基于AMBE-2000的多速率語音通信終端模塊

摘要：介紹一種基于AMBE-2000和DSP芯片的語音通信終端模塊的原理與實現(xiàn)方案。該終端模塊具有設(shè)計簡便、語音編碼速率可變、音質(zhì)優(yōu)、性價比高、功耗小等諸多優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、短波、微波通信和軍用保密通信等場合。關(guān)鍵詞：聲碼器 AMBE 前向糾錯編碼（FEC） 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(xiàn)可變速率低比特率、高語音音質(zhì)的語音壓縮編碼。本文基于ＡＭＢＥ－２０００，設(shè)計并實現(xiàn)了一種語音通信終端模塊。該模塊具有設(shè)計簡便、語音編碼速率可變、音質(zhì)優(yōu)、接口靈活、工作電壓低、功耗小等諸多優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)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(shù)是上世紀８０年代末提出的一種具有高語音質(zhì)量和強魯棒性的低速率語音編解碼技術(shù)。其改進的ＩＭＢＥ算法成為國際移動衛(wèi)星組織（ＩＮＭＡＲＳＡＴ）和ＡＵＳＡＴ移動衛(wèi)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(tǒng)的編碼標準。ＭＢＥ語音編解碼算法因其在低速率（＜４．８ｋｂｐｓ）上的優(yōu)越性能，在衛(wèi)星通信、數(shù)字話音存儲和保密通信等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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；對清音帶，則以白噪聲作為激勵信號?？偟募钚盘栍筛鲙Ъ钚盘栂嗉訕?gòu)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(jié)構(gòu)上能擬合得很好，因此在低比特率的情況下，其合成語音的音質(zhì)依然能保持較高的自然度。 １．２ 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２．４ｋｂｐｓ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(zhì)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(zhì)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(jù)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(shè)置，也可通過軟件方式設(shè)置。 （３）芯片內(nèi)集成卷積編碼器和Ｖｉｔｅｒｂｉ譯碼器。 （４）低功耗、低復(fù)雜度。 （５）能產(chǎn)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(chǎn)生功能等。 （７）串行信道接口可設(shè)置為主動和被動方式，傳輸數(shù)據(jù)可設(shè)置成幀結(jié)構(gòu)或非幀結(jié)構(gòu)。 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。表1 AMBE-2000主要管腳功能 管 腳 功 能RATE_SEL[4～0]用于選擇編碼速率和FEC速率CHANN_SEL[1～0]選擇信道接口方式（主動、被動、幀結(jié)構(gòu)、非幀結(jié)構(gòu)等）CHAN_RX_DATA,CHAN_TX_DATA,CHAN_RX_CLK,CHAN_TX_CLK,CHAN_RX_STRB,CHAN_TX_STRB串行信道接口引腳，分別為信道接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、接收時鐘和發(fā)送時鐘、接收和發(fā)送幀同步脈沖CODEC_SEL[1～0]A/D接口方式選擇（如16its線性量化、A率或μ率量化等）CODEC_RX_DATA，CODEC_TX_DATA，CODEC_RX_CLK，CODEC_TX_CLK，CODEC_RX_STRB，CODEC_TX_STRB與A/D芯片的接口引腳，分別是數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送、接收時鐘和發(fā)送時鐘、接收和發(fā)送幀同步信號EPR在芯片復(fù)位后，該引腳有一個跳沿產(chǎn)生，表示第1個編碼幀已準備好，一幀將在20ms后產(chǎn)生ECHOCAN_EN回波抵消使能，高電平有效VAD_ENVAD使能，高電平有效SLEEP_EN標準睡眠方式使能，高電平有效X2/CLKIN時鐘輸入（16.384MHz）RESETN復(fù)位，低電平有效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(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn) ２．１ 系統(tǒng)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(chǎn)生電路、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ電路等構(gòu)成?？刂齐娐凡捎茫裕晒镜模裕停樱常玻埃郑茫担矗埃?眼２?演，用于控制和讀寫ＡＭＢＥ－２０００，并與外部交換數(shù)據(jù)；Ｆｌａｓｈ為一片Ｉｎｔｅｌ公司生產(chǎn)的ＴＥ２８Ｆ００８，構(gòu)成１Ｍ%26;#215;８ｂｉｔｓ的存儲空間，用于存儲程序及初始化數(shù)據(jù)；時序產(chǎn)生電路由可編程邏輯器件ＥＰＭ３０３２Ｓ完成，用于產(chǎn)生系統(tǒng)所需的各種時序；Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ電路則由ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０及其外圍電路構(gòu)成。全部器件均工作于３．３Ｖ電壓。 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片與ＡＭＢＥ－２０００的ＣＯＤＥＣ接口相連，進行ＰＣＭ數(shù)據(jù)的交換。ＡＭＢＥ－２０００的串口則與ＶＣ５４０２的多通道自動緩沖串行口ＭｃＢＳＰ（Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ）相連，進行編碼數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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。圖3 基于AMBE-2000的語音通信終端模塊框圖２．