硕士论文-基于DSP的网络会议电话话音终端系统设计.pdf

西南交通大学 硕士学位论文 基于DSP的网络会议电话话音终端系统设计 姓名 耿满足 申请学位级别 硕士 专业 计算机应用技术 指导教师 汪晓宁 20060401 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 l P 电话的发展背景及概况 1 口电话的发展背景 电路交换 报文交换和分组交换是目前数据通信领域存在的三大交换技术 1 而历史最为悠久 目前应用最为广泛的就是基于电路交换技术的公众电话网 P S T N 其基本特点为通话双方固定分配一条具有固定带宽的通信电路 一次通 信包括建立电路 通话和释放电路三个过程 公众电话网有以下三个特点 1 使用信令协议建立连接 2 同 信息源的所有比特遵循同样的路径通过网络 3 路径一直占有带宽 因此 公众电话网的优点是可以保证为用户提供足够的带宽 从而确保低时 延 低失真的实时通信服务质量 Q o S 缺点则是网络带宽利用率不高 用户是否 处于讲话状态 分配的信道始终被占用 据统计 在正常的通话情况下 大约只 有4 0 的时间为有声期 其余时间电路均为空占 报文交换技术是采用存储转发机制 以报文作为传送单元 2 3 1 由于报文长度 差异很大 长报文可能导致很大的时延 并且对每个节点来说缓冲区的分配也比 较困难 为了满足各种长度报文的需要并且达到高效的目的 节点需要分配不同 大小的缓冲区 否则就有可能造成数据传送的失败 在实际应用中报文交换主要 用于传输报文较短 实时性要求较低的通信业务 如公用电报网 分组交换技术是在报文交换技术的基础上发展而来的 4 I 是针对数据通信业 务的特点而提出的一种交换方式 它的基本特点是面向无连接而采用存储转发的 方式 将需要传送的数据按照一定的长度分割成许多小段数据 并在数据之前增 加相应的用于对数据进行选路和校验等功能的头部字段 作为数据传送的基本单 元即分组 采用分组交换技术 在通信之前不需要建立连接 每个节点首先将前 一节点送来的分组收下并保存在缓冲区中 然后根据分组头部中的地址信息选择 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 适当的链路将其发送至下一个节点 这样在通信过程中可以根据用户的要求和网 络的能力来动态分配带宽 分组交换比电路交换的电路利用率高 但不可避免的 缺点是时延较大 分组交换最适合于数据通信 它不但极大地提高了网络带宽的 利用率 而且由于存储转发机制可以根据网络的实际状态动态地选择路由 因此 即使某些节点发生故障 数据仍然能绕道到达目的地 从而提高了通信的可靠性 传统的电话网是以电路交换的方式传输语音信号的 它需要的基本带宽为 蹦如 而要在基于口的分组网络上传输语音 就必须对模拟的语音信号进行特 殊的处理 使处理后的信号可以适合在面向无连接的分组网络上传输 相对基于 传统的P S l N 的语音传输 应用分组交换技术进行语音传输的优点显而易见 但 是分组交换技术应用于语音通信就并非那么简单 主要原因有两点 一是对于语 音信号而言 网络时延不但要短 而且要稳定 但是对于大多数数据网而言 它 们可以使时延尽量低 但是不稳定的 二是b t 啪e t 的邛业务只遵循 尽力而为 的原则 这就使得坤电话无法保证实时通话的语音质量 2 珥电话的发展概况 瑚c m c t 网的出现给数据传输以及语音通信带来了广阔的发展空间 五叶c m e t 网络是基于腰技术 属于分组交换技术 采用尽力而为的方式 对每个分组根据 路由信息和网络情提独自进行传输和选路 b l 锄e t 网络主要用来传送数据业务 伴随着I n t 锄l e l 的巨大成功 已使球技术成为未来信息网络的支柱技术 基于 T C W 口的网络技术不仅成为传送数据业务的主导技术 而且传统的电信运营商开 