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摘 要:数字语言学习系统随着计算机、网络、多媒体的发展越来越普及,为了实现其很好的教学效果,需要语音的传递实时性强,能实现语音的多点通信和分组通信。随着DSP技术的发展,将DSP技术运用到该数字语言学习系统,实现语音信息数字化和数字通信网络化,采取DMA读取硬盘的方式,使得该系统性能好,达到了实现全数字语言教学的目的。
关键词:DSP; 数字语言; 网络通信; 实时通信
中图分类号:TP334 文献标识码:A
文章编号: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
全数字语言学习系统(语音教室)在本专院校培养外语人才中广泛运用。本文主要设计了数字语言学习系统的语音通信过程,实现了教师端和某个学生端、教师端对一组学生端、分组的多个学生端、单个和单个学生端间的实时交流通话。
随着计算机技术、网络通信技术、多媒体技术的发展和普及,语音通信系统也从传统的模拟电路产品发展成为全数字化产品,改进了传统语言学习系统的不足。在结构设计上,本系统的数据传输是建立在计算机网络的IT技术之上,结构由复杂变得简单,功能由单一变得齐全,更重要的是在语音通信中不仅保证传输的实时性,而且抗干扰能力强、失真小、清晰、音质音色好。该系统的设计主要结合现代高端DSP技术,保证系统的稳定和通信的实时可靠。
1 数字语言学习系统的设计
1.1 系统功能
数字语言学习系统所应有的功能如下:一是能对教师端或学生端发出的语音信号进行采集和播放;二是该系统具备数字录音和点播重放的功能,需要对语音信号进行存储,由外设的FLASH存储器来完成;三是在整个教室的局域网系统中,语音的传输要通过DSP的ISA总线平台来进行网络化的传输。
为了实现上述功能,在技术上必须实现语音信息的数字化和数字通信网络[1],语音的数字化指对从麦克风发出的语音信号进行放大、滤波后通过ADC采样转化成数字信号,然后由DSP芯片对数字信号进行纠错、压缩成语音压缩包,按照MPEG标准对语音进行编码,最后通过解码,解压缩,DAC转换成模拟语音信号,通过功放放大后输出给终端的接收部分。数字通信的网络化是指局域网中的多台学生计算机通过计算机网络技术,将传统语音通信中的控制线路和模拟线路改进为单一的数字线路。在这个网络语音通信中,学生机也采用PC机的声卡和网卡,基于DSP的ISA总线平台,通过网卡直接编程实现DSP与声卡、网卡的接口连接,构建了DSP的以太网,通过DSP接收和发送以太网的数据,通过标准的网络协议实现网络数据的交换。
1.2 数字语言学习系统的结构图
系统硬件主要包括网络交换机、教师机、服务器、语音控制器、学生终端[2],系统结构框图如图1所示。中央控制器是插在计算机里的一块 ISA总线适配卡,它是这个系统的核心,它与交换机和语音控制器相连接,采用时分多址的策略对整个网络进行管理,同时控制所有语音信息通信的切换和处理。一方面中央控制器将PC机发出的语音和控制信号通过以太网传传递给学生端,另一方面又对学生端发出的信号进行分析处理,然后发终端信号给PC机,在该系统中以太网数据包中包含有源地址和目的地址,每个学生端网卡的IP地址是惟一的,方便教师端对学生端的控制。
图1 数字语言学习系统的结构图
2 数字语音通信的DSP平台设计
2.1 数字语言通信的DSP平台硬件图
该数字语音学习系统的语音通信平台由数字处理器DSP作为核心部分,通过语音采集与编解码模块TLV320AIC23实现语音的采集与传输,由以太网控制器实现该系统通过网卡、声卡在网络上传输语音数据,由DMA控制器直接读取硬盘数据,其硬件结构图如图2所示。
图2 数字语言通信的DSP平台
2.2 数字信号处理器TMS320VC5416
DSP作为一种专用的数字信号处理器[3],是一种可编程的微处理器,对语言和图像有强大的处理功能,运算速度快,接口灵活,能实时、快速实现各种数字信号处理算法。在数字语言学习系统中DSP选用TI公司TMS320VC5416芯片,对语音压缩编码运算能力达到50 MIPS,数据、程序的存储空间大,对语音输入/输出、信码输入/输出提供双向串口。为保证语音质量,语音压缩编码技术采用ITU-T制定为低速率编解码算法G.729标准,即CS-ACELP 算法。它实现了8 Kb/s的码率,能实现DSP对编解码的处理。
