nd i v i d e di n t of i v ep a r t sb y f u n c t i o n s ：c o m p u t e ra n dm a n a g i n gs u b s y s t e m ，c o m p u t e ra d a p t e r ，p r i m a r ye x c h a n g e ， s e c o n de x c h a n g ea n ds t u d e n t s t e r m i n a ls u b s y s t e m s t u d e n t s t e r m i n a ls u b s y s t e mo f f e r s a p l a t f o r mf o rs t u d e n t st oc o m m u n i c a t e w i t h i ns y s t e m t h em a n a g i n gs u b s y s t e mi st h e h e a r to ft h i ss y s t e m i ti sap r o g r a mo nc o m p u t e r ，w h i c ha n a l y s e st h er e q u e s to fe a c h s t u d e n t s t e r m i n a ls u b s y s t e ma n dr e s p o n d sc o r r e c t l ya n dq u i c k l y a l s ot h eo t h e rt h r e e p a r t sh a v ef o r m e dad a t at r a n s m i s s i o nc h a n n e lb e t w e e nt h em a n a g i n gs u b s y s t e ma n d s t u d e n t s t e r m i n a ls u b s y s t e m t h ep u r ed i g i t a la u d i os y s t e mi sd e v e l o p e db yag o o d c o o r d i n a t i o no ft e a m w o r k ih a v ep r i m a r i l yt a k e nc h a r g eo fc o m p u t e ra d a p t e ra n dt h e s y s t e mo f e x c h a n g e s t h em a i nw o r k sa n d p r o d u c t i o no f t h ep a p e r a r ea sf o l l o w s ： 1 ) ih a v et a k eb l u ep r i n tf o rt h ew h o l es y s t e m ，a n du s eal o n gt i m et o e n r i c hi t i h a v ef i n i s h e dt h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g no fc o m p u t e ra d a p t e ra n d s y s t e mo f e x c h a n g e s + 2 ) ih a v ea d o p t e dt h ep r i n c i p l eo f t h ee x c h a n g eb e t w e e na r e aa n ds p e e d ，a n do f t h e p i p e l i n i n gf o rs a v i n gr e s o u r c ea n dd i g i t a lc o n t i n u i t y ih a v ed e s i g n e da ni n t e g r a ld p l l f o rs y n c h r o n i z a t i o n a n dih a v ep r o g r a m m e df o rf i l t e r 3 ) i h a v e c o m p r e s s e dd i g i t a lf o rl e s s e n i n g t h ep r e s so fd a t as t r e a m a n dia n a l y z e d t h ec h a r a c t e r so fa l a wp c mc o d e ，f o u n dt h er e g u l a r i t yi ni t t h ei n t e r c o t m e c t i o no f a l a wp