（通信与信息系统专业论文）dsp在数字载波机中的应用研究.pdf

摘要 摘要 电力线载波通信( p l c ) 是电力系统特有的一种通信技术，在电力系统通 信网中占有非常重要的地位。数字电力线载波机( d p l c ) 的出现，是电力线 载波通信的发展方向。 本文概要介绍了电力线载波通信的原理、特点以及电力线载波通信的数字 化技术。对载波机数字化的一种实现方案语音数据复接技术进行了详细的 讨论，重点介绍语音压缩编码、数据的异同步转换和复接等关键技术。给出了 一种基于数字信号处理器( d s p ) 的载波机系统的实现方案，完成了系统的硬 件电路和软件程序的设计，在t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 试验板上进行了调试和测试， 取得了有意义的实验结果。 本文的研究结果表明，基于数字信号处理器( d s p ) 技术，对传统的电力 线载波机进行数字化改造，可以提高系统的容量和性能。本文的工作对载波机 数字化技术的研究有一定的参考价值。 关键词：电力线载波机( p l c ) ，语音压缩编码，异同步转换，复接技术， 数字信号处理器( d s p ) 西北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t p o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) i sas p e c i a lt e c h n i q u eo fc o m m u n i c a t i o ni ne l e c t r i c p o w e rs y s t e m w h i c hh a sv e r yi m p o r t a n ts t a t u s i nc o m m u n i c a t i o nn e to fe l e c t r i c p o w e rs y s t e m a st h ea p p e a r a n c eo fd i g i t a lp o w e rl i n e c a r r i e rf d p l c ) i th a s g r a d u a l l yb e c o m e t h ed e v e l o p i n gd i r e c t i o no f p o w e rl i n ec a r r i e r t h i st h e s i sg e n e r a l l yi n t r o d u c e st h ep r i n c i p l e s f e a t a r e sa n dd i g i t a l i z a t i o no f p o w e r l i n e c a r r i e r f i r s t l y , a r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fd i g i t a l p o w e r l i n e c a r r i e h a t aa n dv o i c em u l t i p l e xt e c h n o l o g yi s s p e c i f i c a l l yd e s c r i b e d s e c o n d l y , v o i c ec o m p r e s s e dc o d e ，d a t aa s y n c h r o n o u s s y n c h r o n o u sc o n v e r ta n dm u l t i p l e x t e c h n i q u e a r e e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e d t h i r d l y , ad e t a i l e dp r o j e c t o fr e a l i z a t i o n i n c l u d i n gp a r to f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r o v i d e d a n df i n a l l yt h ed e b u g g i n go f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eh a sb e e nf u i f i l l e do nat e s tb o a r do ft m $ 3 2 0 v c 5 4 1 0 a v a h l a b l er e s u l th a sb e e na c h i e v e da tl a s t t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h e c a p a c i t ya n dp e r f o r m a n c eo f p o w e r l i n ec a r r i e rc a n b e g r e a t l yi m p r o v e db yd i g i t a l