基于嵌入式处理器的数字化语音存储回放及GSM语音传输系统设计

第 2 9卷第 4期 2 0 1 0年 8月 河南理工大学学报 自然科学版 J OURN AL OF HEN AN P OL YT E CHNI C UNI VER S I T Y N AT URA L S C I E NC E V0 I 29 N0 4 Aug 2 01 0 基 于嵌人式处 理器 的数 字化语音存储 回放及 G S M语音传输系统设计 涂剑 鹏 何 尚平 南昌大学 科 学技术 学院 南 昌3 3 0 0 2 9 摘 要 语 音信 号处 理作 为信 息科 学 高科 技应 用领域 的热 点 大规模 集成 电路 和微 型计 算机 的 快 速推进 促 进 了此技 术 的发展 在 嵌 入 式技 术与通 信技 术 飞速 发展 的今 天 传统 的语 音 录 放 系统 因处理速度 慢 存储 容 量 小 音 效差 传 输距 离有 限等 受到 了 巨大挑 战 采 用先进 的 嵌入 式 处理技 术 实现 了数 字化语 音信 号 高速 处理 外扩 F L A S H存 储 器进行 大容 量 存储 与 回放 并 可通过 G S M 实时传 输 达到 实时远程 传 输 的 目的 具 有 电路 简单 可 靠性 高 功 耗 小 运 行稳 定 的特 点 本 系统主要 由嵌 入 式 处理 器 A R M 模 块 语 音调 理 采 集 电路 语 音 存储 模块 语 音 滤波放 大电路 人机 界 面和 G S M 语音 传 输模块 等构 成 关 键 词 嵌入 式 处理技 术 数 字化语 音 存储 与 回放 GS M 语 音 传输 中 图分 类 号 T P 3 文献标 识码 A 文章 编号 1 6 7 3 9 7 8 7 2 0 1 0 0 4 0 5 1 3 0 4 De s i g n o f t h e d i g i t a l a u d i o s t o r a g e a n d p l a y b a c k a n d t h e GS M a u d i o t r a n s mi s s i o n s y s t e m b a s e d o n e mb e d d e d p r o c e s s o r TU J i a n pe n g HE S ha n g p i n g C o l l e g e o f S c i e n c e T e c h n o l o g y N a n c h a n g U n iv e r s it y N a n c h a n g 3 3 0 0 2 9 C h i n a Abs t r a c t As a h o t t o pi c i n t he a pp l i c a t i o n f i e l d o f i n f o r ma t i o n s c i e n c e a n d h i g h t e c h t h e a u d i o s i g n a l p r o c e s s i n g i s p r o mo t e d b y t h e d e v e l o p me n t o f l a r g e s c a l e h i g h s p e e d i n t e g r a t e d c i r c ui t s a n d mi c r o c o mp u t e r W i t h t he r a pi d d e v e l o p me nt o f t h e e mb e d d e d t e c h no l o g y a n d t h e c o mmu n i c a t i o n t e c hn o l o g y t h e t r a d i t i o n a l a u d i o p l a y b a c k s y s t e m i s g r e a t l y c h a l l e n g e d d u e t o s l o w s p e e d s ma l l s t o r a g e c a p a c i t y p o o r s o u n d a n d l i mi t e d t r a n s mi s s i o n d i s t a n c e By us i n g a n a d v a n c e d e mb e d d e d pr o c e s s i n