2.3 语音采集与编解码(CODEC)模块TLV320AIC23
音频芯片采用一块可编程的芯片TLV320AIC23[4],AIC23是通过数字控制口将芯片的控制字写入AIC23内部的寄存器。音频控制口与DSP的通信主要由多通道缓冲串行口McBSP1来实现,支持立体声或MIC两输入方式和立体声输出。TLV320AIC23的模数转换(ADCs)和数模转换(DACs)部件高度集成在芯片内部,采用了先进的Sigma-Delta过采样技术,可以在8~96 kHz的频率范围内提供16 b,20 b,24 b和32 b的采样。语音控制器的控制接口为标准的RS 232接口,TLV320AIC23与TMS320VC5416的接口电路图如图3所示。
图3 TLV320AIC23与TMS320VC5416
的接口电路图
2.4 DMA控制器,HPI的配置
在数字语言学习系统中,DMA[5]在对声卡进行控制和访问时,需要实现DSP对DMA功能的扩展,通过ISA总线兼容声卡、网卡的硬件结构,为了有效地采集信号、播放语音,对声卡、语音网卡采用中断和DMA控制方式,结合DSP使用HOLD操作进行,直接读取硬盘数据,DMA控制器可以不需要CPU介入而直接在内部存储器,外部存储器和芯片上外设之间传递数据,当操作完成后,DMA控制器可以向CPU发出中断,同时DMA有一个辅助端口用于HPI 和存储器间传递数据。
2.5 以太网控制器
该系统的交换机采用先进的芯片作为以太网控制器[6],简化了系统的线缆连接,解决了语音通信的堵塞问题,以太网控制器采用台湾Realtek生产的RTL8019AS,内置16 KB的SRAM,用于收发缓冲、半双工通信,达到10 Mb/s,与主机采用PnP接口模式。在DSP接收和发送以太网数据时,选择联合体作为DSP接收和发送以太网数据包的缓冲区,使得在各层协议间的数据传输,实质上是数据指针在传递而不是数据拷贝传递。该控制器实现该系统通过网卡、声卡在网络上传输语音数据,通过DSP对声卡直接操作实现语音的录放控制。
2.6 DSP的存储器扩展
为了防止TMS320C5416在断电程序和数据的丢失,需要用配置容量为(512K×16)b FLASH和(256K×16)b SRAM将程序和数据存储起来,在系统恢复电位后,将外部FLASH中的程序搬移到DSP内部的程序存储空间中,同时也通过 FLASH存储器[7]进行语音数据的存储。
3 语音的网络传输
3.1 传输方式
传输控制协议TCP[8]和用户数据报协议UDP这两种传输协议都是在IP协议上完成的。TCP协议需要在教师端和学生端间建立直接的通信通道, 采用存储转发式的非实时方式。而语言学习系统的语音通信要求实时性强,UDP作为一种底层的传输协议, 是无连接的数据报传输,不需要建立通信通道,直接把数据送到接收端,且提供复用机制的能力,可以迅速地实现该系统的实时通信。
3.2 传输协议
RTP/RTCP协议,是由实时传输协议(RTP)及其控制协议(RTCP)组成,控制数据的拥塞和流量。在数字语言学习系统中,RTP和RTCP配合使传输效率最佳化。实时传输协议是一种应用型的传输层协议,通过UDP协议对语音数据进行单播或者多播,实现通过学习系统的语音间通信。
3.3 IP组播
IP组播(IP Multicast)[9]是一种点到多点的通信方式,包括3种IP数据通信方式:点对点通信、全网广播和居于以上两者之间IP多播。能实现源IP主机教师端向指定IP的某个学生端间进行通信;源IP主机教师端向一个网络段中所有IP的学生机组间进行通信;更重要的是IP多播通过使用一个特殊的IP地址组作为组播地址,并对这个组进行命名,这个地址也同时惟一地表示了一个多点广播组,在这里,源主机能够向 IP 网络上的任何一组IP地址组发送IP信息包,实现了IP分组语音通信[9]。
4 结 语
通过先进的数字信号处理器结合现代通信基本协议实现了数字语言学习系统的语音传输的实时性,采取DMA读取硬盘的方式,实现了多点语音传输和分组语音传输,满足了现代教学的需要,解决了在通信中语音信息数字化和数字通信网络化,使得该系统有效运行。
参考文献
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