i z a t i o nb a s e do rd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) t e c h n i q u e ，w h i c hm i g h tb eu s e f u lt ot h ef u r t h e rr e s e a r c ho fd i g i t a l i z a t i o no fp o w e r l i n ec a r t i e r k e y w o r d s ：p o w e rl i n ec a r r i e r ( p l c ) v o i c ec o m p r e s s e dc o d e a s y n c h r o n o u s s y n c h r o n o u s c o n v e r t m u l t i p l e x d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) 1 1 第一章绪论 第一章绪论 电力线载波通信是电力系统通信专网特有的一种通信方式。它以电力线为 信道，以变电站、发电厂为终端，特别适合于电力调度通信的需要，而且，电 力线载波通信系统具有投资少、施工期短、设各简单、通信安全、实时性好、 无中继距离长等一系列优点，输电线架设到哪里，通信线路就可以延伸到哪里， 在不少工期比较紧张的输变电工程中，往往只有电力线载波通信才能够和输变 电工程周期完成建设。 目前，我国1 1 0 k v 以上电力线载波电路己超过6 5 万话路公里，还有大量 的电力载波机在1 1 0 k v 以下的农网上运行。庞大的电力线载波通信网担负着电 网内调度电话、继电保护和远动信息的重要传输任务，对于电网的安全稳定经 济运行发挥着重要的作用。 1 1 电力线载波通信原理及其特点 电力线载波通信在原理上和邮电明线的载波通信基本相同，但它是利用电 力线路来实现话音通信的，而电力线路是为输送5 0 h z 电能而架设的，线路上 具有很高的工频交流电压和强大的工频电流，因此电力线载波通信必将有许多 独特之处。 1 1 1 电力线载波通信原理 电力线载波通信的原理框图如图1 1 所示。图中a 端为发电厂，b 端为变 电所。发电厂生产的5 0 h z 电能经变压器升压后，通过电力线送到变电所，再 经降压后供用户使用。 利用电力线实现载波通信，关键的问题是如何把高频信号安全地耦合到电 力线。图1 一l 所示的是最常用的相地耦合方式，出耦合电容器c 和结合滤波器 f 共同完成耦合作用。从图可见，c 和f 构成一个高通滤波器，载波通信的高 堕些三些盔堂堡主兰堡堡兰 频信号可以顺利通过，送到电力线路的一条相线。而对5 0 h z 的工频电流具有 极大的衰减，能有效地防止i 频f g 流进入载波设备，保护载波设备和人身的安 全。 阻波器t 是一个l c 并联谐振电路。其谐振频率调节在高频信号的频率附 近，因此它对高频载波信号具有极大的阻抗，阻止高频信号进入发电厂或变电 站的电力设备，防止输电母线、变压器等设备对高频信号的旁路作用。而谐振 电路的电感线圈l 是一个能通过很大工频电流的强流线圈，由它保证工频电流 的顺利输送。 ab 电力线载波设备高频通道电力线载波设备 图卜1 电力线载波通信原理方框图 c 耦合电容器；f 一结合滤波器；t 一阻波器； 卜发电机：2 一变压器；3 一断路器：4 一母线 图1 1 中载波信号的处理、传输过程如下：a 端的话音信号( o 3 3 4 ) k h z 经差接系统，完成2 4 线转换，然后用频率为，；的载频对其进行调制，并取其 上边带，从而将话音频谱搬移到高频段，成为q + ( o 3 3 4 ) k h z 的高频信号。 进行线路放大后，由方向滤波器 输出，最后经f l 、c l 耦合到电力线上。由于 阻波器t l 的存在，高频信号将沿电力线向b 端传输。到达b 端后，高频信号 将被t 2 阻挡，而只经c 2 、f 2 耦合进b 端载波设备。在这里，因带通滤波器正 的通带频率不同，i + ( 0 3 3 4 ) k h z 的高频信号只能经过滤波器，；进入下部的 收信支路，放大、解调后，恢复a 端的话音信号，最后经差接系统传至b 端用 第一章绪论 户。 同样，b 端的话音信号按照与上述相同的过程传至a 端用户。其差别只是 两个方向使用的载频不同，a b 传输时使用载频为_ ，；，而b a 传输时使用 五。不同方向的不同频率载波信号在两端载波设备中是依靠；、正两个中心频率 不同的带通滤波器予以区分的，故石、五滤波器称为方向滤波器。 在电力线载波通信中，我们经常提到“高频通道”的概念。所谓高频通道， 是指一端载波机的输出端到另一端载波机的输入端之间的全部设备所组成的高 频信号通路，如图1 一l 。这些设备包括连接载波机和结合滤波器的高频电缆( 图 1 - 1 中未示出) 、结合滤波器、耦合电容及线路。“线路”则是特指两端耦合电 容器与电力线的连接点a 、b 问的输电线路。 1 1 2 电力线载波通信的特点 与邮电载波通信相比，电力线载波通信主要有如下特点： 1 独特的耦合设备 电力线路上有高压大电流通过，载波通信设备必须通过高效、安全的耦合 设备才能与电力线路相联。