基于PIC的低速率無線語音通信系統(tǒng)

在移動(dòng)電話已經(jīng)成為人們生活必需品的今天，一種低成本的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)也在日益發(fā)展中。它不同于移動(dòng)電話，不用根據(jù)通話時(shí)間計(jì)費(fèi)，不存在網(wǎng)絡(luò)擁堵的問題。在設(shè)計(jì)語音通信系統(tǒng)的過程中，語音信號(hào)處理[1]的方法關(guān)系到系統(tǒng)的性能，隨著對(duì)通信質(zhì)量要求的提高，人們需要用較少的碼率來獲得盡可能好的合成語音質(zhì)量[2]。

TETRA系統(tǒng)采用的低速率ACELP壓縮算法[3]，是一種改進(jìn)型的CELP，其碼率被壓縮至4.567 kb/s，仍能保證高質(zhì)量的話音服務(wù)[4]。近幾年對(duì)ACELP算法的研究大部分集中在算法的仿真。本文主要設(shè)計(jì)了ACELP算法應(yīng)用的硬件系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)概述

Microchip公司推出的dsPICXX器件[5]將高性能16位單片機(jī)的控制特點(diǎn)與DSP高速運(yùn)算的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了適合的單芯片、單指令流的解決方案。其獨(dú)特的RISC結(jié)構(gòu)精簡指令與傳統(tǒng)的采用CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)相比，可以達(dá)到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍，使其執(zhí)行效率大為提高[6]。

在用單個(gè)dsPICXX器件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法處理和控制操作時(shí)，存在通話質(zhì)量差，不易擴(kuò)展等功能，作為改進(jìn)方案設(shè)計(jì)了雙單片機(jī)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。將計(jì)算量較大的語音壓縮編碼部分單獨(dú)用dsPIC33FJ64GP706實(shí)現(xiàn)，用PIC24FJ32GA004作為主控芯片，控制信號(hào)之間的同步并處理按鍵信息，CC1100內(nèi)有快速頻率變動(dòng)合成器，能夠?qū)崿F(xiàn)頻率跳躍，通過PIC24FJ32GA004不斷改變CC1100的載波頻率，實(shí)現(xiàn)了跳頻通信。

系統(tǒng)包括語音模塊、語音編解碼模塊、控制模塊、RF模塊以及各個(gè)模塊的接口。本文設(shè)計(jì)時(shí)將語音編解碼模塊和控制模塊按其功能分別簡寫為DSP模塊和CPU模塊。

1.1 語音模塊

本模塊的作用是將麥克風(fēng)微弱語音信號(hào)放大給A/D，以及將從D/A出來的語音播放出去。在語音輸入A/D電路中，利用運(yùn)放芯片 LPV321M5，采用單電源3.3 V供電，將輸出的信號(hào)送到A/D。在語音輸出A/D電路中，采用LM4673音頻放大器進(jìn)行語音放大。圖2是AD73311的外圍電路圖。芯片復(fù)位之后才能工作，復(fù)位時(shí)間至少為4個(gè)DMCLK周期。

在圖1中，CPU傳出的控制命令(即手持終端機(jī)的旋鈕音量控制命令)將作用于AD73311內(nèi)部集成的可編程增益放大器PGA來實(shí)現(xiàn)輸出模擬音量的可控調(diào)節(jié)。設(shè)定AD73311工作在混合模式，控制字可以交叉在DAC數(shù)據(jù)流中一起傳送，對(duì)于語音30 ms為一幀的處理速度，交叉?zhèn)鬏斂刂谱植粫?huì)影響語音質(zhì)量。PGA增益由CRD：4～6三位設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)+6 dB～-15 dB范圍的音量調(diào)節(jié)。

1.2 時(shí)序分配

圖2中AUDIO_MCLK是主時(shí)鐘輸入，由外部時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)，DSP中的輸出比較OC模塊將產(chǎn)生供AD73311工作所需的2.048 MHz時(shí)序波形，因AD73311是可編程的，通過設(shè)置CRB:4-6=000、CRB:2-3=00、CRB:0-1=11,分別得到內(nèi)部主時(shí)鐘頻率DMCLK為2.048 MHz，串行時(shí)鐘頻率SCLK為256 kHz，串行口的幀同步頻率即采樣頻率FS為8 kHz。4個(gè)I/O引腳AUDIO-SDI、AUDIO-SDO、AUDIO-SDFS、AUDIO-SCLK與DCI有關(guān)，采用基于DMA控制器的DCI設(shè)計(jì)，在不需要CPU干預(yù)下可完成數(shù)據(jù)傳輸，DCI接口負(fù)責(zé)傳輸16 bit的A/D、D/A數(shù)據(jù)和音量控制命令。

