一種基于AMBE-2000的語(yǔ)音系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言
    語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音編碼技術(shù)可以廣泛的應(yīng)用在話(huà)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(yǔ)音系統(tǒng)公司(Digital Voice System Inc)所推出的AMBE-2000是一種基于高級(jí)多帶激勵(lì)(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(diào)，具有前向糾錯(cuò)(FEC)、語(yǔ)音激活檢測(cè)(VAD)、雙音多頻(DTMF)信號(hào)檢測(cè)等多種功能。

1 系統(tǒng)介紹
    本語(yǔ)音系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)數(shù)字話(huà)音與模擬話(huà)音的相互轉(zhuǎn)換并處理話(huà)音數(shù)據(jù)的編解碼，降低話(huà)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(mǎn)足信息系統(tǒng)的接口要求。模擬話(huà)音部分連接耳機(jī)話(huà)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(yuǎn)距離傳輸語(yǔ)音量化信息。整個(gè)語(yǔ)音系統(tǒng)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(xù)處理；或者通過(guò)高速RS 422串口將遠(yuǎn)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(xù)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(shù)據(jù)，經(jīng)語(yǔ)音編解碼芯片解碼后通過(guò)D／A轉(zhuǎn)換將話(huà)音轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)；或者將收到的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)解壓后通過(guò)高速RS 422串口遠(yuǎn)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(cuò)編碼(FEC)的效率和可靠性。內(nèi)部計(jì)算量小，功耗低。其算法復(fù)雜度為13 MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)，從而可以達(dá)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(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(yǔ)音量化信息。對(duì)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(shù)據(jù)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(tǒng)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(shè)計(jì)的一套基于AMBE-1000的話(huà)音系統(tǒng)保持兼容性。基于AMBE-1000舊式語(yǔ)音系統(tǒng)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(shì)。

3 AMBE-2000與A／D-D／A芯片的接口設(shè)計(jì)
    A／D-D／A芯片與AMBE-2000之間的語(yǔ)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(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(shè)計(jì)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(shè)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(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。
    AD73311主要特點(diǎn)：
    (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(guò)軟件控制，在話(huà)帶范圍內(nèi)可提供70 dB的信噪比。通過(guò)串口傳遞語(yǔ)音數(shù)據(jù)，接收控制命令，簡(jiǎn)單高效。
    (2)輸入的模擬音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃?，A／D轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)串口輸出；反之來(lái)自串口的數(shù)字流被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后，經(jīng)過(guò)可變?cè)鲆娣糯笃骱筝敵觥?br />     (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(shí)可以通過(guò)串口往控制寄存器寫(xiě)控制字，來(lái)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(hào)應(yīng)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(shè)置完后，寄存器A寫(xiě)入Q1，表示進(jìn)入“數(shù)據(jù)模式”，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號(hào)應(yīng)與AD73311的串行輸入接通，可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。

4 AMBE-2000與信道的接口設(shè)計(jì)
    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(gè)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(gè)讀取數(shù)據(jù)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(hào)，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(shuō)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(gè)字。
    在該設(shè)計(jì)中，使用FPGA作外部控制器。FPGA產(chǎn)生輸入／輸出幀同步信號(hào)、輸入／輸出時(shí)鐘信號(hào)以及AMBE-2000的串行輸入數(shù)據(jù)，并按照AMBE-2000要求的時(shí)序關(guān)系與AMBE-2000進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    表1列舉了AMBE-2000的信道接口信號(hào)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(jì)
    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(hào)之間的轉(zhuǎn)換電路；LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平信號(hào)之間的轉(zhuǎn)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(fù)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(xiàn)CPCI接口設(shè)計(jì)。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(jì)。
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(xiàn)形式實(shí)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(xiàn)方式傳輸，要求傳輸速率可達(dá)100 Mb／s。該系統(tǒng)使用MAX9129和MAX9122總線(xiàn)低壓差分信號(hào)驅(qū)動(dòng)器作為L(zhǎng)VTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動(dòng)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(yǔ)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(xiàn)方式傳輸，要求傳輸速率可達(dá)5 Mb／s。本系統(tǒng)用MAX3491低功耗RS 485／RS 422收發(fā)器作為L(zhǎng)VTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動(dòng)器，用于進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸。MAX3491每一個(gè)芯片內(nèi)包含1個(gè)驅(qū)動(dòng)器和1個(gè)接收器，最高傳輸速率可達(dá)10 Mb／s。
5．4 模擬電路
    模擬放大電路包括運(yùn)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(dāng)?shù)谋壤娮鑱?lái)調(diào)整輸入／輸出語(yǔ)音信號(hào)的增益。
    該設(shè)計(jì)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(shè)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(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(xiàn)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(shí)還會(huì)帶來(lái)系統(tǒng)失真。因此，設(shè)計(jì)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(yǔ)
    該話(huà)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(huà)音帶寬內(nèi)，經(jīng)測(cè)試話(huà)音字可懂度大于等于90％，語(yǔ)音句可懂度達(dá)100％，語(yǔ)調(diào)自然，發(fā)音清晰，是一款高質(zhì)量的語(yǔ)音系統(tǒng)。