隨著數字信號處理芯片(DSP)的發展，語音編解碼技術日益廣泛地應用于軍事、民用和監控等領域。就語音監錄器而言，它可應用于運輸、公安、消防、電話服務質量監督等諸多領域。1999年9月，鐵道部公布了《鐵路運輸數字通訊記錄儀技術條件》，對鐵路運輸部門行車作業、調度指揮中使用的通話語音記錄儀器的功能、技術要求、測量方法、檢驗規則等做出了詳細規定。本文所介紹的系統符合其各項規定，通過了鐵道部的鑒定，現正在推廣與完善之中。
1 系統功能
· 采用FLASH半導體存儲器，制成可插拔的卡式結構，存儲容量可變。系統為雙通道雙卡式結構，目前設計的單卡可存儲多達14小時的語音。系統也可在單卡狀態下工作。
· 用戶界面為鍵盤和液晶顯示屏，包括時間顯示和各功能操作的狀態顯示。
· 系統接在通訊線路上，即處于監聽錄音方式。當線上有語音傳輸時，系統即啟動錄音操作，并同時記錄該語音的出現時間。用戶可以對所錄語音進行監聽，確保語音已錄制在存儲卡上。錄音過程循環進行，如果不將卡取出，系統將用最新的語音數據覆蓋最老的數據，從而保證最新數小時的語音記錄。錄音屬于系統后臺操作。
· 用戶可以進行放音、循環放音、快進、快退、按錄音時間查找等操作，還可以獲知每條語音的時間長度。這些功能受密碼保護，為系統前臺操作。
· 前臺操作可以在兩個存儲卡之間切換，而后臺操作則獨立運行，不受前臺操作影響，僅取決于線上是否有語音出現。也就是說，放音、監聽、檢索等操作均不影響錄音，可以錄放音雙工同時工作。
2 系統整體模塊設計
如圖1所示，整個系統可分為FLASH存儲卡、信號處理、信號輸入輸出、系統控制和電源管理等五個功能單元。
2.1 FLASH存儲卡
韓國三星(SAMSUNG)半導體公司的大容量存儲器具有很高的性能價格比，本系統選用三星的64兆位FLASH存儲芯片KM29U64000來存儲語音數據。該芯片工作在2.7~3.6V電壓下，其命令、地址、數據線復用，8位寬度傳輸。可重復擦寫一百萬次，掉電后數據存儲時間為10年。該芯片在5.3kb/s的碼率下可存儲3.5小時以上的語音，因而在采用4枚該芯片的存儲卡上，可以記錄多達14小時的語音信息。
2.2 信號處理單元
本單元包括數字信號處理器(DSP)、編解碼器(CODEC)和一些控制器件。
DSP部分采用ANALOG DEVICES公司生產的16位定點數字信號處理器ADSP2181，這是本系統進行信號處理的核心芯片，它具有以下特點：
· 運算速度33MIPS，適合高質量中低速率語音編碼算法的運算速度要求；
· 片內含80K Byte RAM，分為48K Byte的程序RAM及32K Byte的數據RAM；
· 兩路獨立可編程全雙工串行通信接口，支持A律/μ律的硬件解壓擴，支持自動緩沖區操作。這兩個串行口在本系統中分別用來收發語音數據和與單片機通信；
· 4M Byte的外部尋址空間；
· 支持內外存之間的DMA操作，用于存儲DSP程序、算法和數據；
· 13個可編程的I/O口，用于與單片機通信和可編程邏輯器件的控制。
DSP在系統中的主要作用是：(1)管理存儲卡中的數據。由于要求系統的錄音時間較長、數據較多，所以每一存儲頁采用了相同的數據結構，將語音數據和時鐘數據混合存儲。存儲方式是順序的，循環覆蓋的。(2)錄音。隨時監聽線路，進行語音編碼，并將壓縮后數據實時存入FLASH芯片。本系統采用了根據ITU-T標準G.723改進的語音編碼算法，壓縮碼率達到5.3Kb/s，具有出色的語音質量。(3)放音。根據單片機命令進行語音解碼。(4)語音搜索。包括按語音段跳轉、按3秒長的時間段跳轉和按用戶輸入的時間查找三個功能。
DSP是本系統的核心處理芯片，由于錄音是后臺操作，要求在放音時不中斷錄音，所以編解碼過程是雙工的；此外，由于存儲的數據較多，如果采用普通的順序查找方式，搜索過程所耗費的時間可能會以秒計，所以程序采用了二分法，以提高搜索效率。
