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語(yǔ)音通信是數字通信系統中最常用的通信方式之一，優(yōu)良的語(yǔ)音編解碼算法能夠更加有效地節省帶寬資源，提高頻率利用率�，F在語(yǔ)音編碼技術(shù)可以廣泛的應用在話(huà)音多路傳輸、衛星通信、保密通訊等許多軍事領(lǐng)域。數字語(yǔ)音系統公司(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(yǔ)音編碼算法的高性能，低功耗的實(shí)時(shí)編解碼芯片，其壓縮率在2 000～9 600 b／s可調，具有前向糾錯(FEC)、語(yǔ)音激活檢測(VAD)、雙音多頻(DTMF)信號檢測等多種功能。 1 系統介紹 本語(yǔ)音系統的主要作用是實(shí)現數字話(huà)音與模擬話(huà)音的相互轉換并處理話(huà)音數據的編解碼，降低話(huà)音數據的傳輸速率，提高系統的頻率資源利用率，此外須滿(mǎn)足信息系統的接口要求。模擬話(huà)音部分連接耳機話(huà)筒組，數字部分壓縮數據流連接外部處理器，解壓數據流用于遠距離傳輸語(yǔ)音量化信息。整個(gè)語(yǔ)音系統的原理框圖見(jiàn)圖1。 發(fā)送話(huà)音時(shí) 話(huà)音處理板將送入的模擬話(huà)音進(jìn)行A／D采樣量化后，經(jīng)語(yǔ)音編解碼芯片壓縮打包通過(guò)CPCI總線(xiàn)或LVDS串行總線(xiàn)送入到信息處理器進(jìn)行后續處理；或者通過(guò)高速RS 422串口將遠距離傳輸來(lái)的語(yǔ)音量化信息經(jīng)壓縮后分別通過(guò)CPCI總線(xiàn)或者LVDS串行總線(xiàn)送往信息處理器進(jìn)行后續處理。 接收話(huà)音時(shí) 通過(guò)CPCI總線(xiàn)或者LVDS串行總線(xiàn)收到壓縮數據，經(jīng)語(yǔ)音編解碼芯片解碼后通過(guò)D／A轉換將話(huà)音轉換為模擬信號；或者將收到的壓縮數據，經(jīng)解壓后通過(guò)高速RS 422串口遠距離傳出去。 2 AMBE-2000的功能與特點(diǎn) AMBE-2000芯片是AMBE-1000的改進(jìn)產(chǎn)品。與AMBE-1000相比，其語(yǔ)音壓縮算法更優(yōu)化，語(yǔ)音質(zhì)量更高，最低編碼速率也由原來(lái)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(jìn)，并提高了其壓縮編碼和前向糾錯編碼(FEC)的效率和可靠性。內部計算量小，功耗低。其算法復雜度為13 MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)，從而可以達到較低的功耗：3．3 V時(shí)僅為65 mW，深度睡眠時(shí)僅為O．11 mW。 在簡(jiǎn)易模型中，AMBE-2000被看作兩個(gè)分離原件，編碼器和解碼器。編碼器接收語(yǔ)音量化信息(16-bit線(xiàn)性、8-bit A律或8-bitμ律)并以所期望的速率將壓縮數據流輸出信道。相反地，解碼器接收信道壓縮數據流，合成語(yǔ)音量化信息。對AMBE-2000編／解碼器接口的時(shí)間控制是完全異步的。通常語(yǔ)音接口所接的是A／D、D／A芯片。輸入輸出語(yǔ)音數據流必須是相同的。格式(16-bit線(xiàn)性、8-bit A律，或8-bitμ律)。本系統采用AMBE-2000并且A／D-D／A芯片采用16-bit線(xiàn)性采樣的AD73311就是為了與原先設計的一套基于A(yíng)MBE-1000的話(huà)音系統保持兼容性�；贏(yíng)MBE-1000舊式語(yǔ)音系統使用了體積過(guò)大，功耗較高的16-bit線(xiàn)性的A／D、D／A芯片TI32044，并且采用了一系列同樣缺點(diǎn)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芯片的接口設計 A／D-D／A芯片與AMBE-2000之間的語(yǔ)音數據流格式應當是匹配的，即要有統一的格式(16-bit線(xiàn)性、8-bit A律，或8-bμ律)，一般情況下，建議選用16位線(xiàn)性元件。在本設計中，選用的是AD公司的AD73311�？梢酝ㄟ^(guò)配置硬件管腳84，85(CODEC_SEL[1-0]=01b)，將AMBE-2000的語(yǔ)音接口設置成專(zhuān)門(mén)與AD73311通信。所以AMBE-2000和AD73311配合使用會(huì )使得電路設計比較簡(jiǎn)單。 AD73311主要特點(diǎn)： (1)低功耗的16位A／D-D／A轉換器，輸入／輸出采樣率和增益皆可通過(guò)軟件控制，在話(huà)帶范圍內可提供70 dB的信噪比。通過(guò)串口傳遞語(yǔ)音數據，接收控制命令，簡(jiǎn)單高效。 (2)輸入的模擬音頻信號經(jīng)過(guò)可變增益放大器，A／D轉換器后轉換為數字信號，通過(guò)串口輸出；反之來(lái)自串口的數字流被轉換為模擬信號后，經(jīng)過(guò)可變增益放大器后輸出。 (3)AD73311的主要工作模式有兩種：編程模式和數據模式。芯片復位之后處于默認的編程模式，這時(shí)可以通過(guò)串口往控制寄存器寫(xiě)控制字，來(lái)設定工作狀態(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)配置字應置為相應格式。 (4)上電復位后，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應與AD73311的串行輸入隔離開(kāi)，并保持365 ms左右，這時(shí)，利用FPGA配置AD73311，配置字如下： 設置完后，寄存器A寫(xiě)入Q1，表示進(jìn)入“數據模式”，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應與AD73311的串行輸入接通，可以進(jìn)行正常的數據傳輸。 4 AMBE-2000與信道的接口設計 AMBE-2000要求每20 ms編碼器被控制器讀取1次。復位后，初始幀準備好則EPR由高變低，之后每隔20 ms準備好1幀數據，相應地外部控制器也需要每隔20 ms讀取1個(gè)數據幀。 EPR脈沖每20 ms出現1次，這也是判斷AMBE-2000是否正常工作的重要依據。整個(gè)讀取數據的過(guò)程為： (1)等待小于20 ms的時(shí)間； (2)發(fā)送幀同步信號，讀取AMBE-2000一幀串行輸出數據； (3)如果接收到的數據不是0x13EC，說(shuō)明不是數據幀頭，丟棄這一幀并重新執行步驟、(2)。 (4)如栗接收薊的數據是0x13EC，則讀取本包的剩余23個(gè)字。 在該設計中，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(shí)鐘信號以及AMBE-2000的串行輸入數據，并按照AMBE-2000要求的時(shí)序關(guān)系與AMBE-2000進(jìn)行數據交換。 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據傳輸方式如圖3，圖4所示。 5 系統的外圍接口設計 該系統的外圍接口包括：CPCI接口電路；LVTTL與標準LVDS電平信號之間的轉換電路；LVTTL與標準RS 422電平信號之間的轉換電路；模擬電路。 5．1 CPCI接口電路 使用CPCI專(zhuān)用的橋接芯片可以避開(kāi)復雜的PCI協(xié)議，快速地開(kāi)發(fā)出產(chǎn)品。因此，采用了PLX公司的高性能專(zhuān)用橋接芯片PCI9054實(shí)現CPCI接口設計。利用FPGA內部IP核生成雙口并建立與CPCI部分的粘合邏輯，完成CPCI接口設計。 5．2 LVTTL與標準LVDS電平之間的轉換電路 在本系統內除了標準CPCI總線(xiàn)形式實(shí)現數字部分壓縮數據流與外部通信設備的數據交換外，還備用了LVDS串行總線(xiàn)方式傳輸，要求傳輸速率可達100 Mb／s。該系統使用MAX9129和MAX9122總線(xiàn)低壓差分信號驅動(dòng)器作為L(cháng)VTTL與標準LVDS電平信號轉換電路的驅動(dòng)器。 5．3 LVTTL與標準RS 422電平之間的轉換電路 解壓縮后的語(yǔ)音數據流與外部數字音頻設備數據交換以標準RS 422串行總線(xiàn)方式傳輸，要求傳輸速率可達5 Mb／s。本系統用MAX3491低功耗RS 485／RS 422收發(fā)器作為L(cháng)VTTL與標準RS 422電平信號轉換電路的驅動(dòng)器，用于進(jìn)行較遠距離的數據傳輸。MAX3491每一個(gè)芯片內包含1個(gè)驅動(dòng)器和1個(gè)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(guò)電位器或適當的比例電阻來(lái)調整輸入／輸出語(yǔ)音信號的增益。 該設計的音頻接口電路采用有源平衡式輸入／輸出語(yǔ)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備間的接地電位差并取消電纜線(xiàn)路中產(chǎn)生的電噪聲。它還可以將內部具有不平衡高阻抗特性的有源設備和具有較低阻抗特性的平衡傳輸線(xiàn)相連接。但變壓器提高了成本，增加了系統重量，變壓器有時(shí)還會(huì )帶來(lái)系統失真。因此，設計者不斷尋求去掉變壓器的方法，結果就找到了有源平衡式輸入／輸出電路。 6 結語(yǔ) 該話(huà)音系統結構采用6U CPCI標準板卡，半雙工工作方式，在300-3400Hz的話(huà)音帶寬內，經(jīng)測試話(huà)音字可懂度大于等于90％，語(yǔ)音句可懂度達100％，語(yǔ)調自然，發(fā)音清晰，是一款高質(zhì)量的語(yǔ)音系統。 |