c mc o d ea n dl i n e a rp c mc o d ew a sc a r r i e do u tb ym e a n so f h a r d w a r ei nc p l d t h i sp u r ed i g i t a la u d i os y s t e mh a sb e e nc o n d u c t e di nf o r e i g nl a n g u a g ee d u c a t i o n s u c c e s s f u l l y ，a n di th a si m p o r t a n te x t e n s i v ev a l u ew h e nt e a c h i n gi nc o u r s e so f s i m i l a r f i e l d so rs e l f - s t u d y i n g k e y w o r d s ：a u d i os y s t e m ，d i g i t a l ，c p l d 1 绪论 1 1 问题的提出及研究的意义 l 绪论 1 - 1 1 问题的提出 随着多媒体技术的迅速发展，其应用已遍及国民经济和社会生活的各个领域， 正深刻地改变着人类的生产方式、工作方式乃至生活方式。 多媒体具有图、文、声并茂甚至有活动影像等特点，多媒体系统能提供最理 想的教学环境，使师生学习交流更为便利，从而有利于提高学习和教学效率。因 此多媒体技术必然会对教育、教学过程产生深刻的影响，这种深刻影响可以用一 句话来概括：多媒体技术将会改变教学模式、教学内容、教学手段和教学方法， 最终可能导致整个教育思想、教学理论甚至教育体制的根本变革。 多媒体技术对教育领域有如此重大的意义，主要在于多媒体技术本身拥有许 多特别适用于教育、教学过程的特性和功能。以往对多种形式媒体的组合只是通 过计算机把几种处理不同媒体信息的技术简单地“堆积”起来。今天的多媒体技 术则是以计算机为中心，综合了语音处理、图像处理、视听等技术，它先将语音 信号、图像信号通过模数转换变成统一的数字信号，然后就可以让计算机进行存 储、加工、控制、编辑、变换，还可以查询和检索。为了便于加工和传输，有时 还要进行数据压缩，传到指定地点以后再解压还原。 语音系统是多媒体系统中的一个重要分支，国内许多厂家已经研制成功并推 出了各种各样的产品，但大多数是基于对模拟信号的处理。随着对语音教学对音 质的要求不断提高，模拟机逐渐不能满足需要，而且它开发周期较长、调试困难， 难与计算机等数字系统直接融合。数字机逐渐显示出了起自身的优势，抗干扰能 力强，数据传输可靠。开发周期较短，调试容易，便于计算机存储和处理但目前 国内市场上。但在国内能真正自己研制开发数字教学机的厂商也只有两三家，远 远不能满足市场的需求。所以，研制数字化语音系统成为一种必然趋势【2 j 。 1 1 2 研究的意义 多媒体技术、网络技术、数据库技术、虚拟现实技术等现代教育技术的飞速 发展，给课堂教学模式的改革提供了重要的技术支持。 多媒体教学的出现给课堂教学形式带来了新的革命性变化： ( 一) 多媒体教学的出现，赋予广大教师一个理想的多媒体工作平台【j 】。 优化教学设计：多媒体教学可以使教师方便地对教与学过程与资源进行优化 设计。教师在教学设计、教学准备的整个过程中可充分利用教学信息资源库，在 系统中进行检索、开发、整理、采集和制作教学多媒体课件，进行教学优化设计。 创建授课平台，优化教学环境：多媒体教学是教师在课堂上唯一的操作平台， 重庆大学硕士学位论文 通过它教师可以进行v o d 视频点播、使用各种教学软件、多媒体课件及军事训练 网上的任何教学资料：这样就使教师摆脱了传统的“粉笔+ 黑板”的传统授课方式， 教室里还省去了录像机、录音机、幻灯机和电视机等老式教学媒介。对于小型实 物、模型、图片、图表均可以通过多媒体教学转换成图像信号，并加以放大、缩 小等处理，快速、实时，直观地展示出来，省去了繁琐的幻灯、投影片的制作过 程。对需要继续使用的幻灯、投影教材，多媒体教学也可以继续使用。多媒体教 学创造了良好的课堂多媒体教学效果。 使教学效果最优化：多媒体教学在课堂上的应用，使课堂教学突破了时间、 空间、微观、宏观上的限制，它可以利用丰富的教学信息素材、影视资料、三维 动画甚至数学建模，把一些深奥抽象或现实中难以感知的知识点，变成个个生 动、形象的声像画面或模型，用富有人情味的方式传授给学生。克服了原来书本 讲述单调枯燥的缺点，内容丰富、形象生动的授课，使教学效果达到最优化。 ( 二) 多媒体教学可为建构主义理论指导下的教学实践提供良好的展示平台 4 - 5 1 。 在现代教育技术理论指导下，建构主义的学习理论越来越显示出它的先进性 和优越性。建构主义理论的核心思想是：整个教学过程中，在教师的组织、指导、 帮助和促进下学生可以利用情境、协作、会话和必要的学习资源和学习环境， 充分发挥自己在学习中的主动性、积极性和首创精神，最终达到有效地建构当前 所学知识的目的。