（检测技术与自动化装置专业论文）基于can总线的语音通信系统.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 随着现场总线技术的发展，c a n 总线作为比较有前途的现场总线之一，越来越受 到科技工作者的关注。在工业现场、交通、电力系统等调度环境中，常常需要语音通信 监控系统，而大多数语音通信系统由传统的电路交换技术及公众交换电话网( p s t n ) 实现。随着现场总线的发展与技术的成熟，c a n 总线在工业生产的应用越来越广泛， c a n 总线也显现出强大的优势。本文介绍的是一个基于c a n 总线的语音通信系统的硬 件电路设计，探索c a n 总线在实时语音数据传输领域的应用。 文章主要论述了一个基于c a n 总线的语音通信系统的软硬件设计。该系统使用摩 托罗拉公司的m c l 4 l c 5 4 8 0 作为语音采集编解码器，a t 8 9 c 5 5 为处理器，通过c a n 总线的p e l i c a n 模式实现通信功能。系统主要目的是能够实现c a n 总线上的语音信 号的传输，最终能够实现多节点间的语音通信功能。 本文的前半部分介绍了语音编码技术和c a n 总线的通信网络。评价语音信号用于 c a n 总线传输的优点，分析摩托罗拉公司生产的一款通用单信道p c m 编码解码器滤波 器m c l 4 l c 5 4 8 0 的性能，用于该系统的语音采样率等问题。 文章后半部分详细分析了基于c a n 总线的语音通信系统的软硬件技术，通过分析 系统所涉及的芯片对该方案分功能模块做了详细的说明，包括语音编解码电路，数字信 号处理电路，c a n 总线传输电路等。 关键词：编解码，m c l 4 l c 5 4 8 0 ，语音通信，c a n 总线，s j a l 0 0 0 - l 一 北方工业大学硕士学位论文 a b s v a c t s i n c et h ef i e l db u sd e v e l o p m e n t , c a nb u si so n eo f t h em o s tp r o m i s i n gt e c h n o l o g i e s n u m e r o u ss c i e n t i s t sa n dt e c h n i c i a n si sp a y i n gm o r ea t t e n t i o nt ot h i sf i e l db u sn o w i ti s i m p o r t a n tt oe s t a b l i s hav o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mi no r d e rt os u p e r v i s et h ec o n t r o l c o n d i t i o n , s u c h 嬲i n d u s t r i a lf i e l d , t r a f f i c e l e c t r i cp o w e rs y s t e m i nm o s ta p p l i c a t i o n s , t h e v o i c ec o m m u n i c a t i o ni sb a s e do nt h et r a d i t i o n a lc i r c u i ts w i t c ha n dt h ep s t n s i n c et h e d e v e l o p m e n ta n dm a t u r a t i o no ft h ef i e l db u s c a nb u sw a sm o r ew i d e l yu s e dt h e n b e f o r e a n di ts h o w si t sp o w e r f u la d v a n t a g e st o 璐1 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e sah a r d w a r ec i r c u i t d e s i g no fav o i c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e dc a nb u s d i c n s s i n gt h ea p p l i c a t i o n so f t r a n s m i t t i n gr e a lt i m ev o i c e t h ep a p e rm a i n l yd i s c o u r s e su p o nt h es o 舒呱m 沛a r d w a r e d e s i g no fav o i c ec o m m u n i c a t i o nt h r o u g hc a nb u s t h es y s t e mc o n s i s t so ft w oi m p o r t a n t c o m p o n e n t , o n ei st h em o t o r o l a sm c l 4 l c 5 4 8 0w h i c hw o r k