基于DSP的數字對講機基帶系統中的應用

隨著(zhù)通信技術(shù)的發(fā)展，傳統的模擬對講機已不能滿(mǎn)足人們的需求，對講機數字化勢在必行。信息社會(huì )的高速發(fā)展使頻譜資源變得愈加寶貴，信道利用率成為一項關(guān)鍵因素。如何在有限的信道資源下，通過(guò)壓縮信源以提高傳輸效率，已成為當前急需解決的問(wèn)題之一。DSP數字信號處理器的運算能力越來(lái)越強，本設計采用TI公司的通用定DSPTMS320C5509A作為基帶系統的處理器，主要對G.723.1語(yǔ)音壓縮編碼在頻帶、DSP資源有限的數字對講機基帶系統中的具體應用進(jìn)行研究與實(shí)現。

　　1G.723.1語(yǔ)音壓縮編碼原理

　　G.723.1標準主要用于對語(yǔ)音及其他多媒體聲音信號的壓縮。該算法是H.324系列標準的一部分，包含2種工作速率：低速率（5.3kbps）采用代數碼本線(xiàn)性激勵預測（ACELP），高速率（6.3kbps）采用多脈沖激勵最大似然量化（MP_MLQ）。2種速率的編碼器都以幀為處理單位，幀長(cháng)為30ms，加上另需7.5ms的延時(shí)，總共37.5ms的算法延時(shí)。編碼器原理如圖1所示。

　　輸入的16位線(xiàn)性PC碼流分成長(cháng)度為240樣點(diǎn)的語(yǔ)音幀。每幀信號先通過(guò)1個(gè)高通濾波器，去除低頻成分，再分成4個(gè)子幀，每個(gè)子幀60個(gè)樣點(diǎn)。對每個(gè)子幀進(jìn)行10階LPC預測，將最后1個(gè)子幀的LPC參數轉化成線(xiàn)譜對LSP參數。用預測分裂矢量量化法（PSVQ）進(jìn)行量化。為了減少合成端合成語(yǔ)音信號的誤差，在分析端對LSP系數解碼、插值后，再變?yōu)長(cháng)PC系數。由LPC分析后的LPC系數可得到共振峰加權濾波器的系數。用共振峰加權濾波器對經(jīng)高通濾波后的語(yǔ)音信號進(jìn)行共振峰加權濾波，可得到共振峰加權濾波后的語(yǔ)音信號f（n）。由f（n）經(jīng)基音估計可求出開(kāi)環(huán)基音周期，基音周期的搜索范圍為18～142個(gè)樣點(diǎn)。對每個(gè)子幀的語(yǔ)音信號進(jìn)行諧波噪聲整形、沖擊響應計算，然后進(jìn)行閉環(huán)基音搜索，求出閉環(huán)基音周期及基音增益，再計算出殘差信號。然后根據不同的速率進(jìn)行激勵搜索，求出脈沖位置和幅度參數，打包后形成以幀為單位的編碼數據流。

　　2語(yǔ)音系統的結構及硬件原理圖

　　原始的模擬語(yǔ)音首先要經(jīng)過(guò)模數變換，轉化為數字信號之后，通過(guò)串口輸入到DSP中，再進(jìn)行語(yǔ)音壓縮算法。G.723.1標準計算復雜和數據存儲量大的問(wèn)題使得語(yǔ)音編解碼方案的實(shí)時(shí)實(shí)現存在很多困難。為了保證該算法處理的實(shí)時(shí)性，本系統選用DSP作為主控芯片，用來(lái)實(shí)現編解碼算法。語(yǔ)音系統整體硬件結構如圖2所示。

　　3語(yǔ)音系統的硬件設計

　　本基帶系統的核心部件采用CPLD和DSP。DSP負責基帶的數字化處理，CPLD用于外圍器件的控制。將CPLD和DSP技術(shù)相結合，一方面能利用DSP軟件控制的靈活性，另一方面又能利用CPLD硬件上的高速、高集成度和可編程性。

　　本系統選用TMS320C5509A（簡(jiǎn)稱(chēng)C5509A）負責G.723.1標準的算法及后續基帶數字化的處理（信道編譯碼、交織、加擾、CRC、基帶調制解調）。該芯片是TMS320C55X系列DSP中的一款，C55X系列的結構見(jiàn)參考文獻［1］。

　　CPLD主要用來(lái)擴展DSP的外部地址空間，實(shí)現地址譯碼、時(shí)序控制，并給DSP提供所需的邏輯和時(shí)序控制信號。本系統選用Altera公司MAX7000系列中的EPM7128，其與DSP的接口電路如圖3（a）所示，其中FSX和FSR幀同步信號端的同步信號相同。原始模擬語(yǔ)音信號必須進(jìn)行數字化處理后，才能在DSP中進(jìn)行語(yǔ)音壓縮編解碼算法。系統選用的是ADI公司推出的低成本、低功耗通用模擬前端AD7311L，其與DSP的接口電路如圖3（b）所示。由于G．723．1的算法比較復雜，處理時(shí)需要大量的存儲空間，本設計采用4Mb×16的SDRAM，芯片為MT48LCM16，通過(guò)EMIF接口映射到C5509A的CEO空間。其與DSP的接口電路如圖3（c）所示。

　　4語(yǔ)音系統的軟件設計

　　總體軟件流程如圖4所示。當DSP處于發(fā)送狀態(tài)時(shí)，通過(guò)MCBSP1接收來(lái)自AD7311L的數字化語(yǔ)音數據，調用語(yǔ)音壓縮編碼程序，編完1幀輸出數據，然后繼續進(jìn)行后續的相關(guān)基帶處理。當DSP處于接收狀態(tài)時(shí)，接收來(lái)自后續基帶處理的數據，調用語(yǔ)音解碼程序；解碼后的語(yǔ)音數據，再以每幀的數據通過(guò)MCBSP1送入AD7311L，最后還原成原始語(yǔ)音。下面主要介紹初始化模塊及語(yǔ)音編解碼模塊。