在这种全新教学模式中，学生是主体，是中心，是知识意义的 主动建构者，而不是外部刺激的被动接受者；教师只是教学过程的组织者、指导 者、帮助者、促进者。 在传统教学环境下，建构主义理论在客观条件上受到限制，显示不出它的优 越性。多媒体教学的出现，结合丰富的教学信息资源库，能为教师应用新型教育 理论进行教学实践提供优越的条件。 教师为实现某个专题的教学，可结合特定学生群体的知识状况和认知特点， 充分利用教学信息资源库的丰富资源，设计出合理的学习情景，并利用多媒体教 学制作出相应的课件，在课堂上演讲。学生在这种合理的教学情境中，展开讨论， 可以达到积极建构知识目的。同时教师可以把需要学生预习或自学的课程放在网 上供学生们课下自由选择时间浏览，保证有足够的课堂时间进行建构式学习。学 生除充分发挥课堂讨论、情景式建构学习的优势，培养学生大胆想象、勇于发表 独特见解的好品质。这样即发挥了网络个别化的优势，又便于学生课下按照自己 的情况，安排自学内容和进度，锻炼了学生的自学能力，培养了良好的学习习惯。 优秀的授课老师应该充当学生们学习的组织者和激励者，和学生建立一种和 谐的关系，充分肯定他们的创造精神。让有发表独特见解的学生可以随时通过多 媒体教学，演播他的创举，也可以在网上路演他的自学报告( 多媒体形式、网页 形式或其他) 。所有这些，可以提高学生的表达能力、沟通能力、辩证思维能力， 2 1 绪论 其结果并将大大地激发学生学习探索的自信心和热情。 ( 三) 多媒体教学超文本功能可实现对教学信息最有效的组织与管理i 6 】 超文本( h y p e r t e x t ) 是按照人脑的联想思维方式非线性地组织管理信息的一种 先进技术。如果所管理的信息不仅是文字，而且还包含图形、图像、声音等其它 媒体信息，那就成为一个超媒体系统，换言之，超媒体就是多媒体加超文本。事 实上目前的绝大多数多媒体系统都是采用超文本方式对信息进行组织与管理。通 常也可以不区分超媒体系统和多媒体系统，把超文本视为多媒体系统的一种特有 功能。 如果按超文本方式组织一本书，就和传统的文件或印刷的书籍完全不同，超 文本方式的正文( 文章、段落、或一句话、一个词) 都按相互间的联系被组织成正文 网。这本书没有第一页和最后一页的区分，从哪段正文开始阅读，以及接着读什 么都由读者的意愿来决定。选择下一段正文的依据不是顺序，也不是索引，而是 正文之间的语义联系。认知心理学的研究表明，人类思维具有联想特征。人在阅 读或思考问题过程中经常由于联想从一个概念或主题转移到另一个相关的概念或 主题。这种组织管理信息的方式更符合人类的思维特点和阅读习惯。 超文本的结构特征决定了它上述优越性，超文本的基本结构由节点( n o d e ) 和链 ( 1 i n k ) 组成。节点用于存储各种信息，节点内容可以是文本、语音、图形、图像或 一段活动影像；节点大小可以是一个窗口，也可以是一帧或若干帧数据，链表示 各节点之间的关联。节点和链均有多种不同的类型。 利用多媒体的超文本功能实现对教学信息的组织与管理，其优越性在于： 1 ) 可按教学目标的要求，把包含不同媒体信息的各种教学内容组成一个有机 的整体。在传统的印刷教材中，有关语音和活动影象的内容无法与文字内容组成 一体化的教材，只能以教科书、录音带、录像带三者各自独立的形式，分别出版。 显然，传统教科书与以超文本方式组织的图、文、音、像并茂的电子教材不可同 目而语。 2 ) 按教学内容的要求，把包含不同教学要求的各种教学资料组成一个有机的 整体。教学过程的每个教学单元均包含课文、练习、习题、提问、测验、对测验 的解答及相应的演示或实验，把这些教学内容相关而教学要求不同的教学资料有 机地组织在一起，无疑对课堂教学、课外复习或自学都是有很大益处的。而按传 统文本方式来组织、管理教学内容绝不可能做到这一点。 3 1 可按学生的知识基础与水平把相关学科的预备知识及开阔视野所需要的 补充知识组成有机的整体。因材施教是优化教学过程的重要目标之一，但由于学 生个体之间差异很大，传统印刷教材很难同时满足基础较差学生、一般学生和优 秀学生，多媒体电子教科书却能轻而易举地做到这点，只要利用超文本功能设置 和预备知识有关的热键以及与补充知识有关的热键就可实现。 ( 四) 多媒体教学的出现为远程教学实践提供先进的技术平台1 7 1 3 重庆大学硕士学位论文 当前，远程教育又赋予了新时代使命，终身学习、终身教育已在全球得到共 识。多媒体教学作为技术平台即可实现网络远程课堂教学。它的数字视频会议功 能，可使在千里之外的学习者方便迅捷地通过计算机，随时选择加入学校里的实 时课堂学习。教师的音容笑貌、讲授指导近在眼前，学习效果显著。 通过多媒体教学，还可以实现跨教室、跨班级、跨院校、跨地域的实时的“大 课堂”教学，实现学习者的“地球村学校”。