i n ga sa u d i os a m p l i n ga n d e o d e c t h eo t h e ri sa t 8 9 c 5 5a sm c u 1 1 l i ss y s t e mi st e n dt ot r a n s m i tv o i c es i g n a l sa m o n g s e v e r a ln o d e sb yc a n b u s ，w h i c hw o r k si nt h ep e l i c a nm o d e i nt h ef i r s th a l fo ft h i s p a p e r ，i tp r e s e n tv o i c ec o d i n gt e c h n o l o g ya n dc a nb u s c o m m t m i c a t i o nn e t w o r k i ta l s oe s t i m a t e st h ea d v a n t a g eo ft h ev o i c es i g n a lo v e rc a n b u s ，a n a l y s e s t h e p e r f o r m a n c e o fm o t o r o l a s s i n g l e c h a n n e lp c mc o d e cf i l t e r - - m c l 4 c 5 4 8 0 ，d i s c u s st h es a m p l i n gm t eo f t h ev o i c es y s t e m n 地s e c o n dh a l f o f t h i sp a p e rd i s c u s st h es o f t w a r e h a r d w a r et e c h n o l o g i e so f t h ev o i c e c o m m u n i c a t i o ns y s t e mw h i c hb a s e do nc a nb u s t i l i sp a p e ra l s oa n a l y s e se a c hc o r r e l a t i v e f u n c t i o nm o d u l ei nt h es y s t e m , i n c l u d ev o i c ec o d c c c i r c u i t ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s sc i r c u i ta n d c a nb u st r a n s m i tc i r c u i t k e yw o r d s ：c o d e em c l 4 l c 5 i s 0v o i c ec o m m u n i c a t i o nc a nb u ss j a l 0 0 0 2 - 北方工业大学硕士学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 友王些盔堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名聘豫签字日期：伽1 年，月f 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解j e 友王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权韭友王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作粼；谤铷 签字日期：徊年步月1 7 日 学位论文作者毕业后去向； 工作单位： 通讯地址： 导师函力 导师签名：、y 譬 n 签字日期：w 6 年r 月w 日 电话： 邮编： 北方工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 随着现场总线技术的发展，c a n 总线作为比较有前途的现场总线之一，越来越受 到科技工作者的关注。而语音通信技术跟c a n 总线的结合无疑会是个比较新鲜的课 题。现今c a n 总线的技术已经成熟，大量的芯片生产厂商对c a n 技术的支持成为广 大科技爱好者的后盾，但对于c a n 总线的负载能力、抗干扰能力的及载波特性都没有 深入的探讨。本文通过在c a n 总线上加入语音信号进行通信，来了解c a n 总线的负 载能力及载波能力。据了解，在市场上的c a n 通讯都集中在中低速( 2 5 0 k 5 0 0 k ) ， 而对于高速c a n 的应用还没有系统的研究，特别是c a n 总线的负载能力的评价。 基于以上原因，本实验室自主立项，研究语音系统在c a n 总线上的通讯问题。希 望以此作为c a n 总线上的高速率传输的借鉴。 1 2 a 埘总线技术 1 2 1 现场总线的概况 现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域 网。它是随着控制、计算机、通信、网络等技术发展起来的。