2000的語音系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

關(guān)鍵詞： AMBE-2000 , 語音系統(tǒng)

語音通信是數(shù)字通信系統(tǒng)中最常用的通信方式之一，優(yōu)良的語音編解碼算法能夠更加有效地節(jié)省帶寬資源，提高頻率利用率?，F(xiàn)在語音編碼技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用在話音多路傳輸、衛(wèi)星通信、保密通訊等許多軍事領(lǐng)域。數(shù)字語音系統(tǒng)公司(Digital Voice System Inc)所推出的AMBE-2000是一種基于高級多帶激勵(advanced multi-band excitation)語音編碼算法的高性能，低功耗的實時編解碼芯片，其壓縮率在2 000～9 600 b／s可調(diào)，具有前向糾錯(FEC)、語音激活檢測(VAD)、雙音多頻(DTMF)信號檢測等多種功能。

1 系統(tǒng)介紹

本語音系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)數(shù)字話音與模擬話音的相互轉(zhuǎn)換并處理話音數(shù)據(jù)的編解碼，降低話音數(shù)據(jù)的傳輸速率，提高系統(tǒng)的頻率資源利用率，此外須滿足信息系統(tǒng)的接口要求。模擬話音部分連接耳機話筒組，數(shù)字部分壓縮數(shù)據(jù)流連接外部處理器，解壓數(shù)據(jù)流用于遠距離傳輸語音量化信息。整個語音系統(tǒng)的原理框圖見圖1。

發(fā)送話音時 話音處理板將送入的模擬話音進行A／D采樣量化后，經(jīng)語音編解碼芯片壓縮打包通過CPCI總線或LVDS串行總線送入到信息處理器進行后續(xù)處理；或者通過高速RS 422串口將遠距離傳輸來的語音量化信息經(jīng)壓縮后分別通過CPCI總線或者LVDS串行總線送往信息處理器進行后續(xù)處理。

接收話音時 通過CPCI總線或者LVDS串行總線收到壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)語音編解碼芯片解碼后通過D／A轉(zhuǎn)換將話音轉(zhuǎn)換為模擬信號；或者將收到的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)解壓后通過高速RS 422串口遠距離傳出去。

2 AMBE-2000的功能與特點

AMBE-2000芯片是AMBE-1000的改進產(chǎn)品。與AMBE-1000相比，其語音壓縮算法更優(yōu)化，語音質(zhì)量更高，最低編碼速率也由原來的2 400 b／s降低到2 000 b／s。在硬件和接口方面，也做了若干改進，并提高了其壓縮編碼和前向糾錯編碼(FEC)的效率和可靠性。內(nèi)部計算量小，功耗低。其算法復(fù)雜度為13 MIPS(每秒百萬條指令)，從而可以達到較低的功耗：3．3 V時僅為65 mW，深度睡眠時僅為O．11 mW。

在簡易模型中，AMBE-2000被看作兩個分離原件，編碼器和解碼器。編碼器接收語音量化信息(16-bit線性、8-bit A律或8-bitμ律)并以所期望的速率將壓縮數(shù)據(jù)流輸出信道。相反地，解碼器接收信道壓縮數(shù)據(jù)流，合成語音量化信息。對AMBE-2000編／解碼器接口的時間控制是完全異步的。通常語音接口所接的是A／D、D／A芯片。輸入輸出語音數(shù)據(jù)流必須是相同的。格式(16-bit線性、8-bit A律，或8-bitμ律)。本系統(tǒng)采用AMBE-2000并且A／D-D／A芯片采用16-bit線性采樣的AD73311就是為了與原先設(shè)計的一套基于AMBE-1000的話音系統(tǒng)保持兼容性。基于AMBE-1000舊式語音系統(tǒng)使用了體積過大，功耗較高的16-bit線性的A／D、D／A芯片TI32044，并且采用了一系列同樣缺點的外圍芯片，不適用于低功耗，小體積的發(fā)展趨勢。

3 AMBE-2000與A／D-D／A芯片的接口設(shè)計

A／D-D／A芯片與AMBE-2000之間的語音數(shù)據(jù)流格式應(yīng)當(dāng)是匹配的，即要有統(tǒng)一的格式(16-bit線性、8-bit A律，或8-bμ律)，一般情況下，建議選用16位線性元件。在本設(shè)計中，選用的是AD公司的AD73311?？梢酝ㄟ^配置硬件管腳84，85(CODEC_SEL[1-0]=01b)，將AMBE-2000的語音接口設(shè)置成專門與AD73311通信。所以AMBE-2000和AD73311配合使用會使得電路設(shè)計比較簡單。

AD73311主要特點：

(1)低功耗的16位A／D-D／A轉(zhuǎn)換器，輸入／輸出采樣率和增益皆可通過軟件控制，在話帶范圍內(nèi)可提供70 dB的信噪比。通過串口傳遞語音數(shù)據(jù)，接收控制命令，簡單高效。

(2)輸入的模擬音頻信號經(jīng)過可變增益放大器，A／D轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過串口輸出；反之來自串口的數(shù)字流被轉(zhuǎn)換為模擬信號后，經(jīng)過可變增益放大器后輸出。