这些耦合设备既要使载波信号有效传送，又要不影 响工频电流的传输，还要能方便地分离载波信号与工频电流。此外，耦合设备 还必须防止工频高压、大电流对载波通信设备的损坏，确保安全。 2 电路频谱安排的特殊性 电力线载波通信能使用的频谱，是由3 个因素决定的： 1 ) 电力线路本身的高频特性； 2 ) 避免5 0 h z 工频谐波的干扰： 3 ) 考虑载波信号的辐射对无线电广播及无线通信的影响。 我国统一规定d g j 3 - 线载波通信使用频带为f 4 0 5 0 0 ) k h z 。 电力线路在发电厂和变电所内均按相同电压等级连接在同一母线上。同一 发电厂、变电所中不同电压等级的电力线均处于同一高压区，并由电力变压器 将其互相耦合。这样，在一条电力线上开设电力线载波通信时，其信号虽被耦 西北工业大学硕士学位论文 合设备阻塞，仍会程度不等地串扰到同一母线的其它相电力线上去。由于同一 母线的不同相电力线间跨越衰耗不大，致使每条电力线上开设载波的频谱不能 重复，而只能在( 4 0 5 0 0 ) k h z 频带内合理安排。此外，在同个电力系统中， 电力线是相互连接的，若想重复使用频谱，至少须相隔两段电力线路。由于这 些原因，同母线上各条电力线所能共同利用的频谱，实际上l l ( 4 0 5 0 0 ) k h z 还 要窄。 3 以单路载波为主 电力系统从调度通信的需要出发，往往要依靠发电厂、变电所同母线上不 同走向的电力线，开设电力线载波来组织各方向的通信。由于能使用频谱的限 制、通信方向的分散，以及从组网的灵活性考虑，电力线载波通信不象邮电载 波那样在一条线路上开通十几路、几十路、甚至几百路的载波电话，而是大量 采用单路载波设备。在某些特定情况下使用多路载波，也均在千路以下。 4 电路存在强大的电磁干扰 由于电力线路上可能存在强大的电晕等干扰噪声，要求电力线载波设备具 有较高的发信功率，以获得必须的信噪比。 另外，由于5 0 h z 谐波的强烈干扰，使得( 0 3 3 4 ) k h z 的话音信号不能 直接在电力线上传输，即不可能在电力线路上直接进行音频通信。只能将信号 频谱搬移到4 0 k h z 以上，进行载波通信。 1 2 电力线载波通信数字化 信息时代是通信数字化结出的硕果，随着数字化的发展，计算机、电信、 广播- - n 迸一步融合。以电话为主的通信网将演变成以数据为主的多媒体网。 i n t e r n e t 网的发展，促进了这种融合和演变。电力线载波通信也不例外，将参与 这种演变。电力线载波通信只有充分融进计算机技术和数字信号处理技术迅 速实现数字化改造，才能与整个电力通信网乃至公用信息网顺利接1 ：3 。因此， 电力线载波通信的未来发展趋势，必将是逐步采用数字式电力线载波机 ( d p l c ：d i g i t a lp o w e rl i n ec a r r i e r ) 最终全面取代目前的模拟式电力线载波机 4 望二至丝丝 ( a p l c a n a l o g p o w e rl i n ec a r r i e r ) 。 考虑到现有a p l c 的应用情况及将来电力数字通信网的发展，d p l c 应满 足以下要求： 1 提供现有a p l c 的各种业务( 调度电话、远动、远方保护) 及新增数据 通信业务； 2 通路容量应比a p l c 至少大三倍以上： 3 占用与单路a p l c 相同的带宽，且不改变载波通信网原有的频谱分配； 4 在线路上则与a p l c 兼容。原有的耦合、结合设备等不变，可与a p l c 共同组网； 5 具有良好的可扩充性能： 6 投资少、功能强、性能价格比高。 d p l c 的实现可采用二种不同的技术方案，即部分数字化和全面数字化方 案。部分数字化是只将音频部分及调制电路数字化，但最终仍采用单边带调制 方式( s s b ) ；或者将语音进行压缩编码，利用高速话带m o d e m 再接入常规 a p l c 。全面数字化则是全面应用语音压缩编码、数字复接及q a m t c m 等高 性能的数字调制技术，研制完全的数字式载波通信机。以下对现在正在研制和 开发的电力线载波机数字化的方法进行介绍。 1 2 1f d m 电力线载波设备电路数字化 同模拟电视接收机的电路数字化一样，近年来国内外的电力线载波设备制 造厂家都在将现有f d m 模拟电力线载波设备电路尽量进行数字化处理。 1 载供系统采用p l l 技术进行数字化； 2 自动电平调节采用离散步进调节及p g a ( 可编程门阵列) 、d a 等i c 、d s p 等进行数字化： 3 音频通道复用滤波器采用r c 有源滤波器、开关电容滤波器、d s p 等进行 数字化： 4 信令系统采用数字分频、单片f s k 接收i c 、d s p 进行数字化： 两北工业大学硕士学位论文 5 ，频谱搬移的调制解调采用d s p 进行数字化。 各厂家进程不一，方法不同都在尽量进行数字化工作。基本上可以做到除 功放、线路滤波器及匹配变压器、收信个别滤波器、放大器以外都采用数字技 术。从而提高了设备的模块化程度，大幅度减小体积，同时提高了设各的可靠 性。 1 2 2 电力线载波加数字终端 近年来音频通道( o 3 - 3 4 k h z ) 调制解调器( m o d e m ) 技术发展很快，其 顶峰为符合v 3 4 建议的m o d e m ，最高速率可达3 3 6 k b s 。 