现场总线是应用在生产现 场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，也被称为开放 式、数字化、多点通信的底层控制网络、它在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的 自动化系统中具有广范的应用前景。 由于模拟信号的传递需要一对一的物理连接，信号变化缓慢，提高计算速度与精度 的开销、难度都较大，信号传输抗干扰能力也较差，为了寻求用数字信号取代模拟信 号，出现了直接数字控制。最初出现的集中式数字控制系统是用一台计算机取代控制室 的几乎所有仪表盘，但由于当时数字计算机的可靠性还较差，计算机出现的某种故障会 造成所有控制回路瘫痪，于是出现了集中与分散相结合的、新型的全分步式结构，把控 制功能彻底下放到现场大现场总线控制系统。n 现场总线控制系统既是一个开放通信网络，又是一种全分布控制系统。它作为智能 设备的联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一 步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化及 控管一体化的综合自动化功能。现场总线之所以具有较高的测控能力指数，一是得益于 北方工业大学硕士学位论文 仪表的微机化，二是得益于设备的通信功能。把微处理器置入现场予控设备、使设备具 有数字计算和数字通信能力，一方面提高了信号大测量、控制和传输精度，同时为丰富 控制信息的内容，实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助设备的计 算、通信能力，在现场就可进行许多复杂计算，形成真正分散在现场完整的控制系统， 提高控制系统运行的可靠性。 现场总线具有系统开放性、互可操作性与互用性、现场设备的智能化与功能自治 性、系统结构的高度分散性及对现场环境的适应性等技术特点。其节省硬件数量与投 资、节省安装费用、节省维护开销、用户具有高度的系统集成主动权和提高系统准确性 和与可靠性的优点也体现出了优越性。有几种现场总线技术已逐渐形成其影响并在一些 特定的应用领域显示出了自己的优势。其中包括基金会现场总线、l o n w o r k s 、 p r o f i b u s 、c a n 和h a r t 。下面就着重介绍涉及到本课题的c a n 总线。 1 2 2 c a n 总线的发展 c a n ( 控n 器局域网c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 是国际上应用最广范的现场总线之一。 最初出现在8 0 年代末的汽车工业中，由德国b o s c h 公司最先提出。在1 9 8 0 年的早些时 候，b o s c h 公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系统的可行性，因为没有 一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求。当时，由于消费者对于汽车功 能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是基于电子操作的，这就使得电子装置之间 的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。提出c a n 总线的最初动机就 是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯，减少不断增加的信号线，增加 新功能使其能够应用于产品，而非用于驱动技术。于是，他们设计了个单一的网络总 线，所有的夕 围器件可以被挂接在该总线上。此方案基于非破坏的仲裁机制，能够确保 高优先级的报文无延迟传输。该错误检测也包括自动断开故障节点功能，以确保能继续 进行剩余节点之间的通讯。传输的报文并非根据报文发送器接收器的节点地址识别( 几 乎其他的总线都是如此) ，而是根据报文的内容识别。1 9 9 3 年，c a n 已成为国际标准 i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 。“” 1 2 3c a n 总线的特点 c a n 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率，高抗电 磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。c a n 信号的传输采用短帧结构，每一帧 的有效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当信号传输距离达到1 0 k m 2 北方工业大学硕士学位论文 时，c a n 仍可提供高达5 0 k b i f f s 的数据传输速率。可靠性高，可以支持硬件节点的即 插即用；当有严重错误时，故障节点可自动关闭，以切断该节点与总线的联系，使总线 上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。采用芯片硬件i d 方式管理 网络，故障节点界定十分方便，网络维护成本比较低。 1 2 4c a n 总线协议及c a n 通信模型 c a n 总线被设计为具有最大传输速率1 m b i t s o c 的多主结构。