智能化多媒體教室中語音傳輸系統的設計與實現

沈錫瓊,楊云春,李海雁,陳宇平,韓紅幫

（1.昆明學院 現代教育技術中心,云南 昆明 650214;2.德國達姆斯塔特工大 電氣電信學院,德國 達姆 64289）

隨著教育信息化、教育現代化進程的不斷深入，多媒體教學方式在大學已成主流教學方式。多媒體技術和網絡技術的日益成熟，使大學校園教學大樓的現代化成為現實；智能化多媒體教室的建設和開發，不僅是教育信息化和數字化建設的重要組成部分，也是現代化教學大樓的標志之一。這一點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)中遠程控制 ：采用C/S架構的技術模型管理平臺，在控制中心能對分布在不同區域樓宇的多媒體教室集中控制，實現遠程管理、批量控制設備、自動監測設備狀況、可視化遠程幫助等功能；

2)基于IP攝像機視頻監控的自動報警和IP電話的報警功能；

3)基于B/S架構的資源服務平臺可實現網絡資源共享，課件點播瀏覽，實時素材存貯（課堂錄像），實現網絡教學視頻直播。

智能化多媒體教室的諸多功能中，可視化遠程協助與控制、IP故障報警電話、教學資源的建設與共享，教學監督檢查、教學視頻直播等都有語音信號的存在，之間相互依存，不可缺少[1]。因此語音信號采集與傳輸的質量，關系到多媒體教室諸多功能的展現和作用的發揮。選擇設計好語音傳輸設備，應用相關技術，做好語音信號的傳輸，在多媒體教室建設和開發中是非常重要的。

2 語音傳輸系統的構成

語音采集系統原理框圖如圖1所示。它主要由聲源、信號調理模塊、計算機聲卡等幾部分組成。

要實現智能化多媒體教室的各項功能，語音信號經過技術處理后必須能：

1)在教室本地進行放大傳輸，即本地傳播，這是多媒體教室必備的基本功能；

2)進行遠距離傳輸（至少在校園網內）；

3)故障語音報警功能，出現故障時能向控制中心發出救助信號并能及時得到幫助。

圖1 語音采集系統原理框圖Fig.1 Block diagram of the speech acquisition system

從以上要求可以看出，語音信號有兩種傳輸方式：一是本地模擬信號的傳輸；二是基于網絡的數字信號的傳輸。要實現以上的傳輸，除傳統的音響設備外（麥克風、調音設備、功放），還必須運用網絡技術和設備（如語音網關、中控、網絡攝像機等）。即語音傳輸的設備、運用技術、配套軟件構成了語音傳輸系統。

3 語音傳輸系統的設計和實現

1）教室內的傳輸

主要體現在教室本地音頻信號的放大傳播上。具體工作流程有二：一是由麥克風把本地上課教師的語音信號轉變為模擬的音頻電信號，送到音頻功率放大器上進行放大，再由音箱把聲音還原出來；二是把電腦的音頻信號從聲卡LINE OUT口（一般是3.5立體聲針型頭）引出至中控的計算機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 ，經功放放大后，推動音箱工作把聲音還原出來。文中選用了湖山系列的全套音響設備（HSP2100K立體聲專業功放、HS 301桌面播音話筒、HSYK100前置反饋器、HSM120專業音箱），由于是同品牌產品，設備之間信號的連接相匹配。其中前置反饋器帶三段高質量可調式全頻帶參量均衡器，可進行話筒高低音、線路音量的獨立調節；均衡器及移頻組合有效抑制嘯叫；更為突出的是有RS232接口，實現了在中控面板上進行話筒、音樂音量的調節，使音質得到保證。這種傳輸方式，對設備的安裝要求相對簡單一些。經過反復調試，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高的兩側面墻壁上，這樣既保證放大后的語音清晰，音樂聲還原立體感強，還有效避免了聲音的嘯叫。事實證明，這樣的多媒體教室除滿足普通上課需要，還能作為對音響效果有一定要求的小型聯歡會和影視作品的欣賞場地（到周末或節假日就有班級在多媒體教室開聯歡會）。