语音信号压缩编码进展很快，2 4 - 4 k b s 的码率己能达到m o s ( m e a n o p i n i o ns c o r e ) 得分3 5 以上，达到通信质量要求。 二者结合的数字终端通过现有电力线载波音频通道( 0 3 3 4 k h z ) 进行传 输，现场应用般可以开通1 9 2 k b s ，可传输三路话音三路数据( 一路1 2 0 0 b s 、 二路6 0 0 b s ) 或二路话音三路数据( 1 2 0 0 b s ) 。在线路情况较差时，也可开通 4 8 9 ，6 k b s ，保证一话一数。 目前已有许多厂家推出信道、数字终端合一的产品。估计这种产品相当一 段时间会成为电力线数字载波设备的主要产品。 这种设备同现有的电力线载波传输方式致，都采用二线二频制单边带载 波抑制方式，在线路设计、频谱配置方面都基本不变，与现有设备的兼容性好。 此种设备有以下优点： 1 载波抑制单边带传输方式频谱利用率高，这对频谱资源极为有限的电力 传输线媒体是很可贵的： 2 充分利用话音m o d e m 成果，技术成熟，成本较低； 3 利用语音压缩编码和高效数字复用技术，提高传输效率，扩大传输容量， 实现语音、数据、慢速图像等多媒体业务。 第一章绪论 1 2 3 利用q a m o f d m 实现较高速率传输 占用2 b ( b = 4 k h z ) 以上带宽，采用q a m o f d m ( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l y i n g ) 等调制技术实现n 6 4 k b s ( n = 1 ，2 ) 的较高速率的传 输。 已有进口产品，国内研制产品也在陆续面市。这类产品类似数字微波，将 进一步促进电力线载波通信数字化进程。 1 2 4 采用扩频技术 扩频通信在无线通信方面得到了很好的运用，第三代移动通信就是建立在 扩频通信基础之上。在电力线这种突发干扰较大的媒体上采用扩频通信技术将 大有可为。目前，国外采用扩频技术，已推出了传输数据速率为1 9 2 k b s 和 1 0 0 k b s 的电力线扩频通信产品；在市电网上传送2 m b s 以上速率的产品；在市 电网或1 0 k v 电网上传输4 8 k b s 速率的数据传输设备( 符合以太网协议) 。 这类产品具有可靠性高、抗干扰能力强、体积小、误码率低、传输数据速 率高等显著特点。可广泛用于变电站自动化、配电自动化、远程数据采集和控 制、路灯管理、智能小区等方面。 1 3 研究的内容 目前在进行数据传输时，考虑到电力线载波通信能使用频谱的限制，如果 引进最新的语音压缩编码技术与语音、数据复接技术，就可以在较低速率信道 中传输多路话音和低速数据信号，由此大大提高信道的利用率，充分发挥现有 通信设备的潜力，节省设备投资。 数字复接设备和电力线载波机配合使用，具有在电力线上利用载波传输多 路语音与数字信号的功能。具体的数据传输过程是：首先把语音信号进行压缩 编码，把数据信号经过异步同步变换后，复接成速率小于2 8 8 k b s 的高速数据 塑! ! 三些盔堂堡主兰垡堡兰 信号，然后通过一个3 3 6 k b s 的调制解调器，把它调制到语音信号的频带上， 再利用4 线与载波机音频部分接口，通过载波机的调制功能最终把信号送到电 力线上。接收端先经过载波机的解调，把信号变成音频信号，再经过载波机的 4 线接口，将音频信号经调制解调器输出的数字信号再经过数字复接设备的分 接、语音解码和同步异步变换，最后把信号还原为语音和数字信号送给用户。 本文讨论的重点是在电力线载波通信系统中，实现语音的压缩编码、数据 的异步同步转换及语音和数据的复、分解功能。传统的语音编码速率为6 4 k b s ， 一条p c m 信道只能传送一路话音信息。而采用最新的语音压缩技术可以将 6 4 k b s 的语音信号进行压缩，压缩后的速率可到9 6 k b s ，4 8 k b s ，甚至24 k b s ， 但仍然保证有较高的可听度。将若干路重新编码后的语音和若干路低速数据在 复接器内重新组帧，然后将帧信号通过较高速率的复接通路发送出去：相反复 接器可在复接通路收到一帧信号后，将数据分接后并从相应的分接通路发送出 去，从而提高信道的利用率。而且，本文给出了一种基于数字信号处理器( d s p ) 的载波机系统的实现方案，完成了系统的硬件电路和软件程序的设计，在 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 试验板上进行了测试和调试。 本文内容安排如下：第二章概述了语音压缩编码的方法、特点，并着重介 绍了电力线载波机中使用的多带激励编码( m b e ) 的原理，以及语音压缩编码 芯片a m b e - 2 0 0 0 的选择和功能；第三章详细介绍了系统的设计思想和硬件 构成，并对各部分硬件的实现及其功能进行了说明：第四章详细介绍了系统的 软件设计，并给出了各部分的软件流程；第五章对系统的调试进行了简单说明， 对全文进行了总结并对电力线载波机数字化的下一步工作进行了展望。 笙三至生查垡塑墼! ! 