g t e c hn o l o g y t hi s d e s i g n a c h i e v e s h i g h s p e e d d i g i a l a u d i o s i g n a l p r o c e s s i n g e x p a n s i o n F LAS H me mo r y o u t s i d e t h e l a r g e c a p a c i t y s t o r a g e a nd p l a y ba c k a n d r e a l t i me r e mo t e t r a n s mi s s i o n wi t h GS M wh i c h h a s t h e s i mp l e c i r c ui t h i g h r e l i a b i l i t y s ma l l p o w e r c o n s ump t i o n a n d s t a b l e o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s T hi s s y s t e m i s ma i n l y c o mpo s e d o f t h e ARM e mb e d d e d pr o c e s s o r mo d ul e s a u d i o c o n d i t i o n i n g a c q ui s i t i o n c i r c u i t a u di o me mo ry mo d ul e s a u d i o fi l t e r a mp l i fie r c i r c u l t ma n ma c h i ne i n t e r f a c e a nd t he GS M a u di o t r a n s mi s s i o n mo d u l e Ke y wo r d s e mb e d d e d pr o c e s s i ng t e c hn o l o g y d i g i t a l a u d i o s t o r a g e a n d p l a y ba c k GS M a ud i o t r a n s mi s s i o n O 引 言 数 字语 音技 术 的应用 领域 十 分 广 泛 首 先 是 数 字 通信 系统 当通 过 数 字 通信 系统 传 送语 音 信 号 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 1 2 作者简介 涂剑鹏 1 9 8 2一 男 江西南 昌人 助理实验 师 从 事 自动化方面 的研究与教学工作 E ma i l t u j i a n p e n g l 9 8 2 y a h o o c o n e n 5 1 4 河南理工大学学报 自然科学版 2 0 1 0年第 2 9卷 时 语音数字化和通信技术就是必不可少的了 由于微型计算机技术 大规模集成电路和通信技术的 快 速发展 现在 的语音 系统有 了重 大 的飞跃 由传 统 的功能简单 的单 放机 复读机 录音笔 发展 到了 功能齐全 音效较好 容量大 传输距离远的现代语音存储回放与传输系统 诸如语音咨询与管理系 统 工业生产 部 门的语声 控制系统 电话 电信系统 的 自动 拨号 辅助控 制 与查 询 系统 等 并有 可能成 为下一 代操作 系统 和应用 程序 的用 户界面 语音技 术发展 到今天 可谓 已经相 当成熟 了 I 2 本 文对 数 字化语音 存储 回放 与传 输 系统 进行 了研究并 给出 了实现方 案 数字 化语音 存储 回放与传 输系统 的基本 原理是 对语音 的录音 与放音 的数字控 制和语音 远程传 输控制 其 中 关键 技术在 于 为了加快语 音处 理速度 提高语音采集精度和质量 采用了内置高速模数 数模转换的嵌入式处理器 为增加语音存 储时间 提高存储器的利用率 外扩了大容量存储器对语音信号进行存储 同时 对输入语音信号进 行 电路滤波 以抑制 杂音 和干扰 并 且选用 了 G S M 语 音传 输 技术 从 而确 保 了语 音存 储 回放 质量 和 传 输 的距离 1 系统总体组成 数字化语音存储 回放及 G S M语音传输系统的组成 I 3 大致有 以下几部分 模拟语音信号放大电 路 电平提升 电路 带通滤 波 电路 A