智能化多媒体教室中语音传输系统的设计与实现

沈锡琼,杨云春,李海雁,陈宇平,韩红帮

（1.昆明学院 现代教育技术中心,云南 昆明 650214;2.德国达姆斯塔特工大 电气电信学院,德国 达姆 64289）

随着教育信息化、教育现代化进程的不断深入，多媒体教学方式在大学已成主流教学方式。多媒体技术和网络技术的日益成熟，使大学校园教学大楼的现代化成为现实；智能化多媒体教室的建设和开发，不仅是教育信息化和数字化建设的重要组成部分，也是现代化教学大楼的标志之一。这一点从智能化多媒体教室的功能中就能证明。

1 智能化多媒体教室的功能

1)中远程控制 ：采用C/S架构的技术模型管理平台，在控制中心能对分布在不同区域楼宇的多媒体教室集中控制，实现远程管理、批量控制设备、自动监测设备状况、可视化远程帮助等功能；

2)基于IP摄像机视频监控的自动报警和IP电话的报警功能；

3)基于B/S架构的资源服务平台可实现网络资源共享，课件点播浏览，实时素材存贮（课堂录像），实现网络教学视频直播。

智能化多媒体教室的诸多功能中，可视化远程协助与控制、IP故障报警电话、教学资源的建设与共享，教学监督检查、教学视频直播等都有语音信号的存在，之间相互依存，不可缺少[1]。因此语音信号采集与传输的质量，关系到多媒体教室诸多功能的展现和作用的发挥。选择设计好语音传输设备，应用相关技术，做好语音信号的传输，在多媒体教室建设和开发中是非常重要的。

2 语音传输系统的构成

语音采集系统原理框图如图1所示。它主要由声源、信号调理模块、计算机声卡等几部分组成。

要实现智能化多媒体教室的各项功能，语音信号经过技术处理后必须能：

1)在教室本地进行放大传输，即本地传播，这是多媒体教室必备的基本功能；

2)进行远距离传输（至少在校园网内）；

3)故障语音报警功能，出现故障时能向控制中心发出救助信号并能及时得到帮助。

图1 语音采集系统原理框图Fig.1 Block diagram of the speech acquisition system

从以上要求可以看出，语音信号有两种传输方式：一是本地模拟信号的传输；二是基于网络的数字信号的传输。要实现以上的传输，除传统的音响设备外（麦克风、调音设备、功放），还必须运用网络技术和设备（如语音网关、中控、网络摄像机等）。即语音传输的设备、运用技术、配套软件构成了语音传输系统。

3 语音传输系统的设计和实现

1）教室内的传输

主要体现在教室本地音频信号的放大传播上。具体工作流程有二：一是由麦克风把本地上课教师的语音信号转变为模拟的音频电信号，送到音频功率放大器上进行放大，再由音箱把声音还原出来；二是把电脑的音频信号从声卡LINE OUT口（一般是3.5立体声针型头）引出至中控的计算机L G R口，再由中控音频输出至功放的线路输入LINE IN或混合输入AUX IN ，经功放放大后，推动音箱工作把声音还原出来。文中选用了湖山系列的全套音响设备（HSP2100K立体声专业功放、HS 301桌面播音话筒、HSYK100前置反馈器、HSM120专业音箱），由于是同品牌产品，设备之间信号的连接相匹配。其中前置反馈器带三段高质量可调式全频带参量均衡器，可进行话筒高低音、线路音量的独立调节；均衡器及移频组合有效抑制啸叫；更为突出的是有RS232接口，实现了在中控面板上进行话筒、音乐音量的调节，使音质得到保证。这种传输方式，对设备的安装要求相对简单一些。经过反复调试，本文研究是把两只音箱用吊架固定在教室第4排座位上方距地面3m高的两侧面墙壁上，这样既保证放大后的语音清晰，音乐声还原立体感强，还有效避免了声音的啸叫。事实证明，这样的多媒体教室除满足普通上课需要，还能作为对音响效果有一定要求的小型联欢会和影视作品的欣赏场地（到周末或节假日就有班级在多媒体教室开联欢会）。

