智能化多媒體教室中語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

沈錫瓊,楊云春,李海雁,陳宇平,韓紅幫

（1.昆明學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心,云南 昆明 650214;2.德國(guó)達(dá)姆斯塔特工大 電氣電信學(xué)院,德國(guó) 達(dá)姆 64289）

隨著教育信息化、教育現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷深入，多媒體教學(xué)方式在大學(xué)已成主流教學(xué)方式。多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益成熟，使大學(xué)校園教學(xué)大樓的現(xiàn)代化成為現(xiàn)實(shí)；智能化多媒體教室的建設(shè)和開(kāi)發(fā)，不僅是教育信息化和數(shù)字化建設(shè)的重要組成部分，也是現(xiàn)代化教學(xué)大樓的標(biāo)志之一。這一點(diǎn)從智能化多媒體教室的功能中就能證明。

1 智能化多媒體教室的功能

1)中遠(yuǎn)程控制 ：采用C/S架構(gòu)的技術(shù)模型管理平臺(tái)，在控制中心能對(duì)分布在不同區(qū)域樓宇的多媒體教室集中控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理、批量控制設(shè)備、自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀況、可視化遠(yuǎn)程幫助等功能；

2)基于IP攝像機(jī)視頻監(jiān)控的自動(dòng)報(bào)警和IP電話的報(bào)警功能；

3)基于B/S架構(gòu)的資源服務(wù)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，課件點(diǎn)播瀏覽，實(shí)時(shí)素材存貯（課堂錄像），實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)視頻直播。

智能化多媒體教室的諸多功能中，可視化遠(yuǎn)程協(xié)助與控制、IP故障報(bào)警電話、教學(xué)資源的建設(shè)與共享，教學(xué)監(jiān)督檢查、教學(xué)視頻直播等都有語(yǔ)音信號(hào)的存在，之間相互依存，不可缺少[1]。因此語(yǔ)音信號(hào)采集與傳輸?shù)馁|(zhì)量，關(guān)系到多媒體教室諸多功能的展現(xiàn)和作用的發(fā)揮。選擇設(shè)計(jì)好語(yǔ)音傳輸設(shè)備，應(yīng)用相關(guān)技術(shù)，做好語(yǔ)音信號(hào)的傳輸，在多媒體教室建設(shè)和開(kāi)發(fā)中是非常重要的。

2 語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成

語(yǔ)音采集系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。它主要由聲源、信號(hào)調(diào)理模塊、計(jì)算機(jī)聲卡等幾部分組成。

要實(shí)現(xiàn)智能化多媒體教室的各項(xiàng)功能，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后必須能：

1)在教室本地進(jìn)行放大傳輸，即本地傳播，這是多媒體教室必備的基本功能；

2)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸（至少在校園網(wǎng)內(nèi)）；

3)故障語(yǔ)音報(bào)警功能，出現(xiàn)故障時(shí)能向控制中心發(fā)出救助信號(hào)并能及時(shí)得到幫助。

圖1 語(yǔ)音采集系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the speech acquisition system

從以上要求可以看出，語(yǔ)音信號(hào)有兩種傳輸方式：一是本地模擬信號(hào)的傳輸；二是基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字信號(hào)的傳輸。要實(shí)現(xiàn)以上的傳輸，除傳統(tǒng)的音響設(shè)備外（麥克風(fēng)、調(diào)音設(shè)備、功放），還必須運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和設(shè)備（如語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)、中控、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)等）。即語(yǔ)音傳輸?shù)脑O(shè)備、運(yùn)用技術(shù)、配套軟件構(gòu)成了語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)。