c a n 不像传统的网 络，它不会点到点地传输报文，例如从a 节点到b 节点。在c a n 报文中，标志符是给 予数据而不是节点；报文在网络中广播，任何对报文有兴趣的节点都能够接收这个数 据。一般来说，c a n 报文包允许传输最高8 字节的数据，而总线仲裁的方法保证了一 个重要的数据能够在一个保证的时隙内到达。c a n 协议主要的吸引之处在于整个协议 都是由一块芯片以及程序来运行，所有的错误检测传送和接收技术都能够用c a n 控制 器芯片的硬件透明地执行。 c a n 2 0 规范的目的是为了在任何两个基本c a n - b u s 的仪器之间建立兼容性。 c a n 被细分为以下不同层次：c a n 对象层、c a n 传输层、物理层。对象层和传输层包 括所有由i s o o s i 模型定义的数据链路层的服务和功能。传输层的作用主要是传送规 则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定、总线上什么时候 开始发送新报文及什么时候开始接收报文，均在传输层里确定。物理层的作用是在不同 节点之间根据所有的电气属性进行位信息的实际传输。当然，同一网络内，物理层对于 所有的节点必须是相同的。2 1 c a n 2 0 规范没有规定媒体的连接单元以及其驻留媒体，也没有规定应用层。因 此，用户可以直接建立基于c a n 2 0 规范的数据通信；不过，这种数据通信的传输内容 一般不能灵活修改，适合于固定通讯方式。 1 2 5 c a n 总线的应用 尽管当初研究c a n 的起点是应用于客车系统，但c a n 的第一个市场应用却来自 于其他领域，特别是在北欧，c a n 早已得到非常普遍的应用。进几年来，美国和远东 的汽车厂商将会在他们所生产的汽车的串行部件上使用c a n 。由于得到了m o t o r o l a 、 i n t e l 、p h i l i p 、s i e m e n s 、n e c 等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。另外，大量 潜在的新应用( 例如娱乐) 正在呈现一一不仅可用于客车，也可用于家庭消费。由于c a n - 3 - 北方工业大学硕士学位论文 总线具有很高的实时性能，因此。c a n 已经在汽车工业、航空工业、工业控制、安全 防范、电力通讯、小区安防、环境监控、航天航海等领域中得到了广范的应用。 13 语音通信的发展背景 语音通信网络最重要的技术是信令技术、寻址技术、路由技术等。对于语音通信， 则经历了从最开始的路由器语音模块组网直到软交换体系组网三代的发展。第一代的路 由器语音模块组网由于开发和生产成本都比较高，造成路由器语音模块造价过高，不适 宜大规模推广。第二代的专有语音网关组网没有从根本上解决号码管理的问题，而且网 络规模逐渐扩大，整个语音网络的设计和管理仍然显得非常复杂。第三代的软交换体积 组网解决了传统语音方案中的管理问题、业务问题、成本问题等，使得语音的管理，业 务提供均能达到电信级的标准。 在语音通信网络中，信令技术的主要任务是建立一种连接。信令通常出现于语音通 信网络的入口处，由它选择线路并建立通信的技术通道，而且在远程网站点中通知呼叫 到达的信息。 在各种电话通信网络中，要实现语音通信功能，每一部电话机都必须有一个单独的 通信地址。传统的语音通信网络的寻址是依据国际和国内的标准，将本地电话公司的通 信服务和内部用户特定代码等口电话技术结合来完成。现在常用的电话网络的寻址 技术采用t c p i p 的寻址规则和寻址协议。 传统电话网络中路由技术与编号规则和通信线路密切相关，路由用于建立从发源电 话地址到目标电话地址的通话。为了能够允许用户选择多种服务，并将电话转接到另一 用户，在通信网络的交换机中建立一组表格和规则的路由技术非常重要。当电话到来 时，从路由技术的这些表格和规则中，便可以提供通往目标电话地址的路径，并产生相 应的服务功能。 1 4 语音通信应用于c a n 总线 在实际工作现场，常常需要在个非常恶劣的环境中进行通话，这个时候有几种方 案可供选择。用对讲机直接呼叫或者用普通电话通话。但是恶劣的工作环境下对通话提 出了及其严格的要求。首先要保证通话的实时性，任何的延迟都会给通话造成不良的后 果。比如在火车或者轮船上的通话，发生故障时，要马上根据指示进行操作，如果有时 间上的偏差误了检修，严重的会影响乘客的人身安全。其次要保证通话的不失真，若是 丢失数据包，会给通话者理解造成歧异。在更多的时候，需要通话的严格保密性，在军 4 北方工业大学硕士学位论文 事或公安系统的行动中，通话的内容都必须严格保密，不允许有任何的泄漏，这不但是 保证行动的成功，更是保证人员的安全。如果用传统电话进行通话，首先在安装上会有 麻烦，因为传统电话需要交换机和路由器，在线路上会复杂不少，在成本上也要增加。 若是p 电话更有数据包丢失不再接收得到的可能。用对讲机是以损失通话的保密性换 取通话的简易性，这都不满足恶劣环境中的通话需要。 c a n 总线用于语音通信的优点有：在一个有限的恶劣环境内，1 0 k i n 的最大传输距 离足够c a n 电话间的使用。最高可达1 m b i t s 的传输速率可以保证通话的实时性。