與ADSP2181配套使用的CODEC(PCM編解碼器)是MOTOROLA公司的MC145480。該芯片可實現語音信號的A/D轉換、D/A轉換和A律、μ律壓擴，內置R-C濾波器可有效濾除輸入和輸出信號的帶外噪聲。可以同ADSP2181配合使用的CODEC很多，性能也沒有太大差異，所以這里在芯片選擇上并沒有特殊的考慮。
2.3 信號輸入輸出單元
本單元為全模擬電路，完成輸入信號的混合、增益控制以及輸出信號的放大功能。當系統被配置成雙卡雙通道機型時，每通道可接入增益不同的兩路信號；當配置成單卡單通道機型時，可接入四路信號。除此以外，還有一路話筒輸入，主要用作系統測試。系統對兩個通道的接入信號都設有自動增益控制，控制范圍可達15dB。在該范圍內，電路可將輸入信號調整到最適合CODEC工作的幅度，從而使DSP的編碼達到最佳效果。輸出電路相對比較簡單，兩路CODEC的模擬輸出信號經功率放大器后驅動揚聲器工作。
為了適應鐵路部門具有不同增益的信號通道，同時盡量減小DSP的編解碼對語音質量的損失，需要性能優良的模擬電路。本電路單元是在試驗中根據用戶需要和整機調試結果，經過多次修改后才完成的，它與其它單元配合，可使DSP的編解碼算法達到其最佳性能。
2.4 系統控制單元
選用SAMSUNG公司的4位單片機KS57C2308，用以提供友好的用戶界面和靈活的功能控制，同時對DSP的工作狀況進行監督，保證系統工作的穩健性，這在監錄系統中是非常必要的。KS57C2308工作電壓較寬，可以直接驅動段式液晶。其I/O功能也較強，能夠輕松地控制兩塊DSP芯片協同工作。
為了與DSP協調工作，本系統設計了23條單片機命令及相應的DSP應答，其中包括初始化、放音、音量調節、時鐘的獲取與修改、各種跳轉與搜索等指令。由于錄音過程由DSP自主控制，所以單片機命令集中不包含錄音命令，DSP僅用一條信號線將錄音狀態告知單片機。時鐘由單片機程序運行，每秒鐘都向DSP通報新的時間。DSP在存儲語音數據時也將時間存入，這稱為"時戳"。當執行"按時間查找"操作時，就是按照存儲卡中的時戳查找語音數據段。
2.5 電源管理單元
本系統各單元需要彼此盡可能獨立而且可靠的電源，這部分工作由電源管理單元完成。本單元可接入220V交流或者12V直流電，向其它單元提供電源。
(1)存儲卡：3.3V電源。這一路電源經由信號處理單元提供。
(2)信號處理單元：5Ｖ一路，給本單元各部件供電。
(3)信號輸入輸出單元：9V(未經穩壓)一路，給功放供電；5V一路，給本單元其它部件供電。
(4)系統控制單元：9V(未經穩壓)一路，給液晶顯示的背光及蜂鳴器供電；5V一路，給本單元其它部件供電。
以上各電源之間充分隔離，以盡量消除數字信號對模擬信號的串擾。此外，本單元還為單片機提供上電復位信號，保證在系統電壓穩定之后再啟動單片機工作；本單元又為DSP提供了掉電警告信號，在外部電壓衰落時提前告知DSP，使其有足夠時間完成現有操作，轉入安全狀態，以免在電壓不穩定時向存儲卡寫入數據，致使卡上數據損壞。
3 系統軟件的實現
本系統的軟件設計包括單片機部分和DSP部分，從功能上可以綜合敘述為圖2所示流程。
程序共有五個工作狀態，通常處于"普通監錄狀態"，可以進行監聽，以確保系統正常工作。進入其它四個狀態之前需要校驗密碼，所以只有掌握密碼的管理人員才有權查找和播放所存儲的語音內容。軟件不設錄音命令，但其它功能，如監錄、音量增減、按條目或3秒鐘長度向前跳轉、向后跳轉、按時間檢索、密碼重置等等都單設一條命令，在DSP程序中對應于不同的程序模塊。此外，DSP程序中還含有語音編碼和語音解碼兩大模塊，由DSP主程序調用。
4 系統性能評測
本系統在鐵道部測試時表現優異：信噪比大于50dB；失真度小于5%；以1000Hz為基準，語音帶內的幅頻響應在±3dB以內；每月時鐘誤差小于一分鐘。除此以外，在起錄靈敏度、耐壓、輸入阻抗、輸出阻抗、功率輸出、線路輸出、記錄時間長度等各方面的測試結果也完全滿足《鐵路運輸數字通訊記錄儀技術條件》的要求。而且，雙卡雙通道結構、后臺錄音功能、高語音質量都使本系統具有很強的市場競爭力，現已投入小規模生產。