??? 摘? 要: 介紹一種基于AMBE-2000和DSP芯片的語音通信終端" title="通信終端">通信終端模塊的原理與實現方案。該終端模塊具有設計簡便、語音編碼速率可變、音質優、性價比高、功耗小等諸多優點,可廣泛應用于衛星通信、短波、微波通信和軍用保密通信等場合。?
??? 關鍵詞: 聲碼器? AMBE? 前向糾錯編碼(FEC)
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??? AMBE-2000是DVSI(Digital Voice System Inc.)公司推出的單片聲碼器芯片。該芯片采用改進的多帶激勵(MBE)算法,能實現可變速率低比特率、高語音音質的語音壓縮編碼。本文基于AMBE-2000,設計并實現了一種語音通信終端模塊。該模塊具有設計簡便、語音編碼速率可變、音質優、接口靈活、工作電壓低、功耗小等諸多優點,可廣泛應用于衛星通信、短波、微波通信和保密通信等場合,具有很高的實用價值。?
1 AMBE-2000功能概述?
1.1 MBE算法介紹?
??? MBE(Multi-Band Excitation)語音編碼技術是上世紀80年代末提出的一種具有高語音質量和強魯棒性的低速率語音編解碼技術。其改進的IMBE算法成為國際移動衛星組織(INMARSAT)和AUSAT移動衛星通信的語音編碼標準。EIA/TIA也選擇了MBE作為北美陸地移動通信系統的編碼標準。MBE語音編解碼算法因其在低速率(<4.8kbps)上的優越性能,在衛星通信、數字話音存儲和保密通信等領域得到廣泛應用。?
??? MBE編碼方式在頻域中按基音各諧波頻率,將一幀語音的頻譜劃分為多個頻帶,對每個頻帶作清、濁音(U/V)判決。對濁音帶,以基音為周期的脈沖序列作為激勵信號" title="激勵信號">激勵信號;對清音帶,則以白噪聲作為激勵信號。總的激勵信號由各帶激勵信號相加構成。用該激勵信號激勵聲道濾波器,最終合成出具有較高自然度的語音。MBE模型使合成語音譜與原語音譜在細致結構上能擬合得很好,因此在低比特率的情況下,其合成語音的音質依然能保持較高的自然度。?
1.2 AMBE-2000的功能與特點?
??? AMBE-2000[1]芯片是AMBE-1000的改進產品。與AMBE-1000相比,其語音壓縮算法更優化,語音質量更高,最低編碼速率也由原來的2.4kbps降低到2.0kbps;在硬件和接口方面,也作了若干改進,并提高了其壓縮編碼和前向糾錯編碼(FEC)的效率和可靠性。AMBE-2000主要具有以下一些特點:?
??? (1)速率多,語音音質高:具有2.0k、2.4k、3.6k、4.0k、4.8k、6.4k、8.0k和9.6kbps八種壓縮速率。當速率在4.0kbps以上時,可得到接近長途電話的話音質量;當速率為2.0kbps時,仍然具有較高的可懂度和自然度。?
??? (2)可變速的FEC功能:可根據信道情況,靈活地選擇FEC的速率。語音和FEC的速率選擇既可以通過硬件管腳設置,也可通過軟件方式設置。?
??? (3)芯片內集成卷積編碼器和Viterbi譯碼器。?
??? (4)低功耗、低復雜度。?
??? (5)能產生和識別雙音多頻(DTMF)信號。?
??? (6)具有語音激活檢測(Voice Activity Detection)功能、回波抵消(Echo Cancelling)功能和舒適噪聲(Comfortable Noise)產生功能等。?
??? (7)串行信道接口可設置為主動和被動方式,傳輸數據可設置成幀結構或非幀結構。?
??? AMBE-2000芯片主要管腳的功能如表1所示。AMBE-2000的工作頻率建議使用16.384MHz,它與晶體有兩種連接方式,如圖1和圖2所示,分別是與有源晶體和無源晶體的連接方法。?