可 靠的错误处理和检错机制和发送的信息遭到破坏后，可自动重发的c a n 总线特点，使 通话不失真得到了实现。另外，c a n 总线的低成本的优点，使日后的c a n 电话的大范 围内使用得到了保证。值得强调的是，c a n 总线的特殊的编码寻址方式，只要在c a n 的控制器里设置好相应的验收滤波器，就可以不经过交换机直接进行语音发送；总线上 的带宽占用也没有传统的电话的带宽大。这有可能使得我们只需要用两根c a n 总线， 就可以把需要通话的节点电话连接起来，把传统的电话从繁杂的电话线中解脱出来。 目前国内在研究c a n 总线的方面，还没有把太多的注意力放在语音通信上的研 究，而本课题提出了一个方向性的研究，可以在语音的c a n 总线通信_ v a t 行相关的研 究。因为c a n 总线最大的特点是特殊的基于报文的编码寻址方式，相比其传统的基于 地址的寻址方式来说方便很多。 这个系统的应用可以在工业生产现场等有总线工作且需要语音通信的地方进行工 作，这样不用另外扩充电路，只要把语音节点挂在总线上就可以很方便地进行语音通 信。 1 5 本课题研究及本文阐述的主要内容 对c a n 总线及语音通信的深入研究是本课题的直接来源。本课题主要完成基于 c a n 总线的电话软硬件设计及调试。目标是能够实现在实验室范围内多个节点通过 c a n 局域网通话，实时性及抗干扰性达到要求。初期达到两个电话的互相通话。留有 扩展口用与将来的多电话通话。最终可把c a n 电话做成小型交换机，用于把接入的电 话分到各个单体电话中。 本论文主要阐述课题设计背景，跟语音编解码相关的知识，系统的硬件结构及软件 调试过程，最后对该系统的前景和研究方向做出预测和建议。 5 北方工业大学硕士学位论文 2 1 语音的数字化过程 语音的数字化过程是语音传输的基础，是把模拟的语音信号转化为可控制的数字信 号的过程。其主要操作是将模拟音频信号每隔一定时间间隔截取段，并将所截取的信 号振幅转换成由一组二进制序列表示的离散序列，即数字音频序列。在这一处理过程 中，涉及到对模拟音频信号的采样、量化和编码。 2 1 1 取样过程 模拟音频信号是一个在时间上和幅值上都连续的函数t i t ) 。取样的过程就是在时问 上将函数妁离散化的过程。一般的取样是按均匀的时间间隔进行的。设这一时间间隔 为t ，则取样后的信号为f i ) ，l 【为自然数。根据奈奎斯特定理可知，如果音频信号f ( t ) 是一个限带信号，它的最高频率分量为。则当t l t ( 2 f m ) 时，可以从离散的坟k 1 ) 中不 失真地恢复出原来的信号f 【t ) 。由于人耳能听到的声音的频率范围大致在2 0 h z 2 0 k h z ， 因此声音的质量与音频信号的频谱范围以及采样时间间隔有关。 目前常见的音频信号的频率范围大致如下：电话为2 0 0 i - i z 3 4 k h z ，调幅广播为 5 0 i - i z 7 k h z ，调频广播为2 0 h z 1 5 k h z ，高保真音频信号为2 0 h z 2 0 k h z 。因此音频 取样频率一般定在8 4 8 k h z 范围内。常用的音频取样频率入表2 1 所示。 表厶1常用的音频取样频率与量化精度及数据率的关系 取样频率墩h z 81 1 0 51 62 2 0 54 4 14 8 量化精度眦 881 61 61 61 6 数据率0 , b s ) 6 4 8 8 42 5 63 5 2 87 0 5 67 6 8 从表2 - l 中可以看出，取样频率越高，数与r - 0 a 后的音频质量越高，存储量也越大， 所以使用哪种取样频率要兼顾语音质量和信道容量。 由于在本课题系统中选用的是8 0 5 1 系列单片机，其主频只有3 3 m h z 。考虑到尽量 避免数据量过多，采用8 k h z 取样频率和8 b i t 的量化精度来处理语音数据，这样处理出 来的数据的码率为8 k h z x8 b i t = 6 4 k b i t p s 。若用更高速的单片机、d s p 或a r m ，可以 选用更快取样频率很更高量化精度的语音处理方法。 - 6 - 北方工业大学硕士学位论文 2 1 2 量化过程 量化过程是将取样值在幅度上再进行离散化处理的过程。所有的取样值可能出现的 范围被划分成有限多个小阶距( 量化步长) 的集合，把凡是落入某个量化阶距内的取样值 都赋予相同的值，即量化值。通常这个量化值是用二进锘4 来表示的。如果量化阶距是相 同的，或者说是量化值的分布是均匀的，称之为均匀量化，否则称为非均匀量化。 2 1 3 编码过程 模拟音频信号经过取样、量化后，就要进行编码，即用二进制数表示每个取样的量 化值。如果取样值既采取均匀量化，又采取自然二迸制表示，这种编码方法就是脉冲编 码调制p c m ( p u l s ec o d em o d u l a t i o n ) 。p c m 是一种最简单、最方便的编码方法。经过编 码后的数字信号就是数字音频信号。由于p c m 是一种未经过压缩的数字音频信号，因 此常常将它作为与其他编码进行比较的一种参考信号。 表示取样值的二迸制的位数为量化位数，它反映各取样值的精度，如4 位能表示取 样值的1 6 个等级，8 位能反映2 5 6 个等级，其精度为音频信号最大振幅的1 2 5 6 。量化 位数越多，量化值越接近于取样值，其精度越高，但要求的信息存储量越大。