始尝试使用口技术来传送话音业务 b 刀P m 沁o v c r 口 技术的研究始于上世纪七十年代I 删 当时主要是基于 A 瞻A N E T 网络 x 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第一章阐述了口电话的发展背景及概况 本设计思想的优点及创新之处 并 简要介绍了论文的研究内容和完成的工作 第二章介绍了口电话的实现原理 可参考的实现方案 以及通过网络传输语 音数据涉及到的一些关键技术 第三章总结了前期的硬件设计过程 主要有最初的系统构建 方案筛选 芯 片资料查阅及选型 外围电路的搭建 以及在P m 瞄D 口中具体设计的电路原理 图 P C B 版的制作完成与电气性能测试 第四章首先介绍了各功能模块的初期调试 包括时钟测试 结舍软件进行遥 信端口的联合调试 简单数据的传输校正与分析 用示波器对波形进行分析校正 等相关工作 然后介绍了两个终端之间语音数据通信的整体调试 主要是在各模 块功能调试成功鸽基础上 首先要运步完成系统软件的编写 然后通过D S P 的仿 真器 下载到目标板运行测试 逐步改进优化 达到预期的效果 1 5 本章小结 本蕈首先介绍了V o I P 技术自上世纪七十年代初先后的发展背景及目前国内 外的发展概况 包括I P 电话的产生条件和特点 目前的应用实现方式等 然后对 比本设计的网络语音终端与传统的电话 指出本设计兼具目前I P 电话的优点又有 创新之处 最后简要说明了本论文的主要工作 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章网络会议电话系统的原理及关键技术 2 1 语音终端的实现原理 在实现语音采集 数据包的传输方面 网络会议电话系统与传统的I P 电话的 基本技术原理相似 都是通过I n t e r n e t 网络来传输语音信号 o I P 的通信系统 该系统包括终端设备 网关 多点接入控制单元 M c u 和网络管理者等部分 工作 原理是 通过语音压缩算法对语音信号进行压缩编码处理 然后把这些语音信号按 T c P I P 协议进行打包 经过I n t e r n e t 把数据包送至接收地 在接收地再把这些 语音数据包串起来 经过解压 解码处理后 恢复成原来的语音信号 从而达到 由I n t e r n e t 传输语音信号的目的 2 1 1 语音终端的录入系统 语音录入系统框图如图2 1 所示 圈2 1 语音终端的录入系统 语音录入系统处理流程 1 将模拟语音信号转换为数字信号 并对其进行进入缓冲器前的量化数据 处理 模拟语音信号首先经过模拟运算放大器的放大 然后将放大的语音信号送 入模数转换器 A D c 经舰采样后量化为二进制数码 最后送入缓冲区 2 将采样后的数字语音信号进行适当的语音编码 采样后的数字语音信号 组成语音块 也称为帧 由编码器对帧进行编码 3 将经过编码的语音信号进行T c P I P 协议打包 由网络处理器为语音包添 加包头 时标和其它信息后通过I n t e r n e t 传输出去 2 1 2 语音终端的输出系统 语音输出系统框图如图2 2 所示 语音输出系统框图如图2 2 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 2 语音终端的输出系统 语音输出系统处理流程 1 将经过I n t e r n e t 传输过来的语音包进行T c P I P 协议的拆包处理 由网 络处理器为传送来的T c P I P 包进行去包头 时标和其它信息后还原为原来的语音 编码信号 Z 将还原的语音包进行语音解码 将还原的语音包送入语音解码器 进行 语音解码 还原为原始的数字语音信号 3 将数字语音信号转换为模拟语音输出 将解码后的语音信号送入数模转 换器 D A c 转换为模拟信号 再经过模拟运算放大器后由输出系统输出 