基于CMX618的數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)

0 引 言
    近年來(lái)，通信事業(yè)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)相繼出現(xiàn)，使人們對(duì)通信質(zhì)量的要求更為苛刻，以致頻譜資源越來(lái)越緊張。在保證良好通信質(zhì)量的情況下，如何提高頻譜利用率，已經(jīng)成為一個(gè)難題。通信系統(tǒng)中，語(yǔ)音編碼技術(shù)是移動(dòng)通信數(shù)字化的基礎(chǔ)，語(yǔ)音編碼決定了接收的語(yǔ)音質(zhì)量和系統(tǒng)容量。低比特率語(yǔ)音編碼提供了解決該問(wèn)題的一種方法，在編碼器能夠傳送高質(zhì)量語(yǔ)音的前提下，語(yǔ)音編解碼比特率越低，就可以在一定的帶寬內(nèi)容納更多的語(yǔ)音通道。因此，人們不斷地尋求新的編碼方法，以求在低比特率的前提下，提供較高的語(yǔ)音質(zhì)量。
    英國(guó)CML公司推出的語(yǔ)音編解碼芯片CMX618，能夠以較低的比特率進(jìn)行編解碼處理，并保證很高的語(yǔ)音質(zhì)量。在此基于CMX618設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但功能強(qiáng)大，而且它的工作電壓很低，功耗很小，非常適合通信領(lǐng)域開(kāi)發(fā)使用。