声音信息 的通道数值将取样值记录为一组波形( 单声道) 还是两组波形( 双声道) 甚至更多组波形( 多 声道) 。取样值存储量可用下式表示： v = f * b * s 8 式中，v 为取样值存储量( b i t s ) ，f 为取样频率( k h z ) ，b 为量化位数( b i t ) ，s 为声道 数。嘲1 2 。2 语音编解码技术 2 2 1 语音编码压缩技术的分类 语音压缩需要在保持可懂度、音质、限制码率及降低编码过程的计算代价这三个方 面进行折衷。电话质量的语音压缩技术大致分成两类：一是尽量保持输入波形不变，即 重建的语音信号基本上与原始语音信号波形相同，压缩比较低，这种方法称为波形编 码；二是要求重建的信号昕起来与输入语音一样，但其波形可以不同，它是以语音信号 所产生的数学模型为基础的一种编码方法，压缩比较高，称为参数编码。现在出现了综 合波形编码的高质量潜力和参数编码的高压缩效率的混合编码的第三类方法，它已成为 目前低码率编码的发展方向。 7 北方工业大学硕士学位论文 各种语音信息的压缩处理都是在p c m 编码的基础上进行的，因此首先需获得p c m 的编码数据，这一过程称为预处理，然后编码器再对这些数据进行压缩编码运算。 2 2 2 波形编码 波形编码就是根据语音信号波形导出相应的数字编码形式，它会尽可能构造出包括 背景噪声在内的模拟波形、输出信号的波形和相位跟踪输入信号。波形编码的语音信息 是波形，编码率在9 6 6 4 k b s 之问，属中频带的编码，重构的声音质量较高。波形量 化法易受量化噪音的影响。 i t u - g 7 1l 规范采用8 k h z 抽样，8 b i t 量化的p c m 编码方式，比特率为6 4 k b s 。为 了降低语音波形编码速率，目前主要采用差分脉冲编码( d p c m ) 、自适应量化和自适应 线性预测编码( a d p c m ) 及予带编码( s b c ) 技术。波形编码的语音比特率可降低导3 2 k b s 或1 6 k b s ，再低就十分困难了。 在这里介绍一下本系统中的压缩语音信号使用的非均匀量化压扩法。在p c m 编码 中，语音信号的最大幅度影响这量化信噪比。在编码位数一定的条件下，语音信号的幅 度越小，量化信噪比也就越差。因此，为了达到信噪比和信号幅度无关的目的，就要采 用非均匀量化的方法，压扩法就是其中之一。在这种方法中，我们根据语音样值的非均 匀分布的特点，设法然量化阶距随着概率密度的减小而增大，或者说对大信号用大量化 阶距，对小信号用小量化阶距，从而使量化信噪比不随信号幅度而变化。量化前用对数 函数进行幅度压缩，解码后再用指数函数进行幅度扩张。其效果是使量化器的信噪比对 信号幅度不敏感。 压扩法编码又分为a 律和m u 律两种压缩方法。其中m u 律是美国、日本、加拿大 等国采用的一种压缩律，a 律主要是欧洲使用的一种压缩律。 2 3语音编码器的睦畿评价 对编码器性能进行评价时主要考虑以下因素。 语音比特率 编解码器的输入为标准脉冲编码调制的语音码流( 比特率为6 4 k b s ) 时，编，解码器的 输出速率称为编，解码器的语音比特率。语音编l * 码器根据比特率可分为固定和可变两 种。g 7 2 9 为8 k b s 固定比特率语音编懈码。o 7 2 3 1 为6 3 5 3 k b s 可变比特率语音编， 解码，它进一步降低了语音码流。 时延 8 北方工业大学硕士学位论文 评价编，解码器性能的关键因素是编，解码器工作所需的时间，这个时间包括编码缓 存即处理时间、复用传输时间和解码时间，总称为单向系统时延，一般估计至少为3 各 帧长。解码时延大约是编码时延的一半。 复杂度 复杂度决定了编解码器硬件的成本和功耗，也影响到编解码器的实时性。通常编 解码器都采用d s p 芯片实现，其原因是d s p 芯片的处理机构最有利于算法的高效计 算。复杂度的衡量指标为定点d s p 实现编，解码所需的处理器能力( 以百万指令，秒即 m i p s 为计算单位) 和所需要的r a m 容量。d s p 的m i p s 是指支持特定编码器的d s p 处 理器的最低速度。 语音质量 经过编，解码处理后恢复的语音质量和许多条件有关，语音质量是编解码有效性的 客观反映对于低比特率编解码器，解码恢复信号的质量和输入信号的特性具有较大的 相关性。对于语音质量，目前常用的有3 中主观评测方法：诊断性音律n i 式( d r t ) 、诊 断性可接收性n 试( d a m ) 和平均意见得分( m o s ) 。一般电话大部分采用m o s5 分制进 行语音质量评定，一般要求不低于3 分。 2 ag t i1 语音压缩国际标准 随着计算机及数字通信系统的发展，数字音频编码技术越来越得到重视。国际电信 联盟0 t u ) 组织定义了一系列语音压缩标准，其中最常用的国际语音压缩标准有： g 7 l l 、( 3 7 2 1 、g 7 2 2 、g 。7 2 8 、g ，7 2 3 等。 m 1 于1 9 7 2 年为电话质量( 模拟语音带宽3 k h z ) 的语音压缩制定了g 7 11 标准， 取样频率为8 k h z ，码率为6 4 k b s ，使用u 律或a 律的压扩编码，质量相当于1 2 比特的 线性量化。