3 語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

1）教室內(nèi)的傳輸

主要體現(xiàn)在教室本地音頻信號(hào)的放大傳播上。具體工作流程有二：一是由麥克風(fēng)把本地上課教師的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M的音頻電信號(hào)，送到音頻功率放大器上進(jìn)行放大，再由音箱把聲音還原出來(lái)；二是把電腦的音頻信號(hào)從聲卡LINE OUT口（一般是3.5立體聲針型頭）引出至中控的計(jì)算機(jī)L G R口，再由中控音頻輸出至功放的線路輸入LINE IN或混合輸入AUX IN ，經(jīng)功放放大后，推動(dòng)音箱工作把聲音還原出來(lái)。文中選用了湖山系列的全套音響設(shè)備（HSP2100K立體聲專(zhuān)業(yè)功放、HS 301桌面播音話筒、HSYK100前置反饋器、HSM120專(zhuān)業(yè)音箱），由于是同品牌產(chǎn)品，設(shè)備之間信號(hào)的連接相匹配。其中前置反饋器帶三段高質(zhì)量可調(diào)式全頻帶參量均衡器，可進(jìn)行話筒高低音、線路音量的獨(dú)立調(diào)節(jié)；均衡器及移頻組合有效抑制嘯叫；更為突出的是有RS232接口，實(shí)現(xiàn)了在中控面板上進(jìn)行話筒、音樂(lè)音量的調(diào)節(jié)，使音質(zhì)得到保證。這種傳輸方式，對(duì)設(shè)備的安裝要求相對(duì)簡(jiǎn)單一些。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，本文研究是把兩只音箱用吊架固定在教室第4排座位上方距地面3m高的兩側(cè)面墻壁上，這樣既保證放大后的語(yǔ)音清晰，音樂(lè)聲還原立體感強(qiáng)，還有效避免了聲音的嘯叫。事實(shí)證明，這樣的多媒體教室除滿(mǎn)足普通上課需要，還能作為對(duì)音響效果有一定要求的小型聯(lián)歡會(huì)和影視作品的欣賞場(chǎng)地（到周末或節(jié)假日就有班級(jí)在多媒體教室開(kāi)聯(lián)歡會(huì)）。

2）遠(yuǎn)距離傳輸

語(yǔ)音信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化傳輸，是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)募夹g(shù)支撐。具體操作方法就是對(duì)獲取的語(yǔ)音信號(hào)按一定的方式進(jìn)行壓縮編碼處理后，基于校園網(wǎng)絡(luò)作載體進(jìn)行傳播。在這里負(fù)責(zé)處理語(yǔ)音信號(hào)的設(shè)備有拾音器、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、IP電話（話機(jī)、語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)）[2]，其中拾音器拾取的語(yǔ)音信號(hào)接入網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)上的音頻接口，與攝像機(jī)獲取的視頻信號(hào)一起編碼處理，再由攝像機(jī)網(wǎng)卡輸出進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行傳輸；除此之外，還有臺(tái)式電腦、筆記本電腦本身所用素材攜帶的音頻信號(hào)也要傳輸。所以，為了方便各路信號(hào)的傳輸（不發(fā)生沖突），文中為相關(guān)的設(shè)備規(guī)劃了IP地址，這些設(shè)備分別是臺(tái)式電腦、IP攝像機(jī)、IP電話、網(wǎng)絡(luò)中控和筆記本電腦，除筆記本電腦的IP為動(dòng)態(tài)獲取外，其它的都是固定IP。根據(jù)國(guó)家網(wǎng)絡(luò)組建與管理的相關(guān)政策和規(guī)定，昆明學(xué)院規(guī)劃了一個(gè)私有B類(lèi)網(wǎng)絡(luò)[3]，分為8個(gè)網(wǎng)段，分別是172.16.48.0-172.16.55.0，子網(wǎng)掩碼：255.255.248.0。具體分配是：172.16.48.0網(wǎng)段中的IP地址歸網(wǎng)絡(luò)中控使用；網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的IP在172.16.49.0網(wǎng)段中；語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的IP地址在172.16.50.0網(wǎng)段中，臺(tái)式機(jī)的IP地址在172.16.51.0網(wǎng)段中；由于筆記本電腦流動(dòng)性大，特架設(shè)一臺(tái)DHCP服務(wù)器，向多媒體教室中控專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布172.16.52.0網(wǎng)段中的IP地址，以供筆記本電腦隨機(jī)獲取。

昆明學(xué)院共有多媒體教室156間，分布在不同的樓宇中，目前規(guī)劃的IP地址，滿(mǎn)足需要后還留有余地。每間教室中相關(guān)設(shè)備的IP地址，需要手動(dòng)配置，這里主要介紹IP電話、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)IP地址的配置。