2）遠距離傳輸

語音信號的網絡數字化傳輸，是實現遠距離傳輸的技術支撐。具體操作方法就是對獲取的語音信號按一定的方式進行壓縮編碼處理后，基于校園網絡作載體進行傳播。在這里負責處理語音信號的設備有拾音器、網絡攝像機、IP電話（話機、語音網關）[2]，其中拾音器拾取的語音信號接入網絡攝像機上的音頻接口，與攝像機獲取的視頻信號一起編碼處理，再由攝像機網卡輸出進入網絡系統進行傳輸；除此之外，還有臺式電腦、筆記本電腦本身所用素材攜帶的音頻信號也要傳輸。所以，為了方便各路信號的傳輸（不發生沖突），文中為相關的設備規劃了IP地址，這些設備分別是臺式電腦、IP攝像機、IP電話、網絡中控和筆記本電腦，除筆記本電腦的IP為動態獲取外，其它的都是固定IP。根據國家網絡組建與管理的相關政策和規定，昆明學院規劃了一個私有B類網絡[3]，分為8個網段，分別是172.16.48.0-172.16.55.0，子網掩碼：255.255.248.0。具體分配是：172.16.48.0網段中的IP地址歸網絡中控使用；網絡攝像機的IP在172.16.49.0網段中；語音網關的IP地址在172.16.50.0網段中，臺式機的IP地址在172.16.51.0網段中；由于筆記本電腦流動性大，特架設一臺DHCP服務器，向多媒體教室中控專用網絡中發布172.16.52.0網段中的IP地址，以供筆記本電腦隨機獲取。

昆明學院共有多媒體教室156間，分布在不同的樓宇中，目前規劃的IP地址，滿足需要后還留有余地。每間教室中相關設備的IP地址，需要手動配置，這里主要介紹IP電話、網絡攝像機IP地址的配置。

①語音網關的IP

IP電話的核心設備是語音網關[4-5]。文中所選用的語音網關是大唐高鴻的MG3000-A-1S1O，它支持H.323協議，具有純硬件的獨立IP電話系統，不需要通過電腦就能獨立完成語音通訊。MG3000-A-1S1O共有5個接線口，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與網絡連接，FXS口與話機連接。語音網關的IP地址是電腦通過WAN口登陸WEB系統配置的。具體操作方法是：用網線連接WAN口和電腦網卡，把電腦的IP地址調到語音網關WAN口出廠默認的IP地址的同一個網段上，在瀏覽器網址欄上輸入語音網關默認的IP地址，用超級管理員身份和默認密碼登陸MG3000-A-1S1O進入WEB管理系統，選擇快速配置進入如圖2所示界面，在規劃好的網段172.16.50.0上，給其中一間教室比如博識樓2001的語音網關分配IP地址為 172.16.50.152，其余各項配置如圖2，配置完后點擊應用即配置成功。

圖2 語音網關IP配置界面Fig.2 IP configuration interface of audio gateway

接著再進行協議配置和端點配置，協議配置注冊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端口為默認值；端點配置主要是為話機分配號碼，本文研究只用FXS口，所以只配置這個端點，號碼編制規律是教室樓代號在前教室號在后。如42001中4代表博識樓，2001是教室號。還有首選DNS服務器：202.203.0.202，備用 DNS服務器：202.203.1.203，呼叫路由配置中的路由方向選擇：注冊IP。

如此依次可把所有多媒體教室語音網關的IP地址和參數配置完并作好標識，把它們放到相應的教室，與相關的設備和網絡連接，并裝上應用軟件，IP映射電話號碼成功，就可在網絡內正常使用。

②攝像機的IP

拾音器拾取的音頻電信號交由網絡攝像機編碼處理后輸出。本文給攝取像機規劃的IP在172.16.49.0網段中。用類似于語音網關IP的配置法，先登陸海康威視WEB管理系統（我們選用海康威視DS-2DF528X-YZW智能球機），在基本配置中可查該設備的各項參數和指標，進入圖3界面，進行相應的網卡參數配置：IP地址、子網掩碼，其次選擇音頻編碼為G.711ulaw，首選DNS服務器配置為8.8.8.8。這是2001教室攝像機的IP地址。