(3)AD73311的主要工作模式有兩種：編程模式和數(shù)據(jù)模式。芯片復(fù)位之后處于默認(rèn)的編程模式，這時可以通過串口往控制寄存器寫控制字，來設(shè)定工作狀態(tài)。這里需要注意的是AD73311在3 V低功耗狀態(tài)下(如圖2所示)配置字應(yīng)置為相應(yīng)格式。

(4)上電復(fù)位后，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應(yīng)與AD73311的串行輸入隔離開，并保持365 ms左右，這時，利用FPGA配置AD73311，配置字如下：

設(shè)置完后，寄存器A寫入Q1，表示進入“數(shù)據(jù)模式”，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應(yīng)與AD73311的串行輸入接通，可以進行正常的數(shù)據(jù)傳輸。

4 AMBE-2000與信道的接口設(shè)計

AMBE-2000要求每20 ms編碼器被控制器讀取1次。復(fù)位后，初始幀準(zhǔn)備好則EPR由高變低，之后每隔20 ms準(zhǔn)備好1幀數(shù)據(jù)，相應(yīng)地外部控制器也需要每隔20 ms讀取1個數(shù)據(jù)幀。

EPR脈沖每20 ms出現(xiàn)1次，這也是判斷AMBE-2000是否正常工作的重要依據(jù)。整個讀取數(shù)據(jù)的過程為：

(1)等待小于20 ms的時間；

(2)發(fā)送幀同步信號，讀取AMBE-2000一幀串行輸出數(shù)據(jù)；

(3)如果接收到的數(shù)據(jù)不是0x13EC，說明不是數(shù)據(jù)幀頭，丟棄這一幀并重新執(zhí)行步驟、(2)。

(4)如栗接收薊的數(shù)據(jù)是0x13EC，則讀取本包的剩余23個字。

在該設(shè)計中，使用FPGA作外部控制器。FPGA產(chǎn)生輸入／輸出幀同步信號、輸入／輸出時鐘信號以及AMBE-2000的串行輸入數(shù)據(jù)，并按照AMBE-2000要求的時序關(guān)系與AMBE-2000進行數(shù)據(jù)交換。

表1列舉了AMBE-2000的信道接口信號的特性，其與外部控制器的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3，圖4所示。

5 系統(tǒng)的外圍接口設(shè)計

該系統(tǒng)的外圍接口包括：CPCI接口電路；LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平信號之間的轉(zhuǎn)換電路；LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平信號之間的轉(zhuǎn)換電路；模擬電路。

5．1 CPCI接口電路

使用CPCI專用的橋接芯片可以避開復(fù)雜的PCI協(xié)議，快速地開發(fā)出產(chǎn)品。因此，采用了PLX公司的高性能專用橋接芯片PCI9054實現(xiàn)CPCI接口設(shè)計。利用FPGA內(nèi)部IP核生成雙口并建立與CPCI部分的粘合邏輯，完成CPCI接口設(shè)計。

5．2 LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平之間的轉(zhuǎn)換電路

在本系統(tǒng)內(nèi)除了標(biāo)準(zhǔn)CPCI總線形式實現(xiàn)數(shù)字部分壓縮數(shù)據(jù)流與外部通信設(shè)備的數(shù)據(jù)交換外，還備用了LVDS串行總線方式傳輸，要求傳輸速率可達100 Mb／s。該系統(tǒng)使用MAX9129和MAX9122總線低壓差分信號驅(qū)動器作為LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平信號轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動器。

5．3 LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平之間的轉(zhuǎn)換電路

解壓縮后的語音數(shù)據(jù)流與外部數(shù)字音頻設(shè)備數(shù)據(jù)交換以標(biāo)準(zhǔn)RS 422串行總線方式傳輸，要求傳輸速率可達5 Mb／s。本系統(tǒng)用MAX3491低功耗RS 485／RS 422收發(fā)器作為LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平信號轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動器，用于進行較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。MAX3491每一個芯片內(nèi)包含1個驅(qū)動器和1個接收器，最高傳輸速率可達10 Mb／s。

5．4 模擬電路

模擬放大電路包括運放及一些組容器件。主要作用是采用高性能低噪聲的放大器，通過電位器或適當(dāng)?shù)谋壤娮鑱碚{(diào)整輸入／輸出語音信號的增益。

該設(shè)計的音頻接口電路采用有源平衡式輸入／輸出語音傳輸方式，這種方式起到了差模放大，共模抑制的作用，提高了抗干擾能力。在音頻制作的初期，人們經(jīng)常使用變壓器用于校正不同設(shè)備間的接地電位差并取消電纜線路中產(chǎn)生的電噪聲。它還可以將內(nèi)部具有不平衡高阻抗特性的有源設(shè)備和具有較低阻抗特性的平衡傳輸線相連接。但變壓器提高了成本，增加了系統(tǒng)重量，變壓器有時還會帶來系統(tǒng)失真。因此，設(shè)計者不斷尋求去掉變壓器的方法，結(jié)果就找到了有源平衡式輸入／輸出電路。

6 結(jié)語

該話音系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用6U CPCI標(biāo)準(zhǔn)板卡，半雙工工作方式，在300-3400Hz的話音帶寬內(nèi)，經(jīng)測試話音字可懂度大于等于90％，語音句可懂度達100％，語調(diào)自然，發(fā)音清晰，是一款高質(zhì)量的語音系統(tǒng)。