一个完 整的I P 电话系统应该既包括语音录入系统 又包括语音输出系统 2 2IP 电话的主要技术 1 话音编码技术 I P 电话技术的基础是话音编码技术 1 0 1 语音编码的主要性能指标有比特率 时延 复杂度和话音质量 在具体实现中 这些指标往往是有矛盾的 必须根据 实际应用进行取舍 对各个指标提出折衷的要求 从而确定合适的编码方法 在上述的几个性能指标中 降低比特率是话音编码的首要目标 它直接关系 到传输资源的有效利用和网络容量的提高 根据比特率和输入话音的关系可将编 码器分两类 固定比特率和可交比特率编码器 现在大部分编码标准都是固定比特 率编码 可变比特率编码是近年来出现的新技术 复杂度不仅决定了编码器硬件的成本和功耗 还和编码器讨延共同影响语音 传送的实时性 直接影响到话音还原的质量 目前的语音编码技术可以分成三类 波形编码 参量编码和混合编码 其中 波形编码和参量编码是两种基本类型 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 波形编码 波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码 力图使重建语音波形保持原 语音信号的波形形状 波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按一定的速 率抽样 然后将幅度样本分层量化 并用代码表示 解码是其反过程 将收到的 数字序列经过解码瓤滤波恢复成模拟信号 著名救P 蕊绩I 码就晨于波形编码 它 包括三个过程 抽样 量化和编码 P c I l 编码具有适应能力强 语音质量好等优点 但所用的编码速率高 在对 信号带宽要求不太严格的通信中褥到应用 雨对频率资源相对紧张韵移动通信来 说 这种编码方式显然不合适 2 参量编码 与波形缀码不圊 参量编码又称失声源编码 是将信源信号在频率域或其它 正交变换域提取特征参量 并将其变换成数字代码进行传输 解码为其反过程 将收到的数字序列经变换恢复特征参量 再根据特征参量重建语音信号 参数编码根据对声音形成杌理的分析 着碾子构造话音生成模型 该模型以 一定精度模拟说话者的发声声道 接收端根据该模型还原生成说话者的音素 在 频率域上该模型就对应为具有一定零极点分布的数字滤波嚣 编码器发送的主要 信息就是该模型的参数 相当予话音的主要特征 而并非具体的话音波形幅值 而且由于话音信号变化是缓慢的 一个音素要持续相当长一段时间 相对于抽样周 期而言 因此模型参数的更新频率较低 不但可以利用抽样值间的相关性 还可 以充分利用帧与帧之间的信息冗余性以及更长时间段中的音源信息冗余性 有效 地降低编码比特率 3 混合编码 混合编码产生于8 0 年代 它将波形编码和参量编码组合起来 克服了原有 波形编码和参量编码的弱点 结合各自的长处 力图保持波形编码的高质量和参 量编码的低速率 在4 一1 6 K b i t s 速率上能够得到高质量的合成语音 多脉冲激励 线性预测编码 M P L P c 规划脉冲激励线性预测编码 K P E L P c 码本激励线性预 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 测编码 C E L P 等都是属予混合编码技术 很显然 混合编码是适合于数字移动 通信的语音编码技术 2 分组语音技术 无论对实时的应用 如I P 电话 还是非实时的应用 如语音邮件 发送端语 音都要经过模拟信号 数字信号一语音包的处理过程 并在接收端对语音包进行 相反处理 从而得到与输入端相同的语音信号 所以可将分组语音的处理流程分 为发送端处理流程和接收端处理流程 1 发送端处理流程 首先 把模拟信号转换为数宇信号 并对其进行进入 缓冲器前的量化数据处理 先对模拟信号进行8 位或1 6 位量化 然后再送入缓冲 