一种新型国产语音信号切换系统的设计与实现_贾永兴.pdf

2022年第46卷第10期128器 件 与 应 用arts and ApplicationsP文献引用格式：贾永兴，廖蓉晖，杨宏，等.一种新型国产语音信号切换系统的设计与实现 J.电声技术，2022，46（10）：128-131.JIA Y X，LIAO R H，YANG H，et al.Design and realization of a new home-made voice signal switch systemJ.Audio Engineering，2022，46（10）：128-131.中图分类号：TN912.3 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.036一种新型国产语音信号切换系统的设计与实现贾永兴，廖蓉晖，杨 宏，康 敏，李正宇（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）摘要：针对特殊应用场景下多个网系话机接入情况带来的话机应用管理繁杂的问题，设计一种新型国产网系间语音信号切换系统，提出具体的技术方案，设计基本的通信流程，并对方案的先进性进行分析。该系统能够有效减少桌面办公话机，改进用户体验，方便话机管理，具有良好的市场应用前景。关键词：语音信号切换；话机；模拟开关Design and Realization of A New Home-Made Voice Signal Switch SystemJIA Yongxing,LIAO Ronghui,YANG Hong,KANG Min,LI Zhengyu(No.30 Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Chengdu 610041,China)Abstract:In order to solve the problem of complicated telephone application management caused by multiple network system telephone access in special application scenarios,this paper designs a new domestic voice signal switching system between network systems,proposes a specific technical scheme,designs the basic communication process,and analyzes the progressiveness of the scheme.The system can effectively reduce desktop office phones,improve user experience,facilitate phone management,and has good market application prospects.Keywords:voice signal switch;telephone;analog switch0 引 言在政府办公等特殊应用场合，经常会有多个网系的话机接入，用户根据不同的需求选择不同网系的话机进行语音通信。这种应用方式在满足用户多种特殊需求的同时，带来办公桌面话机种类繁多、话机类型不易分辨以及话机管理不方便等诸多问题。同时，随着中美贸易战不断升级，美国对集成电路实施禁运，集成电路“卡脖子”问题给我国电子信息产业带来了严峻的挑战，最大化地采用国产集成电路开展系统设计刻不容缓。针对以上现状，本文提出网系间话机的语音信号切换技术，设计了一种新型国产语音信号切换系统，所提技术的应用环境如图 1 所示。图 1 中，语音信号切换设备作为系统的核心，对上连接人机交互终端，对下连接不同网系的话机；人机交互终端由手柄和触摸屏组成，它与语音信号切换设备相互配合，相当于接管了话机的手柄和键盘。语音信号切换设备与不同网系话机、人机交互终端之间均通过串口线和手柄线连接，它们之间在建立串口通信后，在人机交互终端的控制下，语音信号切换设备与不同网系话机的进行协议交互，选择相应网系并实现语音信号切换功能。这样，用户就可以在人机交互终端上选择所需的网系进行电话呼叫。同时，当有来电时，人机交互终端上也会显示呼入电话所在的网系以及电话号码等信息。作者简介：贾永兴（1982），男，硕士，高级工程师，研究方向为网络通信技术。E-mail：。人机交互终端语音信号切换设备话机话机B网系网系B图 1 应用环境图2022年第46卷第10期129Parts and ApplicationS器 件 与 应 用在这种情况下，人机交互终端可以放置在用户桌面上，语音信号切换设备和话机均可以放置在保险柜或办公桌内。