2）远距离传输

语音信号的网络数字化传输，是实现远距离传输的技术支撑。具体操作方法就是对获取的语音信号按一定的方式进行压缩编码处理后，基于校园网络作载体进行传播。在这里负责处理语音信号的设备有拾音器、网络摄像机、IP电话（话机、语音网关）[2]，其中拾音器拾取的语音信号接入网络摄像机上的音频接口，与摄像机获取的视频信号一起编码处理，再由摄像机网卡输出进入网络系统进行传输；除此之外，还有台式电脑、笔记本电脑本身所用素材携带的音频信号也要传输。所以，为了方便各路信号的传输（不发生冲突），文中为相关的设备规划了IP地址，这些设备分别是台式电脑、IP摄像机、IP电话、网络中控和笔记本电脑，除笔记本电脑的IP为动态获取外，其它的都是固定IP。根据国家网络组建与管理的相关政策和规定，昆明学院规划了一个私有B类网络[3]，分为8个网段，分别是172.16.48.0-172.16.55.0，子网掩码：255.255.248.0。具体分配是：172.16.48.0网段中的IP地址归网络中控使用；网络摄像机的IP在172.16.49.0网段中；语音网关的IP地址在172.16.50.0网段中，台式机的IP地址在172.16.51.0网段中；由于笔记本电脑流动性大，特架设一台DHCP服务器，向多媒体教室中控专用网络中发布172.16.52.0网段中的IP地址，以供笔记本电脑随机获取。

昆明学院共有多媒体教室156间，分布在不同的楼宇中，目前规划的IP地址，满足需要后还留有余地。每间教室中相关设备的IP地址，需要手动配置，这里主要介绍IP电话、网络摄像机IP地址的配置。

①语音网关的IP

IP电话的核心设备是语音网关[4-5]。文中所选用的语音网关是大唐高鸿的MG3000-A-1S1O，它支持H.323协议，具有纯硬件的独立IP电话系统，不需要通过电脑就能独立完成语音通讯。MG3000-A-1S1O共有5个接线口，分别是DC12伏供电口、LAN口、WAN口、FXS口、FXO口。除了供电口外，用其中的上行口WAN与网络连接，FXS口与话机连接。语音网关的IP地址是电脑通过WAN口登陆WEB系统配置的。具体操作方法是：用网线连接WAN口和电脑网卡，把电脑的IP地址调到语音网关WAN口出厂默认的IP地址的同一个网段上，在浏览器网址栏上输入语音网关默认的IP地址，用超级管理员身份和默认密码登陆MG3000-A-1S1O进入WEB管理系统，选择快速配置进入如图2所示界面，在规划好的网段172.16.50.0上，给其中一间教室比如博识楼2001的语音网关分配IP地址为 172.16.50.152，其余各项配置如图2，配置完后点击应用即配置成功。

图2 语音网关IP配置界面Fig.2 IP configuration interface of audio gateway

接着再进行协议配置和端点配置，协议配置注册登记方式为手工配置，主用GK地址172.16.48.5，呼叫信令端口、主用GK端口、本地RAS端口为默认值；端点配置主要是为话机分配号码，本文研究只用FXS口，所以只配置这个端点，号码编制规律是教室楼代号在前教室号在后。如42001中4代表博识楼，2001是教室号。还有首选DNS服务器：202.203.0.202，备用 DNS服务器：202.203.1.203，呼叫路由配置中的路由方向选择：注册IP。

如此依次可把所有多媒体教室语音网关的IP地址和参数配置完并作好标识，把它们放到相应的教室，与相关的设备和网络连接，并装上应用软件，IP映射电话号码成功，就可在网络内正常使用。

②摄像机的IP

拾音器拾取的音频电信号交由网络摄像机编码处理后输出。本文给摄取像机规划的IP在172.16.49.0网段中。用类似于语音网关IP的配置法，先登陆海康威视WEB管理系统（我们选用海康威视DS-2DF528X-YZW智能球机），在基本配置中可查该设备的各项参数和指标，进入图3界面，进行相应的网卡参数配置：IP地址、子网掩码，其次选择音频编码为G.711ulaw，首选DNS服务器配置为8.8.8.8。这是2001教室摄像机的IP地址。

图3 摄像机IP配置界面Fig.3 IP configuration interface of camera

为了方便管理，同一间教室中的网络中控、摄像机、IP电话、台式电脑分配的IP地址 （以2001为例）分别是：172.16.48.152，172.16.49.152，172.16.50.152，172.16.51.152,即同一间教室不同设备的IP虽在不同的网段上，但最后一位是相同的。

