一種多通道數(shù)話同傳電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

一種多通道數(shù)話同傳電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1線傳輸作戰(zhàn)信息及語(yǔ)音通信指揮中心由幾個(gè)炮艇、彈藥車(chē)等輔助車(chē)輛組成。如圖1所示，指揮中心與下屬車(chē)輛通過(guò)廣播和雙絞線傳輸軍事信息和語(yǔ)音通信。數(shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸通過(guò)硬件開(kāi)關(guān)控制,這種方式雖簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、但是需要人工干預(yù),數(shù)話不能同時(shí)傳輸,導(dǎo)致作戰(zhàn)信息傳輸實(shí)時(shí)性差,影響作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。本設(shè)計(jì)在保證傳送話音質(zhì)量的基礎(chǔ)上,采用AMBE_2000TM芯片對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化壓縮,應(yīng)用動(dòng)態(tài)時(shí)分復(fù)用等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了裝備間的數(shù)話同傳。2數(shù)話同傳模塊系統(tǒng)模型如圖2所示,語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化壓縮,與輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)同時(shí)送的處理器,經(jīng)過(guò)軟件處理,采用時(shí)分復(fù)用的方式送給發(fā)送端數(shù)傳設(shè)備;再經(jīng)過(guò)有線或無(wú)線信道送到接收端數(shù)傳設(shè)備,進(jìn)行數(shù)話分離,語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)解碼后送到話音輸出設(shè)備,數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)格式匹配后送給數(shù)據(jù)終端。數(shù)話同傳模塊主要由數(shù)據(jù)采集單元、語(yǔ)音編解碼單元、主處理單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸單元和電源單元等組成,如圖3所示。由話筒送來(lái)的模擬語(yǔ)音信號(hào)由電壓變換電路將其電壓范圍轉(zhuǎn)換為適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓輸入范圍。為了防止因?yàn)轭l譜混疊而在接收端恢復(fù)時(shí)引起語(yǔ)音失真,對(duì)話筒來(lái)的語(yǔ)音信號(hào)在采樣前進(jìn)行了低通濾波,濾波時(shí)采用四階低通濾波器,由2個(gè)二階Butterworth低通濾波器串聯(lián)而成。2.1d/a轉(zhuǎn)換解碼通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用AD73311,該芯片用起來(lái)非常靈活,內(nèi)部共有5個(gè)控制寄存器組(CRA,CRB,CRC,CRD,CRE),其中CRA用以設(shè)置AD73311的上作模式(5種)、芯片級(jí)連個(gè)數(shù)(1～8個(gè))和軟件重置RESET;CRB用以設(shè)置主時(shí)鐘分頻因子和串行時(shí)鐘分頻因子;CRC用以設(shè)置內(nèi)部參考電壓的電源管理;CRD用以設(shè)置輸入/輸出可編程放大器的增益;CRE用以設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換通道的群延時(shí)。AD73311具有諸多優(yōu)良性能,如內(nèi)含16b信噪比為75dB的A/D轉(zhuǎn)換器和信噪比為70dB的D/A轉(zhuǎn)換器,采樣頻率和輸入/輸出增益均可程控,自帶參考電壓和低功耗以及串行輸入/輸出接口等。A/D轉(zhuǎn)換編碼通道包括可編程增益放大器、模擬Σ-Δ調(diào)制器、反混疊數(shù)字濾波抽取器。輸入放大器提供0～38dB的增益,這樣在小信號(hào)輸入時(shí),就可省去外部的放大器,簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。Σ-Δ調(diào)制器采用了過(guò)采樣和噪聲形成技術(shù)。采用過(guò)采樣技術(shù)降低了輸入反混迭濾波器的要求,使量化噪聲分布在更寬的范圍內(nèi)(0～1/2過(guò)采樣率),這樣語(yǔ)音通帶內(nèi)的噪聲分量就相對(duì)減少。反混疊數(shù)字濾波抽取器實(shí)際上包括反混疊數(shù)字濾波器和(32∶1)抽取器,反混疊數(shù)字濾波器用以消除高頻噪聲,濾波抽取器的作用是提高A/D轉(zhuǎn)換的分頻率和降低采樣率。D/A轉(zhuǎn)換解碼通道的構(gòu)成和工作原理與A/D轉(zhuǎn)換編碼通道相似,它包括反鏡像數(shù)字濾波內(nèi)插器、數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器,1bD/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和帶差分輸出端的可編程增益放大器。數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的作用是將語(yǔ)音通帶內(nèi)的噪聲轉(zhuǎn)移到語(yǔ)音通帶之外。輸出可編程放大器是將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)放大輸出,它的增益在+6～-15dB之間可調(diào),由內(nèi)部控制寄存器D中的3位(CRD:4～6)控制。2.2語(yǔ)音激勵(lì)信號(hào)及速率選擇人類(lèi)語(yǔ)音頻帶基本上在10～10000Hz之間,其中80%的能量集中在300～3400Hz之間。直接傳送語(yǔ)音信號(hào)會(huì)占用較多的帶寬,因此,采用DVSI(DigitalVoiceSystemsIns)公司推出的AMBE_2000單片聲碼器芯片對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行壓縮和解壓。