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

為了方便管理，同一間教室中的網絡中控、攝像機、IP電話、臺式電腦分配的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備的IP雖在不同的網段上，但最后一位是相同的。

③傳輸的語音信號

從拾音器和IP電話上獲取優質的語音信號，是本文研究的重點。經過反復比較驗證，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、無指向性、頻響范圍大（20 Hz～20 kHz）；內置前置放大電路，輸出信號幅度大（2.5 Vpp/-25 dB）、傳輸距離遠（3 000 m）；30 kV Air contact ESD、雷擊保護、電源極性反接保護；自適應動態降噪處理,含有高速DSP數字信號處理器和數字降噪信號處理電路，能有效的防止語音信號失真及衰減；美國BOURNS專用電位器,可靠音量調節，符合RoHS標準；因此，聲音清晰自然。只要嚴格按要求布線安裝好拾音器，拾音器就能獲取優質的語音信號。

在實際施工中，拾音器安裝在講臺正上方天花板上，距老師活動范圍大概2m左右；為避免交流電等強電電源雜波的干擾，采用獨立線槽布線和單獨12 V直流穩壓電源供電，線槽距日光燈鎮流器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通過長15m左右的屏蔽電纜與攝像機的音頻輸入端連接。

IP電話傳輸的語音信號來自話機，只要把話機接到語音網關FXS口，經MAN口把信號送到網絡中控即可。

④傳輸網絡的構建

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

傳輸網絡除要傳輸音頻信號外，還要傳輸視頻信號和臺式計算機的網絡數據，為保證傳輸通暢和網絡互通，把攝像機信號、IP電話信號、中控信號、筆記本電腦信號連接在中控的網絡模塊上[6]，利用中控的網絡出口向外傳送與接收信號，臺式機則由網卡向外傳送與接收信號。也就是一間教室中有兩個網絡出口，要布兩根網線到不同的交換機上。同一樓宇的所有計算機網線接在一臺交換機或串聯的多臺交換機上；同一樓宇的所有中控出口網線也接在另一臺交換機或串聯的多臺交換機上；兩臺交換機分別通過光模塊連接到兩根千兆光纖上作為大樓的出口。然后，不同樓宇中傳輸計算機網絡信號的若干光纖通過光模塊串接在一起形成一個計算機專用網，同理，也形成一個中控專用網。最后，兩個專用網的光纖進入集控中心的一臺光模塊匯集層交換機上，實現了兩個專用網的互連互通。同樣，再用一根光纖連接到校園網的核心層交換機上，就實現了多媒體教室與校園網相連，通過校園網最終連接到Internet。

這樣構建的傳輸網絡不但能遠距離傳輸語音信號、視頻信號、網絡數據，每間教室還能從Internet順暢地瀏覽網頁；再在客戶端、服務器上安裝配套的：多媒體電子教室軟件、網絡中控管理軟件、網絡綜合信息管理平臺等各類控制軟件，就實現了智能化多媒體教室的多種功能。

圖5是整個傳輸系統安裝調試完后，同一段音頻信號在多媒體教室現場播放采集的波形和在監控端錄制后播放的波形，兩圖對比波形相同。

圖5 音頻波形對比Fig.5 The audiowaveform comparison

4 結束語

通過語音傳輸系統的設計和操作，實現了教室與教室、教室與主控室語音聯動視頻通訊，即主控室電話鈴響的同時就可看見撥打電話教室的監控畫面，主控室可通過監看教室端視頻進行操作指導，實現對多媒體教室的遠程管理和可視化遠程幫助。海康威視DS-2DF528X-YZW智能球機采用目前最先進的音視頻壓縮技術H.264/MPEG4/MJPEG，G.711ulaw/G.711alaw/G.726，配合客戶端軟件的應用，現場直播和記錄下的語音信號聲音清晰，無噪音，與畫面同步。說明這個語音傳輸系統是成功的，能讓網絡資源共享、課件點播瀏覽、實時素材存貯（課堂實錄）、現場教學網絡直播成為現實。

[1]雷志華.多媒體教室技術管理的研究與實踐[J].實驗室研究與探索，2005（4）:22-24.LEI Zhi-hua.The research and application of multimedia classroom management technolo[J].Research and Exploration in Laboratory,2005（4）:22-24.

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