各个教学现场的场景，将被实时流畅 地交互在一起，从而实现大范围内的“大课堂”教学。实践证明，经验再丰富的 教师，也有不足的地方。只有集合多位教师的优点，互相启发、互相补充，让学 生在一个开放的环境中与各位师长“面对面”交流。更能取得良好的教学效果。 另外，生活在各个不同地域的学生也可通过“大课堂”互相交流提高。他们的学 习兴趣、思维灵感和创新欲望将被大大激发。这种“大课堂”的教学模式将能有 效地提高我国创新型人才培养的数量和质量。 1 - 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 研究现状 1 ) 语音信号传输，从传输方式讲分为模拟信号传输和数字信号传输，过去的 产品以模拟为主，现在逐渐向数字化发展：从传输途径上讲分为网络传输和交换 机传输，以这两种方式实现的产品在市场上都占又一定的份额。 2 ) 语音信号处理，主要实现对语音数据的压缩编码，通过算法实现。如g 7 2 9 语音压缩算法，这种算法是共轭结构的代数码激励线形预测( c s a c e l p ) ，是基于 c e l p 编码模型的算法。由于g 7 2 9 编译码器能够实现很高的语音质量( 长话音质) 和很低的算法延时，被广泛地应用于数据通信的各个领域，如i pp h o n e 和h 3 2 3 系统等。g 7 2 9 是在语音信号8 k h z 取样的基础上，1 6 位线性p c m 后进行编码， 压缩后数据速率为8 kb p s ，具有相当于1 6 ：1 的高压缩率m j 。 3 ) 语音识别，这也是当前的热点，也是一个难点，语音处理识别是利用计算 机对语音信号进行分析和综合，从而实现对人类语音的自动理解和处理的一门学 科，它是信息科学中一个十分活跃的研究领域。 目前，各种语音系统的研究中心问题就如何提高音质，而由此引起其他相关 问题的研究，如语音压缩算法的研究，语音传输电路屏蔽等。从理论研究到实际 设计等，语音系统有其广阔的发展空间。 1 2 2 发展趋势 多媒体技术在这几年有着飞速的发展，对于它未来的发展，专家提出了一些值 得参考的信息： ( 一) 多媒体技术与网络相结合 4 1 绪论 在2 0 世纪九十年代，信息技术突飞猛进，i n t e r n e t i n t r a n e t 席卷全球，人 类已经进入了一个数字化、网络化的新时代。随着各国加大对信息高速公路的建 设力度和推动各行业的信息化进程，随着我国政府上网、企业上网、家庭上网工 程的逐步展开，网络通道千家万户，实现足不出户，就可做任何事情，已经是指 日可待。 作为信息资源的聚宝盆和集散地，图书馆上网是必然的，而且是必须的。为 了适应社会发展的需要，各国图书馆都在寻求相适应的现代图书馆运作模式，增 强自己在网络社会的竞争力，更好地为社会和读者服务，成为未来社会的公共信 息中心和枢纽。 现代图书馆的建设可以分为几个阶段：图书馆的业务自动化管理建设；本单 位图书馆的数字化建设；联合图书馆的数字化建设。各图书馆可以根据本单位的 经济能力，分步骤、分阶段的进行实旄。目前大部分图书馆已经实现了第一个阶 段，正在建设第二个阶段。第三个阶段是图书馆的发展方向，是网络化社会的发 展要求，即所谓的数字图书馆。第一阶段和第二阶段是实现第三阶段的基础，如 果没有每个图书馆的自动化和数字化的基础，就不可能很好的实现网上的资源共 享，实现真正意义上的数字图书馆。 数字图书馆的建设从更广泛的意义上来说包括这三个阶段。它的目标是对图 书馆馆藏信息实现数字化管理，并且上网服务供读者随时随地查阅。它的主要特 点是：信息管理的数字化和自动化；服务的网络化和多样化：信息内容的广泛性， 如各种多媒体信息；信息存储和用户访问不受区域限制。 数字图书馆的特点之一是存储的信息的广泛性，除传统的书目等二次文献， 还有全文、图片、声音、动画、电影、图像等各种多媒体数据。通过建立一套通 用标准的标引方法，可以在网上建立各种多媒体数据库，实现资源的共享。易宝 北信公司结合关系型数据库和文档型数据库的各自优势，采用面向对象跨平台的 j a v a 技术和组件化可伸缩的三层结构的软件系统构造方法，作为i b m 数据库及其 开发工具的增值软件开发商( 如d b 2 、w e b s p h e r e 、d i g i t a ll i b r a r y 等) ，可以 在多媒体数据库建设方面提供灵活的应用服务。针对多媒体数据库数据量大的特 点，在多媒体数据库建设中将充分利用易宝北信公司全文检索的强大检索能力， 在网上快速方便准确地获取多媒体资料，从而提供多媒体服务。 ( 二) 多媒体技术与仿真技术相结合i 1 多媒体技术和仿真技术结合可以产生一种强烈的幻觉，使得置身其中的人全 身心地投入到当前的虚拟世界中，并对其真实性丝毫不产生怀疑，通常把这种技 术称之为“虚拟现实”( v i r t u a l r e a l i t y ，简称v r ) 。