數話(huà)同傳控制器的設計與實(shí)現

話(huà)音和數據同傳有多種方案，這些方案大都先將話(huà)音信號數字化，經(jīng)過(guò)壓縮后與外部數據一起打包傳輸。主要區別在于發(fā)送一包話(huà)音數據與外部數據的占用時(shí)間，以及話(huà)音數據與外部數據在包內的分割時(shí)長(cháng)。常見(jiàn)的有兩種方案[1]。一是日本救護車(chē)所用的數話(huà)同傳方案，可將病人的身體狀況的檢測數據與話(huà)音同傳。在這一方案中，以625ms為一個(gè)話(huà)音壓縮周期，其中187.5ms用于傳送數據，437.5ms用于傳送話(huà)音，外部數據時(shí)隙占整個(gè)信道時(shí)間的30％，數話(huà)同傳時(shí)話(huà)音延遲約為200ms。另一種是UIC建議的數話(huà)同傳方案。這個(gè)方案以1040ms為一個(gè)周期，其中260ms用于傳輸數據，780ms用于傳輸壓縮話(huà)音，數據時(shí)隙占整個(gè)信道的時(shí)間為25％。這一方案由于數據占用的時(shí)間較短，因此可以提供較好的通話(huà)質(zhì)量，但話(huà)音延遲260ms，在雙工通話(huà)時(shí)會(huì )使人感到不適，數據傳輸量也不高。
　　上述兩種方案的話(huà)音延遲都較長(cháng)，同時(shí)外部數據時(shí)隙占信道的時(shí)間比較短，發(fā)送數據量受到一定的限制，主要用于傳送話(huà)音信號。本文在保證傳送話(huà)音質(zhì)量的基礎上，盡量減小話(huà)音延遲，提高外部數據分割時(shí)長(cháng)，同時(shí)根據AMBE話(huà)音Codec和GMSK Modem的特點(diǎn)，提出了如圖1 所示的數話(huà)同傳方案。

　AMBE話(huà)音Codec[2]采用基于MBE(多帶話(huà)音激勵)模型的壓縮技術(shù)，已被證明優(yōu)于CELP、MP－MLQ、LPC－10以及其它的壓縮技術(shù)，MOS分達到3.5分，能夠在低至2.0kbps的壓縮速率下保持高質(zhì)量的話(huà)音。所以本系統采用2.4kbps的話(huà)音壓縮速率時(shí)仍然有很好的自然度和可懂性。當單片機查詢(xún)到有話(huà)音數據時(shí)，不中斷數據的傳輸，而是延遲60ms，單片機再將AMBE話(huà)音Codec傳過(guò)來(lái)的話(huà)音數據處理后與外部數據一起打包發(fā)給Modem，實(shí)現數話(huà)同傳。從上述方案中可以看出，話(huà)音信號的延遲不會(huì )超過(guò)120ms，優(yōu)于前兩種方案，能夠很好地滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求；外部數據時(shí)隙占整個(gè)信道時(shí)間約為46％，分割時(shí)長(cháng)也比前兩種方案高，此時(shí)外部數據傳輸率約為4800bps。沒(méi)有話(huà)音數據傳輸時(shí)，單片機直接對外部數據進(jìn)行打包傳送，數據傳輸率為GMSK Modem的傳輸率，即為9600bps。
1 系統的硬件組成及工作原理
1.1系統的硬件結構
　　整個(gè)系統的硬件結構框如圖2所示。
　　系統以Atmel公司的單片機AT89S52和Altera公司的EPLD芯片EPM7128為主控芯片。AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微處理器，負責整個(gè)系統的絕大多數工作，內部帶有8KB可編程的FLASH存儲器，無(wú)需擴展ROM，自帶ISP口，可靈活地進(jìn)行在系統可編程，可以通過(guò)全雙工的標準串口與外部計算機或PLC交換數據。EPM7128[3]是Altera公司的MAX7000系列中的一款，具有高阻抗、電可擦寫(xiě)等特點(diǎn)，可用門(mén)單元為2500個(gè)，管腳間最大延時(shí)為5ns，主要用來(lái)實(shí)現話(huà)音壓縮和解壓縮所需的時(shí)序及邏輯控制。話(huà)音預處理和ADC－DAC單元采用MC145480[4]，其內集成了300Hz～3400Hz的帶通濾波器、AD和DA轉換器，采樣頻率為8kHz，每個(gè)采樣值采用8比特(256個(gè)量化級)編碼，可輸出A 律和μ律可選的64kbps的PCM 信號。話(huà)音壓縮和解壓縮通過(guò)AMBE1000[2]完成，壓縮速率從2.4kbps～9.6kbps，A/μ律可選，具有語(yǔ)音檢測、回聲抑制和休眠等功能[2]。數據調制解調部分的核心器件是無(wú)線(xiàn)單片收發(fā)芯片FX909[5]。此芯片采用GMSK調制解調方式，頻帶利用率非常高，特別適合在窄帶的數傳系統中，內部硬件實(shí)現FEC和CRC算法，同時(shí)兼容Mobitex無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng)空中接口標準。模擬調頻電臺將從Modem輸出的GMSK信號經(jīng)過(guò)二次調制到數傳信道上傳輸，帶寬一般為25kHz，新西蘭大吉公司、美國的MDS公司、日本的建武的模擬臺都可實(shí)現此功能。
1.2 系統工作原理
　　在無(wú)話(huà)音數據傳輸時(shí)，AT89S52將從串口接收的數據打包處理后發(fā)送給Modem，Modem對傳過(guò)來(lái)的數據增加前向糾錯(FEC)、循環(huán)冗余校驗(CRC)位后，按Mobitex標準的數據格式進(jìn)行交織和擾碼處理，再附上比特同步和幀同步字節后，對數據包進(jìn)行GMSK調制，輸出音頻的GMSK信號，再由電臺將其調制到模擬調頻話(huà)音信道上傳送出去。當有話(huà)音數據傳輸時(shí)，模擬話(huà)音輸入MC145480，經(jīng)過(guò)8kHz 的A律編碼輸出64kbps的PCM信號。經(jīng)過(guò)AMBE1000壓縮后，輸出2.4kbps的壓縮話(huà)音數據，這些話(huà)音數據經(jīng)單片機AT89S52除包延時(shí)處理后與串口接收的外部數據一起打包送到調制解調模塊，實(shí)現數據和話(huà)音的同時(shí)傳輸。
　　數據接收時(shí)，Modem從模擬調頻電臺讀入音頻信號進(jìn)行GMSK解調，經(jīng)檢錯和撤包處理后，將數據傳送給AT89S52。單片機經(jīng)過(guò)判斷處理后，如果是外部的數據，則直接通過(guò)串口輸出；如果是話(huà)音數據，則經(jīng)過(guò)處理后送給AMBE1000解壓縮，輸出的PCM信號經(jīng)過(guò)A律解碼和DAC，還原成模擬話(huà)音信號輸出。
2 軟件設計及實(shí)現
　　整個(gè)系統的軟件主要包括三大部分：MC145480和AMBE1000的接口時(shí)序的實(shí)現、語(yǔ)音壓縮數據的處理、數據的調制和解調。
2.1 接口時(shí)序的實(shí)現
　　AMBE1000話(huà)音Codec與MC145480的接口關(guān)系[2]如圖3所示。