l CMX618功能與特點(diǎn)
1．1 RALCWI算法
    CMX618是接近長(zhǎng)話級(jí)的半雙工語(yǔ)音編解碼芯片，通過(guò)一種新的數(shù)據(jù)速率算法技術(shù)——RALCWI技術(shù)，對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行編解碼處理。RALCWI是一種魯棒的先進(jìn)的復(fù)雜性波形插入技術(shù)，與其他語(yǔ)音編解碼技術(shù)不同，它使用獨(dú)有的信號(hào)分解和參數(shù)編碼方法，可確保在較高的壓縮率下有很好的語(yǔ)音質(zhì)量。在聲碼器中，采用RALCWI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音質(zhì)量與編碼位速率在4 Kb／s以上的標(biāo)準(zhǔn)聲碼器話音質(zhì)量基本相符。它的MOS(平均意見(jiàn)得分)處于3．5～3．6之間，而且表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)秀。
    RALCWI聲碼器以幀一幀為基礎(chǔ)進(jìn)行傳輸。在8 kHz的采樣速率下，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分幀處理，每幀語(yǔ)音包含160個(gè)采樣點(diǎn)，形成20 ms的元語(yǔ)音幀。語(yǔ)音編碼器以較高的計(jì)時(shí)分辨率(8次／幀)進(jìn)行語(yǔ)音分析，對(duì)每一個(gè)語(yǔ)音段都會(huì)生成一系列的評(píng)估參數(shù)。然后，使用不同的矢量量化(VQ)方法，這些估算參數(shù)被量化生成41 b，48 b或55 b的幀。值得一提的是，這些向量量化值是以多語(yǔ)言語(yǔ)音為基礎(chǔ)進(jìn)行混合編排的，包含了東西方多種語(yǔ)言的語(yǔ)音采樣值。
1.2 芯片主要功能及特點(diǎn)
    CMX618語(yǔ)音編解碼芯片體積小，性能高，功耗低，其具體特點(diǎn)如下：
    (1)編碼時(shí)，有三種位速率可供選擇(2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s)。在選擇前向糾錯(cuò)編碼(FEC)的情況下，可通過(guò)信道編碼和交織處理形成3 600 b／s的位數(shù)據(jù)流(60 ms／216 b的數(shù)據(jù)包或80 ms／288 b數(shù)據(jù)包)。
    (2)解碼時(shí)，可選擇前向糾錯(cuò)(FEC)解碼器對(duì)輸入編碼后的語(yǔ)音位流(216 b／60 ms或者288 b／80 ms的數(shù)據(jù)包)進(jìn)行解交織和信道解碼，生成糾錯(cuò)后的編碼語(yǔ)音位速率為2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s，速率依據(jù)所選的模塊而定。當(dāng)使用FEC解碼器時(shí)，可利用“軟決策”方法增強(qiáng)解碼功能，減小誤碼的產(chǎn)生。
    (3)內(nèi)部含有一個(gè)集成的語(yǔ)音壓縮／解壓器(CODEC)，實(shí)現(xiàn)模擬語(yǔ)音到低位速率編碼的壓縮／解壓過(guò)程。
    (4)芯片大部分功能，均可通過(guò)軟件編程的方式，配置內(nèi)部的寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)單方便。
    (5)具有非連續(xù)發(fā)送檢測(cè)(DTX)、舒適噪聲生成器(CNG)、語(yǔ)音激活檢測(cè)(VAD)和雙音多頻信號(hào)檢測(cè)(DTMF)的檢測(cè)和產(chǎn)生等輔助功能，使語(yǔ)音性能達(dá)到最佳。
1．3 CMX618工作原理
    CMX618內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    由結(jié)構(gòu)圖可以看出，CMX618主要由音頻壓縮／解壓器(CODEC)、RALCWI編解碼器、前向糾錯(cuò)編解碼器和其他特殊功能模塊幾部分組成。
    編碼時(shí)，輸入的模擬語(yǔ)音首先要經(jīng)過(guò)音頻壓縮／解壓器(CODEC)模塊，進(jìn)行調(diào)節(jié)增益、A／D轉(zhuǎn)換、濾波和壓縮處理，然后進(jìn)入編碼器中開(kāi)始編碼。編碼后，如果選擇使用前向糾錯(cuò)(FEC)功能，則會(huì)對(duì)編碼進(jìn)行糾錯(cuò)處理，盡量消除誤碼。這樣，編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，按選擇的位速率和幀的結(jié)構(gòu)生成數(shù)據(jù)包，利用C-BUS串行總線，傳輸?shù)轿⒖刂破鱈PC2138中。
    解碼是編碼的逆處理過(guò)程。經(jīng)C-BUS串行總線傳輸?shù)?strong>數(shù)字語(yǔ)音，進(jìn)入解碼器(可選擇FEC功能)開(kāi)始解碼，然后經(jīng)過(guò)解壓、濾波、D／A轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)增益等處理后，就成為可以聽(tīng)到的模擬語(yǔ)音。另外，在編碼和解碼期間，如果選擇一些輔助功能，例如非連續(xù)發(fā)送檢測(cè)(DTX)、語(yǔ)音激活檢測(cè)(VAD)或雙音多頻信號(hào)檢測(cè)(DTMF)時(shí)則需另行處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2．1 微控制器
    ARM微控制器具有內(nèi)核耗電少，功能強(qiáng)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在多應(yīng)用于無(wú)線通信、GPS、智能手機(jī)開(kāi)發(fā)等諸多領(lǐng)域。這里選用PHILIPS公司的LPC2138作為數(shù)字語(yǔ)音通信模塊的主控制器。LPC2138是一個(gè)基于支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器芯片，較小的封裝和很低的功耗使LPC2138特別適用于小型系統(tǒng)中。此外，由于LPC2138片內(nèi)集成了ROM，RAM，A／D和多個(gè)外設(shè)模塊，如通用I／O口、定時(shí)器、串行口等，因此非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像等場(chǎng)合，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。[!--empirenews.page--]
2．2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    基于CMX618的語(yǔ)音通信模塊主要由語(yǔ)音編解碼器CMX618和LPC2138組成，如圖2所示。