换句话说，虚拟现实是由多媒体技 术与仿真技术相结合而产生的一种交互式人工世界，在这个人工世界中，有一种 身临其境的完全真实的感觉。要进入虚拟现实的环境通常需要戴上一个特殊的头 盔( h e a dm o u n t e dd i s p l a y ) ，他可以使你看到并感觉到计算机所产生的整个人工世 5 重庆大学硕士学1 _ 寺：论文 界。为了和虚拟环境进行交互，还需要戴上- - n 数据手套一它使穿戴者不仅能感 知而且能操作虚拟世界中的各种对象。 由于设备昂贵，目前v r 技术还主要应用于少数高难度的军事和医疗模拟训 练，以及一些研究部门。但是在教育与训练领域，v r 技术有不可替代的、非常令 人鼓舞的应用前景，所以，这一发展趋势也应引起我们的注意。例如，达特茅斯 医学院所开发的一种“交互式多媒体虚拟现实系统”，可以使医务工作者体验到并学 习到如何对各种战地医疗的实际情况做出反应。利用该系统，实习者可以感受到 由计算机仿真所产生的各种伤病员的危险症状，还可以从系统中选择某种操作规 程对当前的伤病情况进行处理并可立即看到这种处理方式所产生的后果。为了使 实习者获得更深刻的体验，系统还可以仿真各种外科手术，包括一般的开刀，甚 至复杂的人体器官替换。这种虚拟环境使医学院的大学生不必冒任何医疗事故的 风险就可以反复地熟悉病房中的各种实际操作，并可尝试选择不同的技术处理方 案以检验自己的判断是否正确。 v r 技术在教育中应用的另一个例子是创建一种虚拟的物理实验室。物理学按 其本身的性质提出了许多“如果会怎样”的问题，这些问题最好通过直接观察物理 作用力对各种客体的作用效果来进行探索。休斯顿大学和n a s a ( 美国国家航空和 宇航局1 约翰逊空间中心的研究人员建造了一种称之为“虚拟物理实验室”的系统， 利用该系统可以直观地研究重力、惯性这类物理现象。使用该系统的学生可以做 包括万有引力定律在内的各种实验，可以控制、观察由于改变重力的大小、方向 所产生的种种现象，以及对加速度的影响。这样，学生就可以获得第一手的感性 材料r 直接经验) ，从而达到对物理概念和物理定律的深刻理鳃。 v r 技术在化学教学中也取得了显著效果。北卡罗莱纳大学的科学家们已经研 制了一种可以让用户用手操纵分子运动的v r 系统。用户戴上头盔并通过数据手套 进行反馈控制，可以使分子按某种方式结合在一起。不难看出，这种v r 系统不仅 在教学上有重要意义( 例如可直接观察到蛋白质的分子结构) ，而且在科学研究上也 有重大的价值，因为按某种新方式结合在一起的分子结构很有可能是治疗某种疾 病的新药，或者是工业上所需要的某种特殊材料。 随着对多媒体技术和仿真技术研究的深入，实现“虚拟现实”的理论方法也有很 大发展。原来应用v r 离不开昂贵的专用硬件或辅助设备( 如头盔、数据手套、高 分辨率的图形工作站等) ，近年来这种情况开始有所改变。例如在今年6 月召开的 e d m e d i a 世界大会上，出现了一种全新的称作“q t v r ”( 快速虚拟) 的系统。这种 系统已实际应用于学习城市的设计与规划，其优异的性能价格比令人惊叹! q t v r 技术与普通v r 技术在使用的仿真原理上有很大不同：它不是利用头盔和数据手套 这类硬件来产生幻觉，而是使用3 6 0 度全景摄影技术所拍摄的高质量图象来生成 逼真的虚拟情景。因此它允许用户在w i n d o w s 操作系统或是m a c i n t o s h 微机的操 1 绪论 作系统支持下，在普通微机上( 无需用高档的图形工作站) 只利用一只鼠标和一个键 盘( 无需戴头盔和数据手套) 就能真实地感受到和v r 技术中一样的虚拟情景。 学习城市设计与规划的学生利用q t v r 系统可以创建一座逼真的虚拟城市， 当学生改变城市场景的视图时( 例如向左或向右，朝上看或朝下看，摄像机头向目 标移近或移远等) ，被观察的场景仍能正确保持并能使人产生环绕该城市浏览观光 的真实幻觉。与此同时，城市中的各种物理实体( 如建筑物、道路、桥梁、树木、 交通工具和地形等等) 可以用鼠标任意拾取并进行操纵( 例如使其旋转，以便从不同 角度进行观察，并且还可以进入到建筑物内部的各个房间去观看) 。 更令人难以置信的是，由于采用了先进的图象压缩算法，在q t v r 系统中， 用来表征城市某个虚拟场景的3 6 0 度高质量全景照片的存储容量竟只有5 5 0 k 字节 左右。 显然，q t v r 对于学习城市设计与规划的学生是非常适宜的，甚至对于实际 的城市设计与规划人员也是非常实用的，因为它可以使学生或设计人员随时改变 城市的布局并立即感受到新布局所产生的效果，从而对设计或规划及时作出修改 或补充。显然按这种方式设计与按传统的图纸设计或按c a d 设计，其效率和质量 将有天壤之别。 q t v r 的重要意义在于，它开辟了多媒体技术与仿真技术结合的新途径，为“虚 拟现实”技术的大众化铺平了道路。