一種IP電話的DSP實(shí)現(xiàn)

摘要： 本文針對目前IP電話和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況，提出以DSP技術(shù)為核心軟硬件結(jié)合的IP電話方案并介紹了語音編碼的基本原理；根據(jù)IP電話的特點(diǎn)，確定以G .728編碼標(biāo)準(zhǔn)作為IP電話的編碼算法。
關(guān)鍵詞： IP電話；DSP；語音編碼

引言

    傳統(tǒng)的電話網(wǎng)是以電路交換的方式傳輸語音信號的，它需要的基本帶寬為64kbit/s。據(jù)統(tǒng)計，在正常通話情況下，大約只有40％的時間為有聲期，其余時間電路均為空占，網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率不高。隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是國際互聯(lián)網(wǎng)(Internet)的不斷完善，基于分組交換的數(shù)據(jù)通信成為最重要的通信方式。而要在基于IP的分組網(wǎng)絡(luò)上傳輸語音，就必須對模擬的語音信號進(jìn)行特殊處理，使處理后的信號可以適合在面向無連接的分組網(wǎng)絡(luò)上傳輸，這就是分組語音技術(shù)。本文介紹的就是一種基于TMS320VC5409的IP電話設(shè)計。

G..728編碼標(biāo)準(zhǔn)

    語音編碼技術(shù)是IP電話的核心技術(shù)之一，編碼質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到IP電話的通話質(zhì)量。   

    G .728標(biāo)準(zhǔn)的語音編碼算法是16kbit/s的聲碼器編碼標(biāo)準(zhǔn)，采用低時延碼本激勵線性預(yù)測(LD-CELP)技術(shù)。線性預(yù)測器使用的是反饋型后向自適應(yīng)技術(shù)，預(yù)測器系數(shù)是根據(jù)上一幀的語音量化數(shù)據(jù)進(jìn)行更新的，因此算法時延較短，為0. 625ms，相當(dāng)于5個采樣點(diǎn)時間，這也是G .728的幀長時間。由于使用反饋型自適應(yīng)技術(shù)，因此預(yù)測器系數(shù)不需傳送，唯一需要傳送的是激勵信號量化值，也就是碼本索引值。G .728標(biāo)準(zhǔn)的語音編碼算法的碼本總共有1024個矢量，索引需占10個比特，因此其比特率為10/0.625=16kbit/s。

G .728標(biāo)準(zhǔn)的語音編碼的主要特點(diǎn)有：
*算法時延短，僅為0. 625ms；
*一路編碼時延小于2ms；
*傳輸比特率為16kbit/s；
*MOS值為4. 173，達(dá)到了長途通信質(zhì)量。

    由于G .728標(biāo)準(zhǔn)的語音編碼算法的時延短，語音傳輸比特率可以滿足IP電話的應(yīng)用要求，所以我們選用G . 728標(biāo)準(zhǔn)的語音編碼算法作為IP電話的編碼算法。

硬件系統(tǒng)設(shè)計

    系統(tǒng)的主要作用是充分利用DSP高速數(shù)據(jù)處理能力，減輕計算機(jī)CPU的負(fù)擔(dān)；語音的錄入和輸出系統(tǒng)也單獨(dú)分離出來，這樣可以更好地和DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少不必要的中間環(huán)節(jié)，減少時延。最后，通過高速的PCI總線，將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)。系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，各模塊的具體功能見表1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

DSP與FLASH的通信

    由于TMS320VC5409的I/0接口電壓為3. 3V，而AM29F101B的接口電壓為5V，所以在接口部分需要進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，并且AM29F101B的片選信號()和輸出使能信號()需要地址譯碼。這些工作均由一片復(fù)雜的可編程邏輯器件(CPLD)來完成。

    由于AM29F101B的接口速度較慢，所以TMS320VC5409和AM29F101B之間的接口必須插入軟件等待狀態(tài)，具體要插入的軟件等待狀態(tài)數(shù)目可以由數(shù)據(jù)手冊計算得到或者是調(diào)機(jī)時由試驗(yàn)得到。TMS320VC5409與AM29F101B之間的接口電路如圖2所示。

圖2 DSP和FLASH的接口電路

DSP與ADC、DAC之間的通信

    本系統(tǒng)所選用的G.728標(biāo)準(zhǔn)的語音編碼算法需要8kHz的采樣速率，所以這里我們對ADC和DAC要求就是最高采樣率或轉(zhuǎn)換時間不低于8kHz。

    根據(jù)語音信號的特點(diǎn)，我們選用TI公司的TLC32044芯片，這是一片集成了ADC和DAC功能的芯片。它的最高轉(zhuǎn)化速率為19.2kHz，轉(zhuǎn)換位數(shù)為14位，輸入電壓帶范圍可調(diào)，有標(biāo)準(zhǔn)同步串口，還有輸入濾波器和輸出重構(gòu)濾波器，這樣可以省去模擬濾波器的設(shè)計。TMS320VC5409與TLC32044的接口電路如圖3所示。

圖3 DSP與DAC、ADC的接口電路

圖4 DSP與雙端口RAM的接口電路

圖5 PC19025雙端口RAM接口電路

DSP與雙端口RAM之間的通信

    為了體現(xiàn)PCI總線速度快的優(yōu)點(diǎn)，我們選用速度較快的雙端口RAM CY7C133-25，最大傳輸速率為25ns。雙端口RAM在DSP的數(shù)據(jù)空間的地址映射為8000H-87FFH。

    這里需要強(qiáng)調(diào)的是雙端口RAM的BUSY信號。我們并不使用這個信號，因?yàn)槲覀兎謩e對雙端口RAM的不同部分進(jìn)行操作，所以避免了可能發(fā)生的任何沖突，因此省去了BUSY信號，BUSY信號懸空。電路的電壓轉(zhuǎn)換和地址譯碼同樣由CPLD來完成。

PCI9052與雙端口RAM之間的通信

    DSP的任務(wù)是完成語音的編碼和解碼，然后再通過PCI總線與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這里我們使用了PCI接口芯片PCI9052。所以，問題就變成了DSP與PCI9052之間的通信。DSP與PCI9052之間用一片雙端口RAM(容量為2k×16bit)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

    由于PCI9052具有5個局部地址空間和4個局部設(shè)備片選信號，所以連線變得相當(dāng)簡單，我們只需要將雙端口RAM映射到其中一個局部地址空間，然后使用其中的一個片選信號連接到雙端口RAM的，最后將PCI9052的讀寫信號(R/W)和對應(yīng)連接到雙端口RAM的R/W和。這樣就省去了地址譯碼等外圍邏輯電路。

軟件系統(tǒng)設(shè)計

    IP電話系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的算法就是語音編碼算法，還要完成與計算機(jī)的數(shù)據(jù)交換。
軟件部分的主要作用是用嵌入式操作系統(tǒng)中的TCP/IP協(xié)議對需要傳送的語音編碼信號進(jìn)行打包，再通過計算機(jī)上的網(wǎng)卡將數(shù)據(jù)通過Internet傳送到接收方，并把接收到的TCP/IP包還原為原來的語音編碼信號，最后通過PCI總線傳輸給DSP進(jìn)行語音解碼。

結(jié)語

    實(shí)踐證明，本系統(tǒng)設(shè)計方案的主要優(yōu)點(diǎn)是對計算機(jī)硬件的要求不高，處理速度快，語音的輸入輸出系統(tǒng)單獨(dú)集成，信噪比(SNR)高，具有相當(dāng)?shù)倪m用和推廣價值。

參考文獻(xiàn)：
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