    該語(yǔ)音通信系統(tǒng)使用CMX618內(nèi)置的CODEC模塊，其內(nèi)部集成了A／D和D／A轉(zhuǎn)換、通道濾波、增益調(diào)節(jié)等功能，足以滿足對(duì)模擬語(yǔ)音的抽樣、量化等操作的指標(biāo)要求。因此，無(wú)需再外接芯片，也節(jié)省了大量的物理空間，這在實(shí)際的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中是十分重要的。
    微控制器LPC2138通過(guò)C-BUS串行總線與CMX618連接。C-BuS是一個(gè)四線中斷一驅(qū)動(dòng)串行系統(tǒng)，可在主控制器和CMX618內(nèi)部寄存器間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、控制或狀態(tài)信息的發(fā)送。
2．3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是編寫(xiě)CMX618的驅(qū)動(dòng)程序，以及對(duì)主控制器LPC2138進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)對(duì)CMX618的控制。在上電后，首先應(yīng)初始化CMX618和LPC2138。對(duì)語(yǔ)音編解碼芯片，要配置其中的一些功能寄存器，這包括設(shè)置編解碼位速率、組幀結(jié)構(gòu)、增益大小、輔助功能選用以及開(kāi)啟中斷標(biāo)志位等；對(duì)主控制芯片，則要配置接口方式、中斷條件和傳輸速率等。
    實(shí)際應(yīng)用中，為使編解碼過(guò)程中的糾錯(cuò)能力達(dá)到最佳，在使用前向糾錯(cuò)(FEC)編碼器處理語(yǔ)音編碼時(shí)?？蛇x擇聲碼器幀以3×20 ms或4×20 ms的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。這種把多幀數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝、打包傳輸?shù)男问剑行У匾种屏苏`碼的產(chǎn)生。
    這里，要注意CMX618語(yǔ)音編解碼芯片的狀態(tài)(state)寄存器(地址為MYM40)。編碼和解碼操作在狀態(tài)寄存器中都有對(duì)應(yīng)的標(biāo)志位，當(dāng)采用中斷方式編解碼時(shí)，每次要先讀出狀態(tài)寄存器中對(duì)應(yīng)標(biāo)志位的值，只有當(dāng)對(duì)應(yīng)標(biāo)志位的值為“1”時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生中斷，執(zhí)行相應(yīng)的操作，如圖3所示。

    其中，在狀態(tài)(state)寄存器(地址為MYM40)中對(duì)應(yīng)的狀態(tài)標(biāo)志有VDA，VDW，RDY。其中，VDA為編碼標(biāo)志位；VDW為解碼標(biāo)志位；RDY為等待配置標(biāo)志位。
2．4 關(guān)鍵問(wèn)題
    (1)采用RALCWI算法時(shí)，由于存在算法抖動(dòng)，會(huì)使編碼每一幀時(shí)花費(fèi)的時(shí)間不同，這使微處理器對(duì)輸出數(shù)據(jù)的時(shí)間不好掌握。為解決此問(wèn)題，在編碼時(shí)，會(huì)給微處理器一條指令，只要編碼可行，就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；在解碼時(shí)，則會(huì)增加一個(gè)初始延遲時(shí)間，避免CODEC因無(wú)采樣數(shù)據(jù)而產(chǎn)生時(shí)間空隙。[!--empirenews.page--]
    (2)為了提高微控制器LPC2138與CMX618間的傳輸速率，使用C-BUS串行總線讀／寫(xiě)寄存器時(shí)，可采用“數(shù)據(jù)流”的方法傳輸數(shù)據(jù)，即只需要一個(gè)地址／指令，就可以傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)。具體實(shí)例如圖4和圖5所示。

    利用C-BUS串行總線，寫(xiě)入CMX618內(nèi)部寄存器的過(guò)程中，從主控制器傳過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，首個(gè)字節(jié)為CMX618寄存器的地址，然后，數(shù)據(jù)就會(huì)源源不斷地傳人此寄存器中；同樣，從CMX618內(nèi)部寄存器讀出數(shù)據(jù)時(shí)，首先也要寫(xiě)入寄存器的地址，確定位置，然后就可以從此寄存器中讀出數(shù)據(jù)了，直到傳輸完為止。

3 應(yīng) 用
    該語(yǔ)音通信模塊已經(jīng)成功應(yīng)用于900 MHz數(shù)字無(wú)中心對(duì)講機(jī)中，圖6為900 MHz數(shù)字無(wú)中心對(duì)講機(jī)各功能模塊的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中的語(yǔ)音模塊與微控制器部分即為涉及的內(nèi)容。如今，民用對(duì)講機(jī)逐步數(shù)字化已是大勢(shì)所趨，國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)已經(jīng)投入了大量的人力、物力進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)，故此系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展空間。

4 結(jié)語(yǔ)

    研究了CMX618在語(yǔ)音通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，雖然CMX618剛剛研發(fā)出來(lái)，很多人還不了解，但它的諸多優(yōu)越性能已足以受到廣大設(shè)計(jì)者的青睞?；谠撔酒O(shè)計(jì)的數(shù)字語(yǔ)音通信系統(tǒng)，有很好的清晰度和穩(wěn)定性，在通信產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展的今天，必將有著廣闊的應(yīng)用前景。