从此，v r 技术将有可能走出高级研究院与大 学的“象牙之塔”，以优质价廉的全新面貌逐步普及到各个教育领域，甚至进入中小 学课堂。 ( 三) ：多媒体技术与教育体系相结合l 近十年来，科学技术的突飞猛进为人类社会带来了一系列的深刻变革。知识 经济初露端倪，信息化浪潮波及到了世界的每一个角落。信息通信技术的发展和 互联网的广泛应用，正在改变着人类的生产方式、生活方式、交往方式、学习方 式和教育方式。 社会经济的发展对人的素质提出了更高的要求，同时也对高等教育的发展产 生了深远的影响。培养掌握高新技术的创新人才，建设终身学习体系是2 1 世纪高 等教育发展的方向。在信息化社会中，利用信息技术手段提高高等教育机构的运 行效率，扩大受教育人群范围，探索新的教学模式，已成为世界各国高等教育改 革与发展的重要组成部分。 从信息技术的资金投入上看，1 9 9 0 年美国约4 9 的学校是一次性投资购买 计算机，没有考虑计算机设备更新的问题。到2 0 0 1 年，这一比例已经降到了1 5 。 比较而言，制订信息技术财务计划的学校从1 9 9 0 年的约1 5 增长为2 0 0 1 年的约 5 4 。这说明大多数的高等院校已经认识到计算机设备更新非常快，已经制订了相 应的财务计划，按照设备的生命周期及时更换新的设备。 7 重庆大学硕士学位论文 从1 9 9 9 年到2 0 0 1 年连续三年的调查中发现，“信息技术与教学的结合”被列为 高等教育信息化面临的最大难题。c a s e yg r e e n 博士分析认为，一方面，教师在教 学过程中采用信息技术往往会成倍地增加工作量，而现有学校的人事政策还无法 对这种劳动给予合理的评价和奖励；另一方面，信息技术与教学的结合涉及到教 学模式的改变和对学生学习效果的评价，大量的研究表明使用信息技术和不使用 信息技术的教学效果“无明显差异”；但是这个结论是基于考试成绩得出的，已受到 学者的质疑，得到大家认可的新的评价标准尚未出现。 在日本，人们普遍认为多媒体技术能为高等教育带来巨大的变革。但到目前 为止，多媒体技术究竟为大学带来了哪些实质性的变化? 高等教育多媒体化的效 果如何? 在实施的过程中出现了什么样的问题? 为了回答这些问题，日本国立东 京大学多媒体教育研究所( n a t i o n a li n s t i t u t eo f m u l t i m e d i ae d u e a t o n ) 从1 9 9 9 年起 开始进行国内高等学校多媒体应用现状的调查。在这次国际研讨会上，日本国立 多媒体教育研究所的a y a y o s h i d a 博士为我们报告了日本2 0 0 0 年的调查结果。 目前，日本的大学校园网都已接入了国际互联网。大约6 4 的学校为全体教 职员提供了网络帐号，6 6 的学校为管理人员提供了网络帐号，6 1 的学校为本科 生提供了网络帐号，4 8 的学校为研究生提供网络帐号。加上按照用户要求建立网 络帐号的比例，总的来说有9 0 的学校为教师和学生提供了网络帐号。在日本， 有7 4 的学校为教师提供了个人电脑，其中为学生提供电脑的比例本科生为6 4 ， 研究生为1 5 2 。日本很多学生有自己的个人电脑。 调查显示：在日本，高等教育多媒体化的主要的目的居于前三位的：一是提 高教学效果。与此类似的选择还有“激励学生更好地学习”和“采用最新技术教学”。 很多人认为，采用最新技术可以吸引学生，提高学生学习兴趣，从而提高学习效 果。二是宣传作用，提高学校的知名度。三是进行课程改革，培养适合社会发展 需要的新型人才。 但是在对教师的调查中显示，日本大学教学中最常用的技术排在第一位的是 电子邮件( 4 4 8 ) ，其主要用于行政方面的联系，如发送课程的安排，通知日程 的变化等。其它排在前列的依次为投影仪( 4 2 2 ) 、录音机( 2 5 8 ) 和录像带 ( 2 5 1 ) 。这表明，在教学中发挥作用的仍是“老”技术，而非想象中的新技术。 香港大学在教育多媒体化方面做了大量的工作。1 9 9 7 年开始，香港大学与i b m 合作开展了“校园笔记本”计划。这项计划的主要内容是为新生提供优惠的笔记本电 脑，大约有9 ，0 0 0 名新生购买了i b m 笔记本电脑。香港大学计算中心建设了a c e n e t 即插即用的网络，在学校设立了1 0 ，0 0 0 个接口，并将这些接口分布在学校的各 处，参加“校园笔记本”计划的学生可以随时随地使用笔记本电脑进行学习。报告人 认为，这项计划取得了显著的效果。 其次，香港大学对毕业主提出了多媒体技术技能方面的要求，所有的毕业生 都必须达到一定的多媒体技术水平。多媒体技术培训由学校计算中心和计算机科 l 绪论 学和多媒体系统系等部门负责，同时很多系的教师也开设了与专业相结合的计算 机课程。除此，香港大学教学发展基金的7 0 是用来资助包含有多媒体技术内容 的项目，结果开发出了很多可以用于教学的电子学习资源。 