同时它还规定了u 律和a 律之间的转换关系，它最常用于数字电话的语音 编码中，此外还可用于可视电话或会议电视的语音编码中，并且是可视电话或会议电视 系统中必备的语音编解码标准。 表2 - 2 列出了g 7 l l 语音编码标准及性能参数。 表2 - 2g 7 11 语音编码标准及性能参数 l 标准编码类型 比特率( k b s ) m o s 复杂性时延m s g 7 1 1p c m6 44 310 1 2 5 9 北方工业大学硕士学位论文 2 5 语音编解码芯片的选择 前面概括地介绍了语音编解码技术的相关知识，所介绍的技术都是涉及到语音编解 码芯片的选择。 考虑到使用的系统c p u 的主频较低，语音的码率即数据量不能太大，否则语音数 据会来不及处理而丢失。在这里使用的是8 k h z 的采样频率和8 b i t 的量化精度，语音芯 片使用的压缩技术是压扩法编码，在压扩法编码方式中有a 律和m u 律可选。 综合语音采样方案，芯片规格，性能，价格等各种因素，在这里选用的是摩托罗拉 公司生产的m c l 4 l c 5 4 8 0 。这是摩托罗拉公司生产的一款通用单信道p c m 编码解码器 滤波器。它具有按m u 律或a 律压扩的可选引脚，能实现p c m 系统的所要求的语音数 字化和频带限制及平滑。具有以下特点：低功耗，低噪声的全差分模拟电路设计，片内 集成有发送带通滤波器和接收低通滤波器，具有r c 预滤波器和后滤波器，m u a 律可 选择。 1 0 北方工业大学硕士学位论文 第三章基于c a n 总线的语音通信系统的硬件实现 3 1 语音通信系统的总体结构 系统主要由语音部分和c a n 总线部分组成。单个通话节点的总体结构如图3 - 1 所 示。通过c a n 总线跟多个同样的节点连接在起，形成通信总线网络。 图3 - 1 系统总体结构图 整个系统由语音采集编解码、语音数据处理、语音存储及c a n 收发等部分组成。 接下来将分别介绍各个部分的内容。 3 2 语音采集编解码部分 3 2 1m c l 4 l c 5 4 8 0 的内部结构及管脚定义 m c l 4 l c 5 4 8 0 的内部结构框图如图3 - 2 所示。 m c l 札c 5 4 8 0 的特性如下： 单一的5 v 电源供电 2 3 r o w 的标准耗散功率，掉电0 0 1 r o w 最低噪声的全差分模拟信号 在片的发送带通滤波器和接收低通滤波器 有源r - c 预滤波和后滤波 m u 律和a 律压扩引脚选择 在片的精确基准电压( 1 5 7 5 v ) 具有外部增益调节的3 0 0q 推挽式功率驱动器 北方工业大学硕士学位论文 管脚定义如表3 - 1 所示： 图3 - 2m c l 4 l c 5 4 8 0 内部结构框图 阴 名称符号引脚号功能描述 r m 1 接收模拟输出( 同相) ，接收来自数字到模拟转换器信号的平滑滤波 器的同相输出。 r o 2 接收模拟输出( 反相) ，接收来自数字到模拟转换器信号的平滑滤波 器的反相输出。 p i 3 功率放大器输入，反相输入到p o 放大器。 p q4 功率放大器输出( 反相) ，用来提供一反馈信号给p i 引脚，以设定推 挽功率放大器输出的增益。p o + 和p o z 间必需限低阻抗负载。 p o + 5 功率放大器输出( 同相) ，是p o 的信号的反相输出。 v o o 6 电源正极，一般接+ 5 v 电源，用一个o 1 u f 的陶瓷电容对v s s 退耦 f s r7 帧同步，接收，帧当用在长帧同步或短帧同步模式中时，此引脚接 收s k h z 时钟信号。 d r8 数据，接收，p c m 数据输入且在长帧同步或短帧同步模式中时被 f s r 和b c l k r 所控制。 b c l k r9 比特时钟，接收，当用在长帧同步或短帧同步模式中时，此引脚接 1 2 髓 雌 啊 黜 一 晰 叭阱 开 泓 叭 坳 他m m 北方工业大学硕士学位论文 收从6 4 到4 0 9 6 k h z 的任何比特时钟频率。 巾d i 1 0掉电输入，在施加逻辑0 时，此引脚置器件于低功耗模式。当施加 逻辑l 时，器件正常工作 m c l k1 l 主时钟，此引脚上的时钟信号用来生成内部的2 5 6 k h z 时钟频率以 及用于开关电容器滤波器的系列信号，即a d c 和d a c 。 b c l k t1 2 比特时钟，发送，控制发送p c m 数据的变换率，可接收长帧同步 和短帧同步的从6 4 到4 0 9 6 k h z 的任何比特时钟频率。 d t1 3 数据，发送，由f s t 和b c l k t 控制。且除了正在输出p c m 数据 之时外均为高阻抗。 f s t1 4 帧同步传送，此引脚接收一个8 k h z 的时钟信号，此时钟信号使 d t 引脚处的串行p c m 数据是输出同步化。 蜘 1 5 电源负极，一般接0 v m u a1 6 m u a 律选择，此引脚控制编码器的压缩和解码器扩展，当它连接 v d d 时选择m u 律压扩，连接v s s 时选择a 律压扩 t g1 7 发送增益，这是传送增益设置的运算放大器的输出，并输入到发送 带通滤波器。 1 8 传送模拟输入( 反相) ，设置发送增益的运算放大器的反相输入。 t l1 9 传送模拟输入( 同相) ，设置传送增益的运算放大器的同相输入。 