主堕量塑竖塑堡塑 第二章电力线载波机中的语音压缩编码 如何将传统的语音压缩到较低速率的语音编码是在较低速率信道中传输多 路话音和低速数据信号的关键所在，所以，本章首先对电力线载波机中的语音 压缩编码进行详细的介绍。 语音编码技术是伴随着语音的数字化而产生的，目前主要应用在数字语音 通信和数字语音存储两个领域。由于简单地由连续语音信号抽样量化得到的数 字语音信号，在传输和存储时要占用较多的信道资源和存储空i 列。因此，如何 在尽量减少失真的情况下，高效率地对模拟语音信号进行数字表达，即压缩编 码，就成为语音编码技术的主要内容。实际上，语音信号中含有大量的冗余信 息，采用各种信源编码技术减除语音信号的冗余度，并充分利用人耳的听觉掩 蔽效应，就可以将其编码速率压缩很多倍，而仍能恢复出可懂度甚至自然度很 好的语音。 2 1 语音压缩编码的方法和特点 语音编码的方法，按传统的概念可分为三类：波形编码、参数编码( 声码 器) 和混合编码。 波形编码技术以尽可能重构语音波形为原则进行数据压缩，即在编码端以 波形逼近为原则对语音信号进行压缩编码，解码端根据这些编码数据恢复出语 音信号的波形。它具有语音质量好、抗噪性能强等优点，但所需用的编码速率 高，一般在1 6 6 4 k b s 之间。例如。波形编码器中的脉冲编码调制( p c m ) 等， 虽然合成语音质量较好，但是编码速率高。 而声码器技术则从听感的角度注重语音本身的重现。它通常都是基于某种 语音产生模型假设，在编码端分析出该模型参数并选择适当的方式对其进行高 效率的编码，解码端则利用这些参数和语音产生模型重新合成语音。它具有编 码速率低的优点，可以达到2 ，4 k b s 以下，而语音依然可懂，值重建语音自然度 两北工业大学硕士学位论文 低、合成语音质量差，抗环境噪声能力较弱。 混合编码是上述两类方法的有机结合。与参数编码相同的是，它也基于语 音产生模型的假设并采用了分析与合成技术，但同时它又利用了语音时间波形 信息，增强了重建语音的自然度，使得语音质量有明显提高，其代价是编码速 率相应上升，一般在2 4 1 6 k b s 之间。混合编码算法及相应的新一代的声码器 克服了原有波形编码器与声码器的弱点，而结合了它们各自的长处，在 2 4 1 6 k b s 速率上能够得到高质量合成语音，其典型代表便是码激励线性预测 ( c e l p ) 和多带激励声码器( m b e ) 。 c e l p 以语音线性预测模型为基础，对余量信号采用了矢量量化，搜索过 程用a b s 的方法，并采取感觉加权均方误差最小判决准则，以高质量的合成 语音及良好的抗环境噪声的能力在4 8 1 6 k b s 的码速率上获得了极大的成功。 1 9 8 9 年制定的n s af s 一1 0 1 6 标准就采用c e l p 算法。其改进方法也应用广泛， 如矢量和激励线性预测( v s e l p ) 等。然而当编码速率进一步降低时，由于没有 足够的比特表示矢量，余量信号的量化将产生较大的误差，致使合成语音质量 迅速下降。并且c e l p 算法的复杂度较高，一般要到2 0 5 0m i p s 。 2 2 多带激励( m b e ) 编码 2 2 1 m b e 语音编码算法的提出 语音编码的研究始于h o m e r d u d l e y4 0 年代在b e l l 实验室的研究工作。当 时是为了研制一个在窄带电报电缆上进行语音传输的系统。d u d l e y 证明了语音 信号中冗余度的存在性，并首次提出用于语音编码的分析一一合成 ( a n a l y s i s s y n t h e s i s ) 方法。在此基础上人们提出了共振峰声码器( f o r m a t v o c o d e r ) 和模式匹配声码器( p a t t e r nm a t c h i n gv o c o d e r ) 。这些j i t 期的声码器都 是基于对模拟语音信号的描述，并没有涉及到数字的处理方法。 真正意义上的语音编码则是在最近二十年内爿迅速发展起来的。脉冲编码 调制( p c m ) 技术在语音传输中的应用可以看作数字语音编码的开端。此后， 第二章 乜力线载波机中的语音鲰缩编码 人们在对语音的量化过程中利用相邻语音采样点问的相关性，提出了差分脉码 调制( d p c m ) 、凋制( d m ) 和自适应差分脉码调制( a d p c m ) 等波形编码 方法。 另一方面，对发生器官模型的研究取得了进鼹，声管模型得以简化成一个 全极点时域自回归( a r ) 模型，而a r 模型参数可以通过线性预测( l p ) 分析方 法获得。这使得i t a k u r a 、a t a l 等人成功地将l p 技术应用于语音谱分析。此后 a t a l 提出了基于l p 的分析合成( a n a l y s i s s y n t h e s i s ) 编码技术，即l p c ( 线 性预测编码) 技术，并被广泛应用于声码器方法中，使这类语音编码器的编码速 率降到了2 4 k b s 以下，并且仍有进一步降低的可能性。声码器虽然能提供很低 的编码速率，但重建语音自然度较差、系统对说话人敏感、鲁棒性较差，不能 应用于高质量语音通信场合。 进入8 0 、9 0 年代，语音编码的研究重点集中到了运用于窄带蜂窝电话及多 媒体通信中、能提供高质量语音的、鲁棒性较好的、中低速率语音编码器上。 