近年来，香港大学购买了w e b c y 作为网络教学平台，以发展校内的网上教学。 学校计算机协会还开展了对一的技术辅导活动，为教师和学生提供相关的技术 支持。与此同时，学校还研发了一批基于多媒体技术的教学项目，如生物系的“虚 拟生物多样化学校”和英语系的“虚拟英语中心”等。 从阻上调查可以了解到，各个发达国家为了，要想提高一个地区乃至一个国 家的整体教育水平，就必须融入多媒体技术，应该说在目前对于我国来说，多媒 体技术不是“s o l u t i o n 而是 p r o b l e m 。那种认为只要使用了网络多媒体技术，就可 以解决目前中国高等教育资源短缺状况的看法和做法都是错误的。解决高等教育 改革和发展问题的主角是人，作为解决问题的主角，我们对高等教育多媒体化带 来的教学模式的创新、评价体系的变化、管理制度的改革和教育结构的调整要始 终保持清醒的认识。 1 3 本论文的研究内容 我们与风华现代教育设备有限公司共同合作开发了数字语音系统，其主要功 能有；课堂教学、课堂考试、自主学习等，本论文主要就以下几个方面进行论述： 1 ) 系统方案设计 方案的设计在整个设计过程中占有重要地位，一个方案好坏往往决定了整个 项目的成功与否。我们首先对课题组成员进行合理分工，分别作好前期的资料搜 集工作，对系统设计所需要的达到的指标进行研究，拟出初步的方案，经过讨论， 对方案进行完善，拟定出最后的设计方案。对于系统所需要的一些芯片，诸如语 音芯片，c p l d 芯片进行选择。 对整个工作进行细化，将系统分为计算机上位机及管理子系统、计算机适配 卡、主交换机、次交换机、学生终端子系统几个相对比较独立的部分，由课题组 人员分工共同研制。我将负责其中的计算机适配卡和交换机部分。 2 ) 交换机设计 交换机部分由主交换机和次交换机组成，它实际上是主机和学生终端之i 可建立 一个信息通道。数据从上位机发出通过并行数据进入接口板卡，通过他转化为串 行数据，在数据线中以差分状态进行传输，到了交换机，通过交换机的处理，将 这些串行数据转化为6 4 路数据，分别传送给6 4 个终端，同理，从终端传出的数 据又在交换机中进行逆处理传送给上位机。交换机中用来处理数据用到的是c p l d 芯片，它要做的工作就是将从上位机发出的数据进行变频、分配，或者将从学生 终端发出的数据进行变频、组合“。 本文从软件设计和硬件设计两个方面进行介绍，在c p l d 内部软件编程中，我 9 重庆大学硕十学位论文 们用到了数字锁相环技术来产生同步位时钟，数据传输中又用到了串行异步传输 方式和同步传输方式，对引入的干扰要进行滤波处理：算法方面，用到了a 律对 数据进行语音压缩；而在硬件设计方面我们同时用到了m c u 和c p l dj 薛片，电路 设计中考虑到电磁兼容的问题。 3 ) 计算机适配卡设计 p c i 卡实现的功能时与上位机接口，作为学生与老师进行数据交换的纽带，这 样在p c i 的设计也成为了整个系统性能提升的瓶颈，在下位机，可以把各项指标 做得很高，如语音数据，可以选择高质量得语音芯片，采用高采样率。但p c i 卡 承担了整个系统得数据流量，只有提高了p c i 卡速度，才能提高系统的性能。 我们的系统采用了凌华公司的p c i 7 3 0 0 卡作为与上位机的连接，通过下位机 的硬件设计对它的工作进行控制。本文重点讲述对p c i 卡的控制。 l o 2 数字化语音系统方案设计 2 数字化语音系统方案设计 2 1 概述 本章节，我分别从系统组成结构，可行性分析，高密度可编程器件( c p l d ) 介绍三个方面入手，将整个系统的设计做个大体的介绍，使得读者对系统实现功 能，设计方案的选择，实现功能的途径有一个整体的概念。 2 2 系统组成结构 整个系统由p c 机，p c i 适配卡，主交换机，分交换机，学生终端五部分组成 整个系统框图如2 1 所示： p c 机 j 王 l p c i i i 适配卡i 王 主交换机 图2 1 数字语音系统结构框图 f i 9 2 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f t h ed i g i t a la u d i os y s t e m 。 本系统由学生终端机、次交换机、主交换机、计算机接口板、上位机程序组成。 学生终端机由语音部分和液晶显示、键盘两部分组成，它相当于一个老师与 学生交流的窗口，老师的教学资料传到学生终端机，学生可以通过液晶屏收到文 本资料，也可以通过耳机收到语音数据。语音部分主要围绕选定的语音芯片设计， 包括声音的录放模拟电路、语音芯片、可编程逻辑器件和单片机。模拟电路和语 重庆大学硕士学位论文 音芯片完成语音的录放、模数转换、数模转换，可编程逻辑器件做语音芯片所需 的逻辑电路和时序电路，单片机实现与次交换机的语音数据交互、码制转换、语 音信号叠加等功能。