v a o 2 0 模拟信号接地输出，此引脚应以一个0 o l u f 一- 0 1 u f 的陶瓷电容对 v s s 退耦，本器件所有模拟信号处理均以此弓l 脚为参考点 表3 - im c l 4 l c 5 4 8 0 内部管脚定义 3 2 2m c l 4 l c 5 4 8 0 的工作原理 m c l 4 l c 5 4 8 0 便用p c m 编码，内部由一个线性的1 3 比特a d c 和d a c 来完成， 但这样将远超过所要求的在振幅峰值以上大于4 0 d b 振幅处的信号对失真之比。为了减 少数据，可以使用压扩方法，即以压缩1 3 比特线性方案去压扩伪对数8 比特方案来实 施。其中两种压扩方案是北美和日本使用的m u 律和欧洲使用的a 律。这些压扩方案定 义一个组成分段线性曲线的符号伪、三个和音位和四个阶梯位。对一个给定的和音而 言，全部1 6 个阶梯都有相同的电压权数。模拟输入电压增加时，4 个阶梯位有增量并 带动和音位出现增量。在和音位增量时，阶梯位二倍其电压权，结果就产生一个6 位的 - 1 3 北方工业大学硕士学位论文 有效解( 1 符号位+ 1 和音位+ 4 阶梯位) 跨越4 2 d b 的动态范围。瞄1 如表4 - 2 和表4 - 3 所 刁隋。 电平m u 律a 律 符号位和音位阶梯位符号位和音位阶梯位 + 满标度 10 0 00 0 0 010 1 0 1 0 1 0 + 零 1“1 1 1 1 l l1 0 10 1 0 1 一零 o1 1 1“1 1 o1 0 10 1 0 l 一满标度 oo o oo o o oo0 1 01 0 1 0 表3 - 2 零和全量标的p c m 编码 相位m u 律a 律 符号位和音位阶梯位符号位和音位阶梯位 r d 8o0 0 11 1 l o00 1 10 1 0 0 3 耐8o0 0 01 0 1 1o0 1 00 0 0 1 5 舶oo o o1 0 1 1o0 1 00 0 0 1 7 7 以o0 0 1l l l 000 0 1 0 1 0 0 铆以10 0 11 1 1 0l0 1 10 l o o 1 1 8lo o o 1 0 1 1l0 1 00 0 0 1 1 3 州810 0 01 0 1 l10 1 00 0 0 1 1 5 舶1o o l1 1 1 010 1 10 1 0 0 表3 - 3 数字m w p c m 编码 在采样环境中，要取得一个连续信号的正确样品，必须在高于二倍信号最高频率的 频率成分中取样。为减低正比于采用率的数字数据速率，这里采用8 k h z 的采样率。这 种采样法要求有一个低通滤波器以限制来自频带内信号失真的高于3 k h z 的高频能量， 在模拟到数字转换前信号必定会被高通滤波器所衰减。数字到模拟的转换处理过程是对 所需求的频带内信号的阶梯式重构，这种信号式环绕采样频率及其谐波调制后的频带内 信号的频谱映像。这些频谱映像被称作混淆分量，它需被衰变后才获得所需求的信号。 用来衰变这些混淆分量的低通滤波器一般称做重构或平滑滤波器。 m c l 4 l c 5 4 8 0 是通用单信道p c m 编码解码滤波器。它有一个输入运算放大器，运 算放大器的输出输入到编码器。编码器部分立刻以一个有源r - c 滤波器对模拟信号进行 低通滤波，以消除高频噪声，这种噪声是在进行调制时由开关电容滤波器进到通频带时 1 4 北方工业大学硕士学位论文 产生的。经有源r - c 滤波器后模拟信号变换为一差分信号。这使一个模拟信号处理可二 倍于一个单端设计所允许的大小，从而减低了正向反向信号路径中的噪声的分量。这样 就理想地改善了电源供电的抑制比。在差分转化器后，经过一个差分开关电容带通滤波 器，使模拟信号有2 0 0 h z 到3 4 0 0 h z 频带，在由差分压缩a d 转换器对信号数字化以前 得以通过。 解码器接收到p c m 数据后使用一个差分d a 转换器加以扩展。d a 的输出是 3 4 0 0 h z 以下的低通滤波输出，并由差分开关电容滤波器作s i n x x 补偿。信号再由有源 r - c 滤波器滤波以消除开关电容滤波器的能带输出。 m c l 4 l c 5 4 8 0p m c 编解码器滤波器容纳各种时钟格式，如短帧同步、长帧同步、 i d l 以及c k 2 i 定时设备等。它是用c m o s 构成，因c m o s 由灵活的低功率性能和胜任 负载的模拟数字v l s i 功能。 下面介绍长帧同步模式。 长帧同步式定时格式类型之一，它控制p c m 数据字的转换。“帧同步”或“启 动”是两种特定的同步功能。首先是使p c m 数据字转换同步化，其次使控制内部的模 拟到数据和数据到模拟的转换。“同步”是作为p c m 数据字在连续p c m 数据部线之 上或之外多路传输同步化的功能，也是熟知的p c m 通路；“长”是指p c m 数据时钟 周期中测得的帧同步周期。 长帧同步的实施使对外部简单定时保持协调和优化。这种优化包括p c m 数据输出 趋向低阻抗并使具有发送数据比特时钟( b c l k t ) 愀帧同步口s d 为逻辑与( a n d ) 。图 3 - 3 是长帧同步的时序图。 在图3 - 3 中我们可以看到，要发送的数据( 叩和要接受的数据r ) 都是在f s t 最长 的脉冲内部的，每一位数据的周期和b c l k t ( 或b c l k r ) 一致。f s t ( f s r ) 、 b c l k