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??? 這兩種方式都可以采用,主要看所用的晶體是有源還是無源。?
2 系統硬件設計與實現?
2.1 系統框圖與原理?
??? 圖3是基于AMBE-2000的語音通信終端模塊的框圖。該通信終端模塊由微控制電路、AMBE-2000、Flash、時序產生電路、A/D、D/A" title="D/A">D/A電路等構成。控制電路采用TI公司的TMS320VC5402[2],用于控制和讀寫AMBE-2000,并與外部交換數據;Flash為一片Intel公司生產的TE28F008,構成1M×8bits的存儲空間,用于存儲程序及初始化數據;時序產生電路由可編程邏輯器件EPM3032S完成,用于產生系統所需的各種時序;A/D、D/A電路則由TLV320AIC10及其外圍電路構成。全部器件均工作于3.3V電壓。?
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??? A/D、D/A芯片與AMBE-2000的CODEC接口相連,進行PCM數據的交換。AMBE-2000的串口" title="串口">串口則與VC5402的多通道自動緩沖串行口McBSP(Multichannel Buffered Serial Port)相連,進行編碼數據的交換;VC5402與外界通過HPI(Host Port Interface)口連接,作為可選方案也可以通過異步串口(XF,BIO)進行數據的交換;VC5402與Flash器件間采用外部并行8位BOOT方式進行程序的裝載。?
2.2 硬件設計?
??? 作為微控制器的TMS320VC5402是TI公司的低功耗、高性能定點DSP芯片,其主要特點包括:?
??? (1)速度快,功能強。?
??? (2)具有優化的CPU結構,內部有32K字節的片內RAM。VC5402既可用于實現復雜的DSP算法和運算,也可用作微控制器,進行智能化控制。?
??? (3)工作電壓低、功耗小。可以在3.3V或2.7V電壓下工作,在低功耗方式(IDLE1、IDLE2和IDLE3)下可降低功耗,特別適于無線移動設備。?
??? (4)智能外設。提供多通道自動緩沖串行口McBSP、與外部設備通信的HPI接口等智能外設。McBSP口提供2K字節數據緩沖的讀寫能力,可以降低處理器的額外開銷。指令周期為20ns時,McBSP的最大數據吞吐量為50Mbps,即使在IDLE方式下,McBSP也可以全速工作。?
??? VC5402除作為微控制器外,還可用于完成其他一些功能,例如信道編譯碼、加密和解密等,根據系統的具體要求可以靈活地添加。AMBE-2000可與多種A/D、D/A芯片接口,選用不同的A/D、D/A芯片,管腳CODEC_SEL[1～0]需要進行不同的設置,具體如表2所示。?
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??? 本系統中,A/D、D/A芯片采用TLV320AIC10。TLV320AIC10是TI公司的線性PCM編解碼芯片,芯片內部具有ADC模擬抗混迭濾波器和數字FIR濾波器,有良好的抗混迭和抗噪聲能力,具有可編程的輸入輸出增益控制、可編程的ADC和DAC轉換速率控制,工作電壓為3.3V～5V,還具有低功耗工作模式。?
????AMBE-2000與TLV320AIC10的連接如圖4所示。CODEC_SEL[1～0]在硬件上接地,設置A/D方式為16位線性PCM,其晶體頻率采用16.384MHz,幀同步時鐘和位同步時鐘均由TLV320AIC10產生,并提供給AMBE-2000。?
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????可編程邏輯器件EPM3032S用于產生系統所需的其他各種時序(如AMBE-2000的信道串口時序等)以及片選信號等,EPM3032S是基于E2PROM工藝的PLD器件,器件的規模為2000門左右,具有在系統可編程(ISP,In-System Programmable)能力,使用方便。在設計時,應預留下載接口。?
??? 28F008是Intel公司的1M字節的Flash存儲器,用于存儲VC5402的程序及初始化數據。28F008與VC5402的連接[3]如圖5所示。圖中,28F008作為VC5402的外部數據存儲器,地址總線和數據總線接至VC5402的外部總線,
R/W引腳與
跳線接低時,Flash 處于讀狀態,跳線接高時,Flash可擦或可編程,此時可向Flash中寫入程序。?