从参数编码器的角度出发，人们在提高参数编码的语音自然度方面做了大 量的研究和改进。人们发现，低速率参数编码算法的语音质量不高的原因不外 乎两点：一、采用的语音模型本身有局限性；二、对语音模型的参数估计不够 准确。m b e 编码算法是由美国m i t 的d w g r i f f i n 和j s l i m 于1 9 8 4 年提出 的1 2 1 】。在m b e 中，用基音谐波处的谱抽样来表示短时谱，并且在谐波间隔频 段上分别进行清，浊音判决。合成端用一组正弦波合成谱，用白噪声谱的傅里叶 反变换来合成清音谱。这种算法提出了一种由正弦模型引出的频域模型多 带激励模型，这是其提高合成语音音质的关键。其分析过程采用了类似于a b s 的方法，这样又提高了语音参数提取的准确性。基于m b e 模型的编码器不仅 保持了参数编码的低速率特点，更能够在平时的实际环境中获得性能良好的编 码质量，为参数声码器的发展做出了极大的贡献。 这些早期对m b e 模型的研究使得d i g i t a l v o i c es y s t e m si n c 公司由此诞生。 d v s i 公司继续研究发展m b e 模型。在m b e 模型的基础上。d v s i 公司推出了 i m b e 州( i m p r o v e dm u l t i b a n de x c i t a t i o n ) 语音编码器。现在i m b e 7 m 算法已经成 堕j ! 三些盔堂! 堕堂丝堡皇 为很多国际通信系统的语音编码标准。 近年来语音编码算法在更低的编码速率和更好的语音质量方面不断取得进 展，而d v s i 公司仍继续以其推陈出新的算法和产品保持着这一领域的世界领 先地位。继i m b e t m 之后d v s i 公司又推出了a m b e ( a d v a n c e dm u l t i b a n d e x c i t a t i o n ) 语音编码器。 2 2 2 多带激励语音模型 m b e 模型如图2 - 1 所示。首先按基音各谐波频率，将一帧语音的频谱分成 若干个谐波带，再以若干个谐波带为一组进行分带，分别对各带进行清浊( v u ) 判决，总的激励信号由各带激励信号相加构成。列于浊音带，用以基音周期为 周期的脉冲序列谱作为激励信号谱；对于清音带，则使用白噪声谱作为激励信 号谱。时变数字滤波器的作用是确定各谐波带的相对幅度和桐位( 在该模型中 认为每一谐波带内谱包络为常数) ，起到了将这种混合的激励信号谱映射成语音 谱的作用。这种模型使得合成语音谱同原语音谱在细致结构上能够拟合的很好， 更符合实际语音的特性。其合成端的语音质量必然较高。 浊 清 自噪声谱谱包络a m 图2 - 1m b e 语音信号产生模型 m b e 模型的数学表达为： s 。) = a 。e 。( c o ) ( 2 1 ) 第二章i u 力线载波机中的语f fj i vectageo i n tp mr a mp a g e 0 i n tp mr a mp a g e o i n tp mr a mp a g e0 i n tp mr a mp a g e0 i n td mr a mp a g e1 r n td mr a m lp i a g e l i n td mr a mp a g e1 i n td mr a mp a g el i n td mr a mp a g e1 i n td mr a mp a g e1 i n t s m 一r a m p a g e 1 ， a l i g n ( 1 2 8 ) 第硼章数字载波机系统的软件i 嫂计 b s s ： f i l l 2 0 x 0 0 ， 1 n t s m r a mp a g e 1 其中m e m o r y 段定义目标系统的存储器，程序员可定义每一块存储器， 指定起始地址和长度，是对d s p 内部r a m 的划分，p a g e 0 代表程序区，p a g e l 代表数据区。v e c t 块分给中断向量表，它将默认的向量表进行了重定位，因 为在程序片内执行的情况下，默认向量表是固化在d s p 中的，无法按自己的要 求调用中断服务函数。i n t _ p m r a m 块是片内的一部分s a r a m ，将其配置为 程序区，作为从外部搬进来的程序的执行空间。s c r a t c h 块也是s a r a m 的 一部分，用来存储变量。i n t d m r a m 块就是片内的d a r a m ，用来存储变 量，因该区r a m 在一个机器周期中可访问两次，故将程序变量尽可能放置在 此区以加快程序执行速度。i n t _ s a _ r a m 块即为t m s 3 2 0 v c 5 41 0 中的 s a r a m 2 区，用于存储大块数据。 s e c t i o n s 命令告诉链接器如何组合输入块以及在存储器何处存放输出 块，段内的各目标块就存放在上述设定的存储块中。下面介绍目标块的含义： 这里先介绍t i 公司的称为c o f f ( c o m m o no b j e c tf o r m a t ) 的目标文件格 式。该文件格式要求程序员在用汇编语言或高级语言编程时运用基于代码块和 数据块的概念，而不是条条命令或一个个数据，这使得程序的可读性和可移 植性大大增强。