２ 硬件設(shè)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(yōu)化的ＣＰＵ結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有３２Ｋ字節(jié)的片內(nèi)ＲＡＭ。ＶＣ５４０２既可用于實現(xiàn)復(fù)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?？梢栽冢常常只颍玻罚蛛妷合鹿ぷ?，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(shè)備。 （４）智能外設(shè)。提供多通道自動緩沖串行口ＭｃＢＳＰ、與外部設(shè)備通信的ＨＰＩ接口等智能外設(shè)。ＭｃＢＳＰ口提供２Ｋ字節(jié)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)系統(tǒng)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需要進行不同的設(shè)置，具體如表２所示。表2 A/D、D/A類型設(shè)置 A/D、D/A類型CODEC_SEL[1～0]普通16位線性，8kHz00A/D芯片73311，32kHz01普通μ率，8kHz10普通A率，8kHz11本系統(tǒng)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(nèi)部具有ＡＤＣ模擬抗混迭濾波器和數(shù)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(zhuǎn)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?眼１～０?演在硬件上接地，設(shè)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(chǎn)生，并提供給ＡＭＢＥ－２０００。 可編程邏輯器件ＥＰＭ３０３２Ｓ用于產(chǎn)生系統(tǒng)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(guī)模為２０００門左右，具有在系統(tǒng)可編程（ＩＳＰ，Ｉｎ－Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）能力，使用方便。在設(shè)計時，應(yīng)預(yù)留下載接口。２８Ｆ００８是Ｉｎｔｅｌ公司的１Ｍ字節(jié)的Ｆｌａｓｈ存儲器，用于存儲ＶＣ５４０２的程序及初始化數(shù)據(jù)。２８Ｆ００８與ＶＣ５４０２的連接?眼３?演如圖５所示。圖中，２８Ｆ００８作為ＶＣ５４０２的外部數(shù)據(jù)存儲器，地址總線和數(shù)據(jù)總線接至ＶＣ５４０２的外部總線，ＣＥ接至ＶＣ５４０２的ＤＳ引腳，Ｒ／Ｗ引腳與ＭＳＴＲＢ相或后接至ＷＥ，ＯＥ引腳接至一個跳線，跳線接低時，Ｆｌａｓｈ 處于讀狀態(tài)，跳線接高時，Ｆｌａｓｈ可擦或可編程，此時可向Ｆｌａｓｈ中寫入程序。 ３ 軟件編程 整個系統(tǒng)的工作過程如下：系統(tǒng)加電、ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２復(fù)位后，由其內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序（ＢＯＯＴ）將存于Ｆｌａｓｈ（２８Ｆ００８）中的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部ＲＡＭ；然后ＶＣ５４０２復(fù)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(shù)據(jù)的編解碼運算，并與ＶＣ５４０２交換一次數(shù)據(jù)。ＶＣ５４０２將編碼后的語音輸出，同時將從信道或其他設(shè)備得到的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信模塊以及ＢＯＯＴ程序加載模塊等。 主程序模塊。該模塊執(zhí)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(fù)位和速率設(shè)置，對話音激活檢測、回波抵消功能的設(shè)置；對ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的初始化等，此外還提供對中斷服務(wù)程序的調(diào)度控制。對ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的初始化主要是設(shè)置它的４個控制寄存器，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(shù)字ＦＩＲ濾波器，激活軟件復(fù)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(huán)和數(shù)字信號自環(huán)，控制連續(xù)數(shù)據(jù)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(xiàn)）。 ＶＣ５４０２與ＡＭＢＥ－２０００間交換數(shù)據(jù)以標準串行方式進行。ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ接口在結(jié)構(gòu)上可分為一個數(shù)據(jù)通道和一個控制通道。數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)的發(fā)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(zhí)行一次數(shù)據(jù)發(fā)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(shè)備的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)寄存器和地址寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)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(yīng)用場合。在編寫ＢＯＯＴ程序時，需要將ＶＣ５４０２設(shè)置為微計算機工作方式（ＭＰ／ＭＣ＼引腳置低）。這樣ＤＳＰ復(fù)位后，程序就從內(nèi)部ＲＯＭ開始運行ＢＯＯＴ程序，將存儲于Ｆｌａｓｈ器件中的程序搬移至內(nèi)部ＲＡＭ中執(zhí)行。 ４ 系統(tǒng)實現(xiàn) ＡＭＢＥ－２０００的速率設(shè)置采用軟件方式，由ＶＣ５４０２通過串行接口發(fā)送命令字設(shè)置。按本設(shè)計方案實現(xiàn)了系統(tǒng)在將語音速率設(shè)置為２．４ｋｂｐｓ、ＦＥＣ設(shè)置為１．２ｋｂｐｓ時，系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作于信道誤碼率為４％的環(huán)境中，而且系統(tǒng)能根據(jù)需要很方便地對語音速率和ＦＥＣ速率進行改變，實現(xiàn)變速率語音通信。