D转 换 电路 D A转 换 电 路 以及 处 理 电路 存 储 电路 G S M 语 音模 块 系统 总体组 成如 图 1 所示 2 系 统 方 案匝 塑 匹 塑 堕 塑 习 翌网 2 1 主控制器的选择厂 一 一 一 三 至 堕 卜 臣 一 恒 采用 E a s y A R M 1 1 3 8 l4 开发板作为设计平台 其中 f 两 1 丽面丽 6 裹 蓍 制 片 L M 3 S 1 13 8 t sj3 2 A R M C orte x TM 一 用 了M 3 v7小M 应 暑 罕 图 图 化 的 位 一 架 构 它 采 用 了 更 Fi g Bl k 二 m 大的片 上存储器 增 强型 电源管理 和扩展 I O 以及 控制 功能 它具有 高性能 的 3 2位 运 算 能力 该 芯 片 内置 了 A D转 换模 块 节 省 了资 源并 能使 电路 简单 而且 它 以小 占位 面积 的封装形 式提供 其功能 强大 性 价 比高 2 2前置放 大及 带通滤 波器 采用运算 放大 器 L M3 2 4构成 简单放 大电路 语 音滤 波器是 一个 3 0 0 3 4 0 0 H z的带 通滤 波器 语 音滤 波器采用 集成 的语音 滤波器模 块 该 方式 电路结构 简单 易实现 性能 稳定效 果较好 2 3 A D转换模块 设计 采 用 L M 3 S 1 1 3 8芯 片内置 A D C模块进 行 A D转换 模数 转换 器 A D C 外 设用 于将连续 的模 拟电 压 转换成 离散 的数字量 该 A D C模 块 的转换 分辨率 为 l O位 并支 持 8个 输入通 道 以及一 个 内部 温 度 传感器 A D C模 块含 有一个 可编程 的序 列 发生 器 它可 在无 需 控制 器 干涉 的情 况下 对 多个 模 拟输 入源 进行采 样 每个采 样序列 均对完全 可配置 的输入 源 触发 事件 中断的产 生和序列 优先级 提供灵 活 的编程 2 4 D A转换及 带通 滤波模块 采用微 处理器 L M3 S 1 1 3 8的数 字 输 出来 对 模 拟 信 号 电 平进 行 数 字 编 码 的 方 法 进 行 数 模 转 换 P WM 的一个 优点是 从处理 器到被 控 系统 信号都 是数 字 形式 的 无需 进 行数 模 转换 让 信号 保 持为 数 字形式可将噪声影响降到最小 噪声只有在强到足以将逻辑 1 改变为逻辑 0或将逻辑 0改变为逻辑 1 时 也才能对数字信号产生影响 对噪声抵抗能力的增强是 P WM相对于模拟控制的另外一个优点 而且这也是在某些时候将 P WM用于通信的主要原因 从模拟信号转 向 P WM可以极大地延长通信距 离 在接收端 通过 R C电路滤除杂波并将信号还原为模拟形式 2 5后置 放大模块 设计 集成 功率放 大器 L M3 8 6是 专为低损 耗 电源所 设计 的功率 放 大器 它 的 内建 增益 为 2 0 通过 引脚 1 和引 脚 8位 问 电容 的搭配 增 益最 高可 达 2 0 0 L M3 8 6可使 用 电源 供应 电源 输 入 电压 范 围可 由 4 第 4期 涂剑鹏 等 基于嵌入式处理器 的数 字化语音存储 回放及 G S M 语音传输系统设计 5 1 5 l 2 V 不工 作 时消耗 4 mA电流 且失 真 低 作 为后 置 音频放 大模 块 2 6 G S M 语音传 输 模块 语音 通信 传输 是本 系统 的一 大 主要功 能 通信 电路 的选 择 和设计 方案 的直 接影 响语 音传输 的 质量 和范 围距离 语 音传 输技 术 多种 多样 如无 线 电发 射 蓝牙 红 外 I P C D MA等 本 系统 采用 先 进 的 G S M语 音 传输模 块 T C 3 5 T C 3 5是 S i e me n s 公 司推 出 的新 一 代无线 通 信 G S M模 块 可 以快 速安 全 可 靠地 实 现 系统 方 案 中的 数据 语音传输 短消息服务 S h o r t Me s s a g e S e r v i c e 和传真 主要 由 G S M基带处理器 G S M射频 模 块 供 电模块 A S I C 闪存 Z I F连 接 器 天 线接 口 6部 分 组 成 作 为 T C 3 5的 核 心 基 带 处 理 器 主要 处理 G S M 终端 内的语 音 数据 信号 并 涵 盖 了蜂 窝 射 频设 备 中的所 有 的模 拟 和数 字 功能 在 不 需要 额外 硬件 电路 的前 