③传输的语音信号

从拾音器和IP电话上获取优质的语音信号，是本文研究的重点。经过反复比较验证，选择杭州艾力特KO-220的拾音器，这款拾音器的震膜是一电容咪头，具有拾音范围大、灵敏度高、无指向性、频响范围大（20 Hz～20 kHz）；内置前置放大电路，输出信号幅度大（2.5 Vpp/-25 dB）、传输距离远（3 000 m）；30 kV Air contact ESD、雷击保护、电源极性反接保护；自适应动态降噪处理,含有高速DSP数字信号处理器和数字降噪信号处理电路，能有效的防止语音信号失真及衰减；美国BOURNS专用电位器,可靠音量调节，符合RoHS标准；因此，声音清晰自然。只要严格按要求布线安装好拾音器，拾音器就能获取优质的语音信号。

在实际施工中，拾音器安装在讲台正上方天花板上，距老师活动范围大概2m左右；为避免交流电等强电电源杂波的干扰，采用独立线槽布线和单独12 V直流稳压电源供电，线槽距日光灯镇流器20 cm以上，连接线缆用3芯0.5mm2RVVP屏蔽电缆。按图4方式连接，拾音器输出的音频信号通过长15m左右的屏蔽电缆与摄像机的音频输入端连接。

IP电话传输的语音信号来自话机，只要把话机接到语音网关FXS口，经MAN口把信号送到网络中控即可。

④传输网络的构建

图4 拾音器连接图Fig.4 Pick-up connection diagram

传输网络除要传输音频信号外，还要传输视频信号和台式计算机的网络数据，为保证传输通畅和网络互通，把摄像机信号、IP电话信号、中控信号、笔记本电脑信号连接在中控的网络模块上[6]，利用中控的网络出口向外传送与接收信号，台式机则由网卡向外传送与接收信号。也就是一间教室中有两个网络出口，要布两根网线到不同的交换机上。同一楼宇的所有计算机网线接在一台交换机或串联的多台交换机上；同一楼宇的所有中控出口网线也接在另一台交换机或串联的多台交换机上；两台交换机分别通过光模块连接到两根千兆光纤上作为大楼的出口。然后，不同楼宇中传输计算机网络信号的若干光纤通过光模块串接在一起形成一个计算机专用网，同理，也形成一个中控专用网。最后，两个专用网的光纤进入集控中心的一台光模块汇集层交换机上，实现了两个专用网的互连互通。同样，再用一根光纤连接到校园网的核心层交换机上，就实现了多媒体教室与校园网相连，通过校园网最终连接到Internet。

这样构建的传输网络不但能远距离传输语音信号、视频信号、网络数据，每间教室还能从Internet顺畅地浏览网页；再在客户端、服务器上安装配套的：多媒体电子教室软件、网络中控管理软件、网络综合信息管理平台等各类控制软件，就实现了智能化多媒体教室的多种功能。

图5是整个传输系统安装调试完后，同一段音频信号在多媒体教室现场播放采集的波形和在监控端录制后播放的波形，两图对比波形相同。

图5 音频波形对比Fig.5 The audiowaveform comparison

4 结束语

通过语音传输系统的设计和操作，实现了教室与教室、教室与主控室语音联动视频通讯，即主控室电话铃响的同时就可看见拨打电话教室的监控画面，主控室可通过监看教室端视频进行操作指导，实现对多媒体教室的远程管理和可视化远程帮助。海康威视DS-2DF528X-YZW智能球机采用目前最先进的音视频压缩技术H.264/MPEG4/MJPEG，G.711ulaw/G.711alaw/G.726，配合客户端软件的应用，现场直播和记录下的语音信号声音清晰，无噪音，与画面同步。说明这个语音传输系统是成功的，能让网络资源共享、课件点播浏览、实时素材存贮（课堂实录）、现场教学网络直播成为现实。

[1]雷志华.多媒体教室技术管理的研究与实践[J].实验室研究与探索，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.

[2]林晓鹏.IP语音网关的功能分析及系统实现[J].计算机技术与发展,2010,3(13):47-49.LIN Xiao-peng.Analysis of VoIP gateway and system implementation[J].Computer Technology and Development2010,3(13):47-49.

[3]CEAC国家信息化培训认证管理办公室 网络组建与管理[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[4]姚煜,席军.IP电话技术的现代应用进展[J].信息通信,2013(5):47-48.YAO Yu,XIJun.Themodern application of VoIP technology[J].Information and Communication,2013(5):47-48.

[5]于天宇,潘志安,胡克.IP电话多方通话的设计与实现[J].电脑开发与应用,2013(4):54-57.YU Tian-yu,PAN Zhi-an,HU Ke.Design and implementation of VoIP for Multi party call [J].Computer Technology andDevelopment,2013(4):54-57.

[6]王文鼐,唐宝民.局域网与城域网技术[M].北京:清华大学出版社,2006.