DSPIC33工作頻率支持最高40 MHz的工作速度（指令時(shí)鐘），為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸信號(hào)，要盡可能達(dá)到最高工作速度，設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了芯片的內(nèi)部資源——由PIC24的輸出比較模塊OC產(chǎn)生2.048 MHz給DSPIC33，DSPIC33再經(jīng)內(nèi)部PLL鎖相環(huán)產(chǎn)生38.912 MHz的指令時(shí)鐘。PIC24外接7.168 MHz晶振獲得工作時(shí)鐘。

1.3 SPI串行接口模塊

SDI、SDO、SCK、SS是SPI串行接口的4個(gè)引腳，CPU內(nèi)部集成著兩塊SPI模塊，其中與DSP相連的SPI1模塊工作在SPI主/幀主模式，相應(yīng)的DSP中的SPIx模塊工作在SPI從/幀從模式。配置為主模塊的CPU為從器件DSP提供SPI串行時(shí)鐘和同步信號(hào)。

當(dāng)CPU通過SPI向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DSP中的數(shù)據(jù)也會(huì)傳遞過來，此時(shí)無論數(shù)據(jù)是否寫入SPIBUF，只要接收到幀同步脈沖時(shí)都將啟動(dòng)發(fā)送，所以在接收幀同步脈沖前，必須保證DSP中裝入了正確的發(fā)送數(shù)據(jù)。在DSP的實(shí)現(xiàn)過程中，當(dāng)語音壓縮完畢后，會(huì)通過UART發(fā)送握手信號(hào)，表明數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備好。所以，當(dāng)CPU成功接收到合成語音參數(shù)，并且接收到握手信號(hào)后，才可以向DSP發(fā)送數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中UART只進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)傳輸，兩芯片間的連接較為簡單，只需將收發(fā)引腳交替連接就可以了。

射頻收發(fā)CC1100芯片通過4線SPI兼容接口SI、SO、SCLK、CSn實(shí)現(xiàn)配置，如圖3所示，這個(gè)接口同時(shí)用作寫和讀緩存數(shù)據(jù)，接口上的數(shù)據(jù)頭字節(jié)包含一個(gè)讀/寫位，一個(gè)突發(fā)訪問位和一個(gè)6位地址，突發(fā)訪問位表明數(shù)據(jù)是否連續(xù)，若連續(xù)，寄存器的地址將自動(dòng)加1。在CPU發(fā)送數(shù)據(jù)之前，CPU必須先完成對(duì)CC1100的配置，可以設(shè)置調(diào)制方式、信道帶寬、是否進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，還可以對(duì)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)置。本系統(tǒng)采用的跳頻方式較為簡單，頻率每30 ms（一幀語音的時(shí)間）改變一次。信道的中心頻率由432 MHz～434 MHz按照遞增的方式進(jìn)行跳變，公差為20 kHz，當(dāng)中心頻率到達(dá)434 MHz后，中心頻率再按照遞減的方式進(jìn)行跳變，公差不變。


2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 DSP模塊的軟件實(shí)現(xiàn)過程

程序主要由主程序和中斷程序組成，在初始化時(shí)進(jìn)行如下設(shè)定：DCI接口工作在多通道幀同步模式下，字長16，緩沖區(qū)接收1個(gè)數(shù)據(jù)后觸發(fā)中斷，DCI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用DMA通道，且數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇袝r(shí)鐘和幀同步都由AD73311提供；SPI工作在從/幀從模式下。在主程序中，設(shè)置好3個(gè)接口，然后不斷檢測相關(guān)的標(biāo)志位并進(jìn)行相應(yīng)的處理，中斷程序包括DMA、SPI和UART接收緩沖區(qū)滿中斷。主程序的流程圖如圖4所示。


2.2 CPU模塊的軟件實(shí)現(xiàn)過程

PIC24是整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入按鍵信息的處理、發(fā)送音量調(diào)節(jié)命令、配制CC1100、產(chǎn)生跳頻圖案、控制數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)機(jī)等功能。向CC1100發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行同步控制，主要是為了通信終端以時(shí)分復(fù)用的方式占用信道，具體是在一個(gè)語音幀內(nèi)（30 ms），信道被分配給終端A 10 ms,空閑5 ms作為保護(hù)時(shí)隙，再分配給終端B 10 ms，留5 ms的保護(hù)時(shí)隙，這樣在一幀語音的時(shí)間內(nèi)，可以完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)終端的同步對(duì)話。通信終端在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)分為主叫方和被叫方兩種模式，圖5給出了CPU主叫模式的流程圖。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中豐富的PIC外設(shè)資源和靈活的外圍接口電路可以為語音信號(hào)處理的其他算法研究和實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)提供一個(gè)通用平臺(tái)，也為進(jìn)一步處理噪聲抑制和回聲控制奠定了硬件基礎(chǔ)。