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3 軟件編程?
??? 整個系統的工作過程如下:系統加電、TMS320VC5402復位后,由其內部固化的自引導程序(BOOT)將存于Flash(28F008)中的程序和數據搬移至內部RAM;然后VC5402復位AMBE-2000芯片,開始進行語音編解碼。AMBE-2000每20ms完成一幀語音數據的編解碼運算,并與VC5402交換一次數據。VC5402將編碼后的語音輸出,同時將從信道或其他設備得到的數據送到AMBE-2000進行解碼。?
??? 軟件編程主要是對TMS320VC5402進行編程,程序分為主程序模塊、與AMBE-2000間的通信和控制模塊、與外界數據通信模塊以及BOOT程序加載模塊等。?
??? 主程序模塊。該模塊執行程序的初始化,包括對VC5402的接口和寄存器的初始化;對AMBE-2000的復位和速率設置,對話音激活檢測、回波抵消功能的設置;對TLV320AIC10的初始化等,此外還提供對中斷服務程序的調度控制。對TLV320AIC10的初始化主要是設置它的4個控制寄存器" title="控制寄存器">控制寄存器,其中控制寄存器1的作用是使能運算放大器,使能或旁路ADC模擬抗混迭濾波器,使能或旁路數字FIR濾波器,激活軟件復位等;控制寄存器2的作用是低功耗模式控制,分頻寄存器控制(決定濾波器的時鐘頻率和取樣周期);控制寄存器3的作用是選擇模擬信號自環和數字信號自環,控制連續數據傳輸模式等;控制寄存器4的作用是控制輸入和輸出增益(通過控制輸入和輸出可編程增益放大器來實現)。?
??? VC5402與AMBE-2000間交換數據以標準串行方式進行。VC5402的McBSP接口在結構上可分為一個數據通道和一個控制通道。數據通道完成數據的發送和接收;控制通道完成通道的選擇與控制等功能。在編寫串行通信子程序時,采用中斷方式。每來一次中斷,執行一次數據發送和接收。?
??? VC5402與外界通過HPI口連接。HPI為8位并行口,通過它可完成VC5402與外部設備的數據交換,可以采用8位并行方式,也可以采用16位并行方式。HPI接口主要通過三個寄存器,包括控制寄存器、數據寄存器和地址寄存器實現數據的搬移,程序編寫比較方便。另外作為一種備選方案,也可以通過異步串口,只通過XF和BIO兩根線實現與外部設備的數據交換。?
??? VC5402與Flash器件采用外部并行8位BOOT方式進行程序的裝載。VC5402提供了多種BOOT方法,包括:并行I/O口BOOT、串行口BOOT、HPI口BOOT、外部并行BOOT等。這些不同的BOOT方式可以滿足用戶不同的應用場合。在編寫BOOT程序時,需要將VC5402設置為微計算機工作方式(MP/MC引腳置低)。這樣DSP復位后,程序就從內部ROM開始運行BOOT程序,將存儲于Flash器件中的程序搬移至內部RAM中執行。?
4 系統實現?
??? AMBE-2000的速率設置采用軟件方式,由VC5402通過串行接口發送命令字設置。按本設計方案實現了系統在將語音速率設置為2.4kbps、FEC設置為1.2kbps時,系統能穩定地工作于信道誤碼率為4%的環境中,而且系統能根據需要很方便地對語音速率和FEC速率進行改變,實現變速率語音通信。?
參考文獻?
1 AMBE-2000TM Vocoder Chip User＇s Manual Version 3.0.Digital Voice Systems Inc. 2000?
2 Digital Signal Processing Applications with the TMS320?Family: Theory,Algorithms,and Implementations,Volume 1.Texas Instruments,1989?
3 張雄偉,曹鐵勇. DSP芯片的原理與開發應用. 北京:電子工業出版社, 2000