这样，在满足应用需求、减少桌面办公设备的同时，提升了用户体验，满足了设备管理的需要。1 原理设计语音信号切换系统对上连接人机交互终端的串口和手柄接口，对下连接话机 A、话机 B 的串口和手柄接口。串口用于设备之间的信令传递和协议交互，手柄接口用于语音信号和其他控制信号（如摘挂机信号）的连接。1.1 系统硬件原理语音信号切换系统的硬件设计原理框图如图2 所示1。系统以国产处理器为核心，在国产现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和语音信号切换单元的配合下，实现设备和人机交互终端、话机 A、话机 B 的串口通信和语音信号切换功能。串口1串口2语音信号切换单元串口3人机交互终端处理器话机AFPGA手柄接口1手柄接口2手柄接口3话机B话机A话机B图 2 原理设计框图处理器采用北京兆易创新科技股份有限公司的 GD32F3 系列处理器芯片。GD32F3 系列最高主频可达 120 MHz 并支持 DSP 指令运算，配备了 128 kB 到 3 072 kB 的超大容量闪存及 48 kB 到 96 kB 的 静 态 随 机 存 取 存 储 器（Static Random-Access Memory，SRAM），内核访问闪存高速零等待。芯片外围接口丰富。处理器在系统中具备协议处理、切换控制、逻辑控制、中断处理以及整机管控等功能，是整个系统的核心器件。FPGA 采用上海安路信息科技有限公司的 AL3系列 FPGA。该 FPGA 具有低功耗、低成本、高性能等特点，具有丰富的 LUT、DSP、BRAM、高速差分IO 等资源和强大的引脚兼容替换性能。FPGA 完成接口适配功能，方便各接口与处理器的连接，还要完成与处理器之间的通信，读取存储器内的铃音信息，并配合语音处理单元完成铃音播放功能。1.2 语音切换硬件原理语音信号切换单元除了完成切换的核心功能外，还具有信号放大、滤波、铃音播放等多种功能 2。该单元在设计上采用了模拟开关和继电器结合的方法，针对不同实际应用场合的语音信号，设计了两种不同的切换模式，即“落地”模式和“穿透”模式。1.2.1“落地”模式语音切换“落地”模式语音切换适用于波形振幅较小的语音信号，在设备内部“落地”，即和设备模拟信号地采用同一地平面，通过语音放大后，采用语音模拟开关完成切换功能，并开展语音信号滤波等处理，其原理如图 3 所示 3。语音A语音B放大器放大器语音模拟开关语音滤波语音输出图 3“落地”模式语音切换原理1.2.2“穿透”模式语音切换某些应用环境中，语音信号的直流分量是不稳定的，即存在波形“摆动”的情形。这样的信号处理超出了放大器的处理能力，容易出现“削峰”或“削谷”处理，从而造成语音失真甚至噪音的产生。针对这种情况，本文采用继电器切换的“穿透”方式处理，原理如图 4 所示。语音A语音B语音输出继电器图 4“穿透”模式语音切换原理两种不同的切换模式对于不同环境的语音信号都能够提供有效的处理方法，有效防止信号失真，并确保信号处理的安全性和语音质量 4。2 通信流程设计语音信号切换系统在人机交互终端的控制下，实现网系的选择和语音信号切换。人机交互终端发起呼叫的流程如图 5 所示。（1）手柄摘机后，语音信号切换设备通过串口向人机交互终端发送“本地摘机”，人机交互终端应答“网络指示”，告知语音信号切换设备当前选择为网系 A，语音信号切换设备将人机交互终端手柄信号切换为网系 A 电话机的手柄，并控制话机 A摘机。人机交互终端显示拨号界面。2022年第46卷第10期130器 件 与 应 用arts and ApplicationsP（2）用户通过人机交互终端选择网系 A 的被叫用户或拨号，人机交互终端通过串口发送“拨叫号码”，语音信号切换设备启动网系 A 电话机进行拨打。人机交互终端显示网系 A 电话呼叫 界面。（3）被叫用户摘机后，语音信号切换设备通过串口向人机交互终端发送“通话建立”，人机交互终端显示通话保持状态。当有电话呼入时，通信流程如图 6 所示。（1）当话机 A 有电话呼入时，语音信号切换设备向人机交互终端发送来电号码和网络类型，同时将人机交互终端的手柄信号切换到话机 A，然后向人机交互终端发送“启动振铃”和“停止振铃”命令。人机交互终端显示振铃界面并产生振铃。（2）人机交互终端的手柄摘机后，语音信号切换设备控制话机 A 摘机，并向人机交互终端发送“本端摘机”命令。（3）语音信号切换设备通过串口向人机交互终端发送“通话建立”，人机交互终端显示通话保持状态。3 实用性分析3.1 硬件国产化基于集成电路“卡脖子”问题的考虑，本系统采用的处理器、FPGA、语音处理电路、电源芯片都选用了国产器件，解决了集成电路禁运带来的产品生产和使用的风险。