液晶、键盘部分由液晶板、键盘、存储器和单片机组成，需 要做的工作有键盘的控制、与次交换机通讯、数据的存储和读写、液晶板的显示 控制。 交换机部分由主交换机和次交换机组成，它实际上是主机和学生终端之间建 立一个信息通道。数据从上位机发出通过并行数据进入接口板卡，通过他转化为 串行数据，在数据线中以差分状态进行传输，到了交换机，通过交换机的处理， 将这些串行数据转化为6 4 路数据，分别传送给6 4 个终端，同理，从终端传出的 数据又在交换机中进行逆处理传送给上位机。交换机中用来处理数据用到的是 c p l d 芯片，它要做的工作就是将从上位机发出的数据进行交频、分配，或者将从 学生终端发出的数据进行变频、组合。在c p l d 内部软件编程中，我们用到了数 字锁相环技术来产生同步位时钟，数据传输中用到了串行异步传输方式和同步传 输方式，而在电路板设计方面又必须考虑到电磁兼容的问题。 计算机接口板，我们采用的是p c i 接口。在设计中我们通过指标要求计算出 接口所需要达到的传输速率，我们最先采用的是i s a 接口，它的速率达到1 6 m b p s ， 它的优点是设计简单。开发周期短，但目前的p c 机基本上已经淘汰了i s a 接口， 所以我们采用了凌华公司的p c i 7 3 0 0 板卡，它是款超高速p c i 接口卡，最大传 输速率达到8 0 m b ，对于我们设计又很大的余量，同时更具有普及性产品更具有市 场竞争力【1 3 】。 对于上位机部分，我们用v c 语言进行开发，它是相对针对教师设计的管理窗 口，它所要实现的功能是对整个系统中的数据进行调度，教师可以通过他实现对 学生的管理。另外就是驱动程序的开发，实现的是将接受的到的数据向上或者向 下分配，整个上位机软件设计开发难度较大，实现功能较多，开发周期也较长。 2 3 可行性分析 1 数字化语音系统的性能的高低主要体现在单位时间内能够传输数据量的大 小，所以我们就从系统各个部分数据的传输速率对方案的可行性进行分析。 信号从学生终端子系统传到次交换机，经主交换机，再传到计算机适配卡， 数据量逐渐增大，故速度瓶颈的矛盾也主要体现在计算机适配卡上。系统中有6 4 个终端子系统，在计算机适配卡上的数据由学生终端子系统语音和文本、教师使 用语音三部分组成。在1 秒内，采集到计算机适配卡的最大数据量分别为： 学生终端子系统语音数据量：2 1 3 k 1 1 6 4 = 1 4 9 9 5 2 m b i t ； 学生终端子系统文本数据量：5 0 0 1 1 6 4 = 0 3 5 2 m b i t ； 教师使用语音数据量：2 1 3 k 1 l = 5 3 8 ，8 9 k b i t 。 合计：1 4 9 9 5 2 + 0 3 5 2 + 0 5 3 8 8 9 = 1 5 8 8 6 0 9 m b i t 。 2 数字化语音系统方案设计 当计算机适配卡采用p c i 卡时，适配卡与计算机上位机管理程序的数据交互 是双向的，且两边数据量相等，则p c i 卡上的数据总量为 1 5 8 8 6 0 9 2 = 3 1 7 7 2 1 8 m b i t ，即要求p c i 接口总线数据传输的最低波特率为 3 i 7 7 2 1 8m b p s 。而我们采用的高速p c i 卡的最高速率可以达到8 0 m b ，能满足数 据传输速率要求，说明该方案是可行的。 2 。4 高密度可编程器件( c p l d ) 介绍 因为本设计大量用到了c p l d 进行设计，所以我们对c p l d 作个简要的介绍。 从系统所需要的处理速度以及需要的逻辑单元考虑，我们选用了a l t e r a 公司的 a c e x l k 系列芯片。 2 4 1c p l d 的发展状况 纵观数字集成电路发展历程，数字逻辑器件通常分为三大类：一是通用的标 准数字集成电路，即由基本逻辑门和触发器构成的中小规模集成逻辑器件，如7 4 系列、4 0 0 0 系列；二是由软件组态的大规模集成器件，如微处理器、单片机等， 它们本身也只作为通用芯片，其特殊功能是通过用户用汇编语言或高级语言编写 程序而实现的，执行不同的软件可以实现不同的逻辑功能；另一类就是专用集成 电路a s i c ，即为某一数字系统专门设计的芯片。a s i c ( a p p l i c m i o ns p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t 。简写h s i c ) 3 己分为标准单：元( s t a n d a r dc e l l ) 、门阵列( g a t ea r r a y ) 和可编程逻辑器件( p l d - - p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 。从分类上看，可编程逻辑 器件是a s l c 的一个重要分支。p l