在c o f f 格式中，这种块称为s e c t i o n 。汇编器和连接器都提供 了相关的命令来创建块和对块进行处理。目标文件中的最小单位称为块，一个 块就是最终在t m s 3 2 0 c 5 4 x 存储器映像中占据连续空间的一块代码或数据。目 标文件中的每一个块都是相互独立的。一般c o f f 目标文件包含三个缺省的块： t e x t 块包含可执行代码： ，d a t a 块包含已初始化的数据； b s s 块包含未初始化的数据。 此外，汇编器和连接器允许编程者建立和链接自定义的块。所有的块可以 分为两大类，即已初始化块和未初始化块。已初始化块包含程序代码和数据， 未初始化块则是为变量在存储器映射图中保留空问。在c 编译器中，还产生 叫北t 业入学颇卜学位论义 些新的块，其中c i n i t 作为已初始化块，完成m a i n 程序执行前的初始化工 作，c o n s t 块作为未初始化块，用于存储c 语言中的c o n s t 性变量，它仅为 该型数据在存储器中分配一次节省了存储空间。s y s t e m 块是为满足动态内存 分配而预留的空间，s t a c k 块是为堆栈和自动变量等预留的空间，b s s 块是未初 始化的数据区。 2 ) 片外资源 将f l a s h 配置为数据空问时，可利用b o o t l o a d 功能在片内执行程序，将f l a s h 配置为程序空间时，可以访问超过6 4 k 的f l a s h 空间。 对于编程语言，只有极少数关键程序使用汇编代码完成，比如d s p 的初始 化、m c b s p 的初始化、d m a 的初始化以及中断处理程序，而大部分程序用c 语言编程即可以满足要求。 4 2a m b e - 2 0 0 0 t m 声码器的编解码过程 编码过程是：6 4 k b sp c m 编码的语音数据由语音接口输入，每2 0 m s ，可以 从a m b e 2 0 0 0 t m 声码器读出叫f 贞编码数据。从器件复位j ：始，等至o e p r 信号从 高到低的跳变后，才可以读出第一帧数据( t o ) ，2 0l t l s 后，下一帧数据( t 1 ) 准备好。对于t l 帧及其后的各帧，应按以下顺序操作： 1 等待将近2 0 m s ； 2 判断c h a nt xs t b 信号并读出c h a nt xd a t a 上传输的字； 3 如果传输的字不是帧头0 x 1 3 e c ，放弃该字并莺复第二步； 4 如果传输的字是帧头0 x 1 3 e c ，读出其余的2 3 个字( 帧的其余部分) 。 从最初的e p r 信号从高到低的跳变开始，每2 0 m s 应该读一个帧，当有数据 帧丢失时，最好将设备重新复位。 解码过程是：每2 0 m s ，给a m b e 一2 0 0 0 t m 卢码器写入一f i j ! | i 2 4 字( 1 6 位字) 已打 包好的数据，从语音接口输出6 4 k b sp c m 编码的语音数据。 具体工作过程如下：语音信号经过p c m 编码成6 4 k b s 的数据流在声码器的 接收数据选通时钟的控制下送至声码器，进行压缩编码，压缩后的语音数据帧 翌唑空塑三| = 丝鲨坐叠竺塑鉴丛坠丛 在声码器的编码信息包准备( e p r ) 为高时送至d s t ) 内部缓冲同步串口 ( m c b s p 2 ) ，然后再在d s p 内部去除系统开销后将语音和数据进行复接。相反， 由分接器出来的数据信息在d s p p q 部加上系统开销打包成帧，在声码器的解码 信息包空( d p e ) 为高时，送至声码器完成解压缩。解压缩后的语音数据在声码 器的发送数据选通时钟的控制下送至p c m 解码器完成解码，从模拟输出端输出 模拟语音信号。至此，便完成了语音编解码的全部过程。 图4 1 为语音压缩编解码过程的程序框图，在完成d s p 的初始化之后，设置 编码标志位，表明开始发数据缓存区空：然后查向e p r 或d p e 是否为高，如果 为高则进入相应的编码或解码状态。该查询操作循环执行，一直处于查询状态， 一个循环周期最长也能满足一个周期( 2 0m s ) 完成一次编码与解码。 编码程序中将a m b e 2 0 0 0 m 编码后的2 4 字节的打包数据送到d s p i 勾部 数据缓存区的相应位置，接收完毕后将编码标志位置l ：解码程序中将d s p 内 部数掘缓存区的相应位置的数据打包成帧送往a m b e 2 0 0 0 t m 解码器，发送完 毕后将解码标志位置1 。 幽4 - 1 语音压缩编解码过程 西北工业人学硕+ l 二学位论文 4 3 串口数据的异同步转换 在本设计中。因为复、分接的是串行同步数据，而一般的r s 2 3 2 口连接的 是串行异步数据，因此二者之间需要使用异步同步转换模块。下面对异步同 步转换的原理及其实现进行详细的介绍。 4 3 1 串口通信 串口通信有异步和同步两种传输方式。通用异步收发器( u a r t ) 是典型 的一种异步串口通信接口。在异步通信中，数据是逐帧( 包括一个字符代码或 一个字节数据) 传送的，每一帧数据的格式如图4 2 所示。 