提 下 可 支持 F R H R和 E F R语 音 信 道 编码 T C 3 5模 块 的 原 理 如 图 2 所 示 图 2 T C 3 5模块原理 Fi g 2 TC35 mo du l e p r i n ci pl e T C 3 5的 G S M 基 带处理 器 内 因为集 成 了音 频滤 波 A D C D A C 语 音 合 成 等部 分 所 以模块 语 音 接 口的外 围 电路 连 接相 对 简单 T C 3 5有 2个语 音 接 口 每 个接 口均 有模 拟麦克 输入 和模 拟 耳 机输 出 为 了适合 不 同的外设 模 块 共有 6种语 音 模 式 可 通 过 指令 A T S N F S选 择 第 一 个 语 音 接 口的默 认 配置 为手 持话 筒 语 音 模式 为 1 默认 4 5 其 中模 式 1参 数 固定 第二 个 语 音接 口为 头 戴式 耳 机 和 麦克设 置 语音 模式 为 2 3 6 本 系统 选择 M I C麦 克风 模拟 输入 模 式 将 存 储 回放 的语 音 信号 经 扬 声 器播 放后 直接 输 入 麦 克 风 麦 克风 直接 接人 T C 3 5模 块 4 0针 引脚 的 3 7 3 8脚 为 了防止 从麦 克 风 导线 引 入 高频 干扰 影 响 T C 3 5的正 常运行 本 系统 在设 计 电路 时 在麦 克 风 的插 孔 处 都 接有 电感 此 外 考虑 到 静 电保 护 的 因素 所有语音信号输入端都通过电容与 G N D耦合 5 1 6 河南理工大学学报 自然科学版 2 0 1 0年第 2 9卷 3 系统硬件设计 系统采用 了 E a s y A R M1 1 3 8开 发板作 为开发 平 台 S S T 2 5 V F 0 3 2 8芯片扩 展 2 M 外部 F L A S H作 为 录 音数据 储存器 使得 存储数 据量 增大 即使 得 语音 存储 时间 达到 2 0 s以上 通 过 带通 滤波 电路对 输入 语音信 号进行放 大滤 波 以抑 制杂音 和干扰 从 而确保 了语音 回放可 靠质量 采用 键盘选 择工 作状态在 液晶上显 示 人 机界 面友好 可 实现 实时 放 音和 语音 回放 T C 3 5 G S M模 块 工作 电压 为 3 3 5 5 V 因此 T C 3 5 G S M模 块 可 以 直 接 连 接 E a s y A R MI 1 3 8的 内 置 串 口 E a s y A R M1 1 3 8在 本 系 统 中只 是 控 制 T C 3 5 G S M模 块进 行 手 机 拔 号 号码 通过 键盘设定 拔 号成 功后 即与 其它 手机 建立 了连接 将 存储 回放 的语音 信号 经扬声器 播放后 直接 输入 麦 口 风 通过 G S M 模 块 将 语 音 数 据 发 送 到其 它手机号 码上进 行 收听 实 际设 计 电路 时 麦 克风尽量 接近 和正对扬 声器 其主要硬 件如 图 3所示 4 软 件设 计 拾音器 MI C H 语音滤波器模块 H L M3 8 6前置放大 堕 巫 H J Ea s y AR M 1 1 3 8 I l 塑 且 里 网 F i g 3 F r a me w o r k o f t h e ma j o r h a r d wa r e 嵌人 式 处 理 器 E a s y A R M1 1 3 8通 过读 片置 A D 转换数 据 写数据存 储器 以及将数 据送人 片置 D A转换 器 录 音时 E a s y A R M1 1 3 8通 过定 时器 T 0控 制采样频 率 定 时将 A D转换数 据存 入 S S T 2 5 V F O 1 6 B 2 MS P高速存储 器 放 音时 通 过定 时器 T 1 控制 定 时地将数 据从数 据存储 器 中取 出送 往 D A转 换器 进行数 模转换 其 软件编写 较 简单 在此不 再详述 在 T C 3 5 G S M 模 块 语 音传 输 软 件设 计 上 E a s y A R M1 1 3 8在 本 系 统 中 只是 控 制 T C 3 5 G S M 模块进 行手机 拔号 T C 3 5 G S M 模块 主要 通过 A T指令 集进行 控制 E 8 拔号 指令格 式如下 A T D Ic 为 需要拨 的号码 如 呼叫 1 3 9 7 0 8 2 8 2 5 4 则 为 A T D l 3 9 7 0 8 2 8 2 5 4 注 意分号包 括在指 令 内 指令 以