①語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的IP

IP電話的核心設(shè)備是語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)[4-5]。文中所選用的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)是大唐高鴻的MG3000-A-1S1O，它支持H.323協(xié)議，具有純硬件的獨(dú)立IP電話系統(tǒng)，不需要通過(guò)電腦就能獨(dú)立完成語(yǔ)音通訊。MG3000-A-1S1O共有5個(gè)接線口，分別是DC12伏供電口、LAN口、WAN口、FXS口、FXO口。除了供電口外，用其中的上行口WAN與網(wǎng)絡(luò)連接，F(xiàn)XS口與話機(jī)連接。語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的IP地址是電腦通過(guò)WAN口登陸WEB系統(tǒng)配置的。具體操作方法是：用網(wǎng)線連接WAN口和電腦網(wǎng)卡，把電腦的IP地址調(diào)到語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)WAN口出廠默認(rèn)的IP地址的同一個(gè)網(wǎng)段上，在瀏覽器網(wǎng)址欄上輸入語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)默認(rèn)的IP地址，用超級(jí)管理員身份和默認(rèn)密碼登陸MG3000-A-1S1O進(jìn)入WEB管理系統(tǒng)，選擇快速配置進(jìn)入如圖2所示界面，在規(guī)劃好的網(wǎng)段172.16.50.0上，給其中一間教室比如博識(shí)樓2001的語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)分配IP地址為 172.16.50.152，其余各項(xiàng)配置如圖2，配置完后點(diǎn)擊應(yīng)用即配置成功。

圖2 語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)IP配置界面Fig.2 IP configuration interface of audio gateway

接著再進(jìn)行協(xié)議配置和端點(diǎn)配置，協(xié)議配置注冊(cè)登記方式為手工配置，主用GK地址172.16.48.5，呼叫信令端口、主用GK端口、本地RAS端口為默認(rèn)值；端點(diǎn)配置主要是為話機(jī)分配號(hào)碼，本文研究只用FXS口，所以只配置這個(gè)端點(diǎn)，號(hào)碼編制規(guī)律是教室樓代號(hào)在前教室號(hào)在后。如42001中4代表博識(shí)樓，2001是教室號(hào)。還有首選DNS服務(wù)器：202.203.0.202，備用 DNS服務(wù)器：202.203.1.203，呼叫路由配置中的路由方向選擇：注冊(cè)IP。

如此依次可把所有多媒體教室語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)的IP地址和參數(shù)配置完并作好標(biāo)識(shí)，把它們放到相應(yīng)的教室，與相關(guān)的設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)連接，并裝上應(yīng)用軟件，IP映射電話號(hào)碼成功，就可在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正常使用。

②攝像機(jī)的IP

拾音器拾取的音頻電信號(hào)交由網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)編碼處理后輸出。本文給攝取像機(jī)規(guī)劃的IP在172.16.49.0網(wǎng)段中。用類(lèi)似于語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)IP的配置法，先登陸?？低昗EB管理系統(tǒng)（我們選用?？低旸S-2DF528X-YZW智能球機(jī)），在基本配置中可查該設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)和指標(biāo)，進(jìn)入圖3界面，進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)卡參數(shù)配置：IP地址、子網(wǎng)掩碼，其次選擇音頻編碼為G.711ulaw，首選DNS服務(wù)器配置為8.8.8.8。這是2001教室攝像機(jī)的IP地址。

圖3 攝像機(jī)IP配置界面Fig.3 IP configuration interface of camera

為了方便管理，同一間教室中的網(wǎng)絡(luò)中控、攝像機(jī)、IP電話、臺(tái)式電腦分配的IP地址 （以2001為例）分別是：172.16.48.152，172.16.49.152，172.16.50.152，172.16.51.152,即同一間教室不同設(shè)備的IP雖在不同的網(wǎng)段上，但最后一位是相同的。

③傳輸?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)

從拾音器和IP電話上獲取優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音信號(hào)，是本文研究的重點(diǎn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)比較驗(yàn)證，選擇杭州艾力特KO-220的拾音器，這款拾音器的震膜是一電容咪頭，具有拾音范圍大、靈敏度高、無(wú)指向性、頻響范圍大（20 Hz～20 kHz）；內(nèi)置前置放大電路，輸出信號(hào)幅度大（2.5 Vpp/-25 dB）、傳輸距離遠(yuǎn)（3 000 m）；30 kV Air contact ESD、雷擊保護(hù)、電源極性反接保護(hù)；自適應(yīng)動(dòng)態(tài)降噪處理,含有高速DSP數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字降噪信號(hào)處理電路，能有效的防止語(yǔ)音信號(hào)失真及衰減；美國(guó)BOURNS專(zhuān)用電位器,可靠音量調(diào)節(jié)，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)；因此，聲音清晰自然。只要嚴(yán)格按要求布線安裝好拾音器，拾音器就能獲取優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音信號(hào)。