数据字节 ，一_ 一 、 空闻：趋抬位：最偶位： ： 一 最高泣：奇偶位：停止l 立：空闻 ： - - _ _ 一 i l 使 图4 - 2u a r t 数据结构 帧格式中，每一字符由四部分组成：起始位、数据位、奇偶校验位( 可以 省略) 和停止位。起始位( o ) 信号只占一位，用米通知接收设备一个待接收的 字符丌始到达。线路上在不传送字符时应保持l 。接收端不断监测线路的状态， 着连续为1 后又检测到一个0 ，就知道发来一个新字符，应马上准备接收。 起始位后面紧接着是数据位，它可以是5 位( d 0 d 4 ) 、6 位、7 位或8 位 ( d 0 d 7 ) 。 奇偶校验位( d 8 ) 只占一位，但在字符中也j i 丁以规定不用奇偶校验位，9 l l l 这一位就可省去。 3 9 笙型童墼兰塑鎏! ! 墨丝盟鉴堡坠! ! = 一一 停止位用来表征字符的结束，它一定是高电位( 逻辑i ) 。停止位可以是1 位、1 5 位或2 位。接收端收到停止位后，知道上一字符已传送完毕，同时， 也为接收下一字符做好准备只要再次接收到0 。就是新字符的起始位。 4 ，3 2 软件实现方法 要实现m c b s p 与u a r t 通信，同时不增加硬件电路的复杂度，就必须借 助软件上的巧妙设计。本方案使用了过采样的方法将同步串行口模拟成异步串 行口来进行通信，即将m c b s p 发送接收数据的波特率设置为u a r t 发送接收 波特率的1 6 倍。当m c b s p 发送数据时，会将每一位扩展为一个字发送出去( 即 0 0 x 0 0 0 0 ，l 一0 x f f f f ) ；当m c b s p 接收数据时，将接收到的数据解码还原( 一 个字解码为一比特) 。这样做使同步串口以比特为单位发送数据，从而可以很方 便地模拟出异步串口的数据格式。但是d s p 需要处理的数据量因此增大了1 6 倍，同时d s p 需要频繁地对m c b s p 进行读，写操作。为弥补这个缺陷。可采用 d m a 方式发送接收数据，设置正确后，d s p 不需要再对m c b s p 进行操作，只 需对相应的d m a 发送接收缓冲区进行读写操作即可。如果缓冲区开的足够大， 可以间隔一定时间后集中处理若干个发送接牧数据，以提高d s p 的工作效率。 下面具体介绍设计中的设置及软件流程。 1 m c b s p 的初始化和d m a 的初始化 缓冲同步串行口( m c b s p ) 在标准同步串行口的基础上增加了一个自动缓 冲单元( a b u ) 。a b u 利用独立于c p u 的专用总线，让串行口直接读写d s p 的内部存储器。缓冲同步串行口有若干内部寄存器，可以通过对寄存器赋值来 设置缓冲同步串行口。寄存器具体设置可以参见表4 - 1 ( 初始化m c b s p 寄存器 的参数设置) 。 直接存取寄存器( d m a ) 可以独立于c p u ，直接完成不同地址之间的数 掘交换。d s p 自带的d m a 可以实现内部r a m 单元、内部外设与外部设备之 f h j 的数据交换。d s p 通常带有多个d m a ，每个d m a 功能都是完全独立的，拥 有自己的寄存器。和缓冲串行口一样，可以通过对这些寄存器的设置来实现对 塑韭! 些查兰塑! ：兰堡丝苎 一一一一 d m a 的控制，d m a 寄存器具体设置可以参见下表4 - 2 和表4 - 3 ( 初始化接收、 发送d m a 寄存器的参数设置) 。 表4 一i 初始化r c b s p 寄存器的参数砹首 i 瓣瓣j 舀_ 弱：寄存器初婚化的值简单解释 采样速率发生器l ( s r g r i ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b i b a u d r 盯e d i v 聚_ 羊速率发生器2 ( s r g r 2 ) 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b 串u 拎制寄存 | i ( s p c r l ) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 b 串u 挖制寄存 2 ( s p c r 2 ) 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 b j l 脚拧制寄存器( p c r ) 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1i o o b 接收控制寄存器l ( r c r i ) 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 b 接收拧制寄存器2 ( r c r 2 ) 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 l b 发送控制甫存器l ( x c r i ) 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 b 发送控制寄存措2 ( x c r 2 ) 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 b 帧宽设置无效：采样频率发生器分频数为 b a u d r a t e d l v