同时，本文在硬件设计上，针对语音信号的低延迟高质量的特性要求，注重电源的完整性设计，对于模拟接口部分电路，采用 LDO电源，确保信号的质量；在电路设计布线上，确保信号的完整性，保证语音信号不受其他数字电路和电源的干扰 5。通过实际专业设备测试，语音信号通过该设备后受到的影响很小，分值满足用户体验要求。人机交互终端话机A网系A（1）摘机（2）拨号本端摘机呼叫申请拨叫号码呼叫回铃正在振铃回铃等待被叫摘机通话保持（3）通话建立通话建立通话建立网络指示语音信号切换设备手柄摘机图 5 电话呼出通信流程图（1）来电（2）摘机（3）通话建立人机交互终端话机A网系A呼叫请求呼叫应答 被叫摘机本端摘机通话保持通话建立通话建立语音信号切换设备呼叫产生来电号码正在振铃启动振铃停止振铃手柄摘机图 6 电话呼入通信流程图2022年第46卷第10期131Parts and ApplicationS器 件 与 应 用3.2 切换灵活本文开创性地提出了两种不同的语音信号切换模式，即“穿透”模式和“落地”模式，采用模拟开关和继电器两种语音信号切换方法，同时还在设备内部对语音信号做了滤波放大等处理。这种语音信号切换方法既能够有效防止信号失真，保证语音通话质量，又能够确保不同网系的信号不会串扰，保障了语音通信的安全性 6。3.3 协议简洁在通信协议设计上，本文提出了简洁实用的呼入呼出流程。在流程的具体实现上，优先考虑通信延迟，确保通信话音质量，不会出现卡顿的现象，同时又兼顾了人机界面的友好实用，呼出时，话机的选择准确迅速；呼入时，不同网系、不同话机都能够在人机交互终端上明确显示，用户的体验效果得到了有效的保障。4 结 语本技术针对特殊应用场合的实际需求提出，考虑了集成电路国产化的需求，已完成系统功能调试，支持两个网系的语音信号切换，技术状态稳定，后期可以根据实际需求进行扩展设计，支持三个或者更多的网系。该技术的实际应用，能够减少用户桌面的话机数量，方便话机的管理，提升用户的使用体验效果，具备良好的市场应用前景。参考文献：1 刘惠敏，王龙.语音信号处理系统设计 J.中山大学研究生学刊（自然科学与医学版），2016（2）：15.2 朱旭东.低成本播放大功率高保真数字语音的信号方法及快速验证方法 J.电子设计工程，2016，24（7）：125-128.3 李静.基于 MATLAB 的语音信号采集和处理系统的设计 J.山西大同大学学报（自然科学版），2016，32（2）：30-33.4 胡杭.现代语音信号处理 M.北京：电子工业出版社，2014.5 王绍清，叶春晖，胡养聪.D 类音频功放的可集成 Pop-Click 噪声抑制系统 J.电子技术应用，2016，42（3）：35-37.6 杨涛.室内语音源定位技术中的时间延迟估计方法 J.计算机工程与应用，2009，45（20）：246-248.编辑：郭芳园表 2 冲击地压危险综合评价序号a(抗压强度)b(绝对能量)c(峰值频率)d(信号强度)B(综合评价)危险等级实际危险等级1301.38 17.15711.039.691060.000 2II2301.63129.19705.229.541060.001 2II3301.89125.62705.149.491060.002 0II4302.15129.67712.469.461060.003 0II5302.40146.28705.519.441060.003 8II196349.6131 252.7324 625.102.551080.564 4IIIIII197349.7927 546.4032 192.853.061080.660 2IIIIII198349.9928 805.2536 889.253.271080.726 8IIIIII199350.1755 277.1838 412.905.801080.828 3IVIV200350.2798 535.1136 690.531.421080.977 6IVIV强度权重，给出综合评价结果，并与实际结果相比较，与实际结果相比基本符合，说明该方法是一种行之有效的方法，且原理简单，易于理解，便于操作，为冲击地压危险预测提供了更为精确的方法。参考文献：1 单俊芳，徐松林，张磊，等.岩石节理动摩擦过程中的声发射和产热特性研究 J.实验力学，2020，35（1）：41-57.2 李德行，王恩元，李楠，等.单轴压缩下宏观裂纹倾角对煤体特性影响研究 J.岩石力学与工程学报，2017，36（增刊 1）：3206-3213.3 王思洋，孙超杰，郭鹏飞，等.基于声发射的大理岩破坏模式研究 J.化工矿物与加工，2018，47（5）：32-35.4 李静.煤矿震动波 CT 反演探测技术优化与应用 D.北京：中国矿业大学，2017.5 金佩剑，王恩元，刘晓斐，等.冲击地压危险性综合评价的突变级数法研究 J.采矿与安全工程学报，2013，30（2）:256-261.编辑：郭芳园（上接第 127 页）