在實(shí)際施工中，拾音器安裝在講臺(tái)正上方天花板上，距老師活動(dòng)范圍大概2m左右；為避免交流電等強(qiáng)電電源雜波的干擾，采用獨(dú)立線槽布線和單獨(dú)12 V直流穩(wěn)壓電源供電，線槽距日光燈鎮(zhèn)流器20 cm以上，連接線纜用3芯0.5mm2RVVP屏蔽電纜。按圖4方式連接，拾音器輸出的音頻信號(hào)通過(guò)長(zhǎng)15m左右的屏蔽電纜與攝像機(jī)的音頻輸入端連接。

IP電話傳輸?shù)恼Z(yǔ)音信號(hào)來(lái)自話機(jī)，只要把話機(jī)接到語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)FXS口，經(jīng)MAN口把信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)中控即可。

④傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

圖4 拾音器連接圖Fig.4 Pick-up connection diagram

傳輸網(wǎng)絡(luò)除要傳輸音頻信號(hào)外，還要傳輸視頻信號(hào)和臺(tái)式計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，為保證傳輸通暢和網(wǎng)絡(luò)互通，把攝像機(jī)信號(hào)、IP電話信號(hào)、中控信號(hào)、筆記本電腦信號(hào)連接在中控的網(wǎng)絡(luò)模塊上[6]，利用中控的網(wǎng)絡(luò)出口向外傳送與接收信號(hào)，臺(tái)式機(jī)則由網(wǎng)卡向外傳送與接收信號(hào)。也就是一間教室中有兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)出口，要布兩根網(wǎng)線到不同的交換機(jī)上。同一樓宇的所有計(jì)算機(jī)網(wǎng)線接在一臺(tái)交換機(jī)或串聯(lián)的多臺(tái)交換機(jī)上；同一樓宇的所有中控出口網(wǎng)線也接在另一臺(tái)交換機(jī)或串聯(lián)的多臺(tái)交換機(jī)上；兩臺(tái)交換機(jī)分別通過(guò)光模塊連接到兩根千兆光纖上作為大樓的出口。然后，不同樓宇中傳輸計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的若干光纖通過(guò)光模塊串接在一起形成一個(gè)計(jì)算機(jī)專(zhuān)用網(wǎng)，同理，也形成一個(gè)中控專(zhuān)用網(wǎng)。最后，兩個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)的光纖進(jìn)入集控中心的一臺(tái)光模塊匯集層交換機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)的互連互通。同樣，再用一根光纖連接到校園網(wǎng)的核心層交換機(jī)上，就實(shí)現(xiàn)了多媒體教室與校園網(wǎng)相連，通過(guò)校園網(wǎng)最終連接到Internet。

這樣構(gòu)建的傳輸網(wǎng)絡(luò)不但能遠(yuǎn)距離傳輸語(yǔ)音信號(hào)、視頻信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，每間教室還能從Internet順暢地瀏覽網(wǎng)頁(yè)；再在客戶(hù)端、服務(wù)器上安裝配套的：多媒體電子教室軟件、網(wǎng)絡(luò)中控管理軟件、網(wǎng)絡(luò)綜合信息管理平臺(tái)等各類(lèi)控制軟件，就實(shí)現(xiàn)了智能化多媒體教室的多種功能。

圖5是整個(gè)傳輸系統(tǒng)安裝調(diào)試完后，同一段音頻信號(hào)在多媒體教室現(xiàn)場(chǎng)播放采集的波形和在監(jiān)控端錄制后播放的波形，兩圖對(duì)比波形相同。

圖5 音頻波形對(duì)比Fig.5 The audiowaveform comparison

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和操作，實(shí)現(xiàn)了教室與教室、教室與主控室語(yǔ)音聯(lián)動(dòng)視頻通訊，即主控室電話鈴響的同時(shí)就可看見(jiàn)撥打電話教室的監(jiān)控畫(huà)面，主控室可通過(guò)監(jiān)看教室端視頻進(jìn)行操作指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多媒體教室的遠(yuǎn)程管理和可視化遠(yuǎn)程幫助。?？低旸S-2DF528X-YZW智能球機(jī)采用目前最先進(jìn)的音視頻壓縮技術(shù)H.264/MPEG4/MJPEG，G.711ulaw/G.711alaw/G.726，配合客戶(hù)端軟件的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)直播和記錄下的語(yǔ)音信號(hào)聲音清晰，無(wú)噪音，與畫(huà)面同步。說(shuō)明這個(gè)語(yǔ)音傳輸系統(tǒng)是成功的，能讓網(wǎng)絡(luò)資源共享、課件點(diǎn)播瀏覽、實(shí)時(shí)素材存貯（課堂實(shí)錄）、現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)直播成為現(xiàn)實(shí)。

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