区 再由编码器对语音块 也被称为帧 进行编码 典型帧为1 0 3 0 眦 考虑到传 输过程中的代价 语啻包遭紫由6 0 1 2 0 或者2 4 0 珏s 长的语音数据组成 然后把 语音包按照特定的帧长进行编码 大部分的编码器都有特定的帧尺寸 若一个编 码器使用1 5 m s 的帧 则把第一级来的包分成8 帧 并按顺序进行编码 每个帧合 1 2 0 个语音样点 抽样频率为8 姐z 编码后 将8 个压缩的帧合成一个压缩的语 音包送入网络处理器 最后网络处理器为语音包添加包头 时标和其它信息后遥 过网络传送出去 2 接收端处理流程 首先 网络提供一个可变长度的缓冲区 用来调节网 络产生的抖动 缓冲区可容纳许多语音包 用户可选择缓冲区的大小 大的缓冲 区能调节大的抖动 但产生延迟较大 小的缓冲区产生延迟较小 但不能调节大 的抖动 然后 解码器将接收到的语音包进行解压缩产生新的语音包 这里也可 按帧进行操作 完全和编码器的长度相同 若帧长为1 5 m s 则1 2 0 m s 的语音包被 分成8 帧 然后被解码还原成1 2 0 m s 的语音数据流送入解码缓冲区 最后 缓冲 区中的语音样点被播放驱动器取出送入语音还原芯片 通过扬声器按预定的频率 如8l H z 播出 3 静噪抑制技术 所谓静噪抑制技术 是指检测到通话过程或传真过程中的安静时段 并在这 西南交通大拳 硪士研究生学位论文第11 页 些安静时候停止发送语音包 大量的研究表明 在一路全双工电话交谈中 只有 3 6 4 0 的信号是活动的或有效的 当一方在讲话时 另一方在听 而且讲话 过程中有大量显著的停顿 通过静噪抑制技术 大量的网络带宽节省下来用于其 他话音或数据通信 这一技术的关键就是如何检测说话者处于不发声状态 检测 的基本原理是判断话音信号能量 当低于一定门限值就认为是安静状态 静音检 测有两个技术难点 一是如何在噪声较大的环境中检测静音 二是 剪音 问题 所谓剪音就是话音还原时有一部分被剪切掉 使人感到失真 其原因是通话者从 说话到静音以及从静音到说话的检测都有一定时圆和一定判断门限韵 因此当通 话者从静默刚刚转为说话时 开始一段微弱话音就可能被作为静默丢弃了 4 分组丢失补偿 在I P 赠络中分组丢失是不可避免彀 丢失韵原医可能是线路误码或嗣络酪由 故障 更常见的原因则是传输时延过长或网络拥塞导致分组丢失 由于低比特率 声码器都是基于线性预测编码原理 其当前值是通过前历史值线性组合而得 因 l 艺通过内疆的方法不难得到丢失分缀的近似估计值 实际试验表萌 如果I n t e r n e t 电话话音分组丢失两个以上 则可能此时网络连接状态根差 将会有一大堆分组 丢失 所以I n t e r n e t 电话分组丢失补偿以处理一个分组丢失为主要目的 所幸的 是 话音透信对分组丢失的容忍性远比数据通信强 一般不会影响通话的可值度 5 回声消除技术 在I P 电话的应用中 人们若使用扬声器和麦克风就可能出现回声现象 因为 本地扬声嚣输出的模拟语音信号可能又被话筒接收 当信号被传回到源端时 就 会产生不必要的回声 在因特网中 呼叫必须经过多个路由器和网关 其相当长 的延迟又会造成回声问题的进一步恶化 当回声返回时间超过1 0 m s 时 人耳就可 听到明显的回声了 为了防止回声 一般需要回声消除技术 在处理器中有特殊 的软件代码监听回声信号 并将它从听话人的语音信号中消除 对于I P 电话设备 回声消除技术是十分重要的 因为一般I P 网络的时延很容易就达到4 0 5 0 皿s 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 3T C P l P 网络协议简介 基于他P I P 的鼹络体系绪梅是对国际标准化组织提出的开放系统互连参考模 型 0 S I 刚 的简化f 1 1 埘 其分层关系如图2 3 所示 O s I 