該芯片是一款適應(yīng)性強(qiáng)、高性能、低功耗的單片實(shí)時(shí)全雙工語(yǔ)音壓縮解壓芯片,采用改進(jìn)的多帶激勵(lì)(MBE)算法,能實(shí)現(xiàn)可變速率低比特率、高語(yǔ)音音質(zhì)的語(yǔ)音壓縮編碼。MBE編碼方式在頻域中按基音各諧波頻率,將1幀語(yǔ)音的頻譜劃分為多個(gè)頻帶,對(duì)每個(gè)頻帶做清、濁音(U/V)判決。對(duì)濁音帶,以基音為周期的脈沖序列作為激勵(lì)信號(hào);對(duì)清音帶,則以白噪聲作為激勵(lì)信號(hào)?？偟募?lì)信號(hào)由各帶激勵(lì)信號(hào)相加構(gòu)成。用該激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)聲道濾波器,最終合成出具有較高自然度的語(yǔ)音。MBE模型使合成語(yǔ)音譜與原語(yǔ)音譜在細(xì)致結(jié)構(gòu)上能擬合得很好,因此在低比特率的情況下,其合成語(yǔ)音的音質(zhì)依然能保持較高的自然度。最低編碼速率可到2.0kb/s?？偟脕?lái)說(shuō)AMBE_2000具備功能特點(diǎn)為:速率多,語(yǔ)音音質(zhì)高:具有2.0kb/s,2.4kb/s,3.6kb/s,4.0kb/s,4.8kb/s,6.4kb/s,8.0kb/s和9.6kb/s八種壓縮速率當(dāng)速率在4.0kb/s以上時(shí),可得到接近長(zhǎng)途電話的話音質(zhì)量;當(dāng)速率為2.0kb/s時(shí),仍然具有較高的可懂度和自然度;可變速的FEC功能:可根據(jù)信道情況,靈活地選擇FEC的速率。語(yǔ)音和FEC的速率選擇既可以通過(guò)硬件管腳設(shè)置,也可通過(guò)軟件方式設(shè)置;芯片內(nèi)集成卷積編碼器和Viterbi譯碼器;低功耗、低復(fù)雜度;能產(chǎn)生和識(shí)別雙音多頻(DTMF)信號(hào);具有語(yǔ)音激活檢測(cè)(VoiceActivityDetection)功能、回波抵消(EchoCancelling)功能和舒適噪聲(ComfortableNoise)產(chǎn)生功能等;串行信道接口可設(shè)置為主動(dòng)和被動(dòng)方式,傳輸數(shù)據(jù)可設(shè)置成幀結(jié)構(gòu)或非幀結(jié)構(gòu)。在本系統(tǒng)中,AMBE_2000和AD73311的工作頻率都使用16.384MHz,晶振采用有源晶振,壓縮速率選用4.8kHz。與主處理單元的接口采用主動(dòng)模式,數(shù)據(jù)格式采用有幀格式。2.3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主處理單元采用Atmel公司的單片機(jī)AT89C52。AT89C52單片機(jī)具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8kBFLASH閃速存儲(chǔ)器,256B內(nèi)部RAM,32個(gè)I/O口線,3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,1個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu),1個(gè)全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。采用12MHz的晶體振蕩器,Timer0工作于模式1,每隔50ms產(chǎn)生中斷調(diào)用看門(mén)狗子程序,防止程序跑飛;Timer2工作于自動(dòng)重裝載方式,它控制著整個(gè)系統(tǒng)有序、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作,實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)判斷,數(shù)據(jù)語(yǔ)音傳輸時(shí)序控制等。傳輸信道,有線信道采用485串行通信,無(wú)線信道采用DSSS直接序列擴(kuò)頻。有效通信距離≥5km。主要芯片連接關(guān)系如圖4所示。3有音的語(yǔ)音/語(yǔ)音業(yè)務(wù)AD73311、AMBE_2000通電后先后復(fù)位,AMBE_2000對(duì)AD73311自動(dòng)進(jìn)行初始化。AMBE_2000依次發(fā)送0x8113,Ox82f9,0x8300及0x8001。前面3個(gè)控制字設(shè)置AD73311進(jìn)入以下工作狀態(tài):DMCLK(設(shè)備內(nèi)部主時(shí)鐘)=MCLK(外部主時(shí)鐘)/2=8.046MHz,SCLK(串口時(shí)鐘)=MCLK/116=1.024MHz;Samplerats(采樣頻率)=MCLK/512=32kHz。這些數(shù)值都可在AD73311的相應(yīng)管腳測(cè)得。最后1個(gè)控制字標(biāo)志著控制字設(shè)置的結(jié)束,令A(yù)D73311進(jìn)入收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。在無(wú)話音數(shù)據(jù)傳輸時(shí),AT89C52將從串口接收的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)送給數(shù)傳設(shè)備,數(shù)傳設(shè)備對(duì)傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)增加前向糾錯(cuò)(FEC)、循環(huán)兀余校驗(yàn)(CRC)位后,按Mobitex標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交織和擾碼處理,再附上比特同步和幀同步字節(jié)后,把數(shù)據(jù)包送到有線或無(wú)線,送到接收端。當(dāng)有話音數(shù)據(jù)傳輸時(shí),經(jīng)過(guò)AMBE_2000壓縮后,輸出4.8kb/s的壓縮話音數(shù)據(jù),這些話音數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)AT89C52除包延時(shí)處理后與串口接收的外部數(shù)據(jù)一起打包送到數(shù)傳設(shè)備,在經(jīng)有線或無(wú)線信道采用9.6kb/s傳送到接收端,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音的同時(shí)傳輸。在數(shù)據(jù)接收時(shí),數(shù)傳設(shè)備經(jīng)檢錯(cuò)和撤包處理后,將數(shù)據(jù)傳送給主處理單元進(jìn)行判斷處理,如果是數(shù)據(jù)信號(hào)則通過(guò)格式匹配