参考模型T l Z 皿参考模型 应用层 表示层 应用层 会话层 J 7 传输层 k p 传输层 网络层 网络互联层 数据链路层 仝 主帆到两络层 物理层 j 图2 3 珊弹网络体系结构图 数据段 数据包 数据帧 比特 在T c P I P 模型中存在两个重要的分界线 一个是协议地址分界线 它区分出 高层与低层寻址操作 另一个是操作系统分界线 它把系统与应用程序区分开来 应用程序和在I n t e r n e t 层之上的所有协议软件只使用I P 地址 而网络接口层处 理的是物理地址 在此主要介绍I n t e r n e t 层和运输层协议 1 I n t e r n e t 层协议 I n t e r n e t 层中的协议称为I n t e r n e t 协议 它是一种不可靠 无连接投递机 制的协议 I P 提供了三个重要的定义 第一 I P 定义了在整个T C P I P 互连网上数 据传输所用的基本单元I n t e 功e t 数据报 d a t a g r 鲫 因此 规定了互连网上传输 数据的确切格式 第二 I P 软件完成路由选择的功能 选择一个数据发送的路 径 第三 除了数据格式和路由选择的精确而正式的定义以外 I P 还包括了一组 嵌入了不可靠分组投递思想的规则 2 运输层协议 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 运输层协议包括两个协议 一个是不可靠的无连接传输协议 即用户数据报 协议 u D P 另一个是可靠的数据流传输协议 即传输控制协议 T c P 1 用户数据报协议 U D P 在T c P I P 协议族中 用户数据报协议u D P 提供应用程序之问传送数据报的 基本机制 u D P 提供的协议端口能够区分在一台机器上运行的多个程序 每个U D P 报文不仅传送用户数据 还包括发送方和接收方的协议端口 这使得接收方的U D P 软件能够把报文送到正确的接收进程 而接收进程也能回送应答报文 U D P 使用 底层的互连网络协议来传送报文 提供和I P 一样的不可靠的无连接数据报传输服 务 它不使用确认信息对报文的到达进行确认 不对收到的报文进行排序 也不 提供反馈信息来控制机器之间传输的信息流量 所以 u D P 报文可能会出现丢失 重复 乱序的现象 U D P 报文也分为U D P 首部和U D P 数据区 为了计算校验和 u D P 另外把伪首部引入到数据报中 2 传输控制协议 T c P 在T c P I P 协议族中 T c P 协议提供了可靠的数据流运输服务 确保了在机器 之间进行没有重复和丢失的数据流的投递 应用程序与T c P I P 可靠传输服务之间 的接口可以用五个特征来表示 面向数据流 当两个应用程序 用户进程 传输大量数据时 将这些数据当 做一个可划分为八位组的比特流 虚电路连接 数据流的传输与打电话类似 在传输开始之前 接收应用程 序和发送应用程序都要与操作系统进行交互 通知它们需要进行数据流传输 有缓冲的传送 使用虚电路服务来发送数据流的应用程序不断地向协议软 件递交数据八位组 在传输数据时 每个应用程序使用各种大小的数据片 在接 收端 协议软件所收到的由数据流投递服务的八位组与其发送顺序完全相同 八 位组到达之后经过校验就立即送交相应的接收应用程序 无结构的数据流 T c P I P 协议并未区分结构化的数据流 所以使用数据流 服务的应用程序必须在开始连接之前就了解数据流的内容并对其格式进行协商 西南变通大学硕士研究生学位论文第16 页 理核心算法进行功能验证 性能评价和优化 以确定最好的信号处理方法 3 选择具体的D s P 芯片 以及其他备功能模块的系统组件 根据自己的经 验和理解 在进行硬件选型时 首先要考虑的是芯片性能 各芯片之间的通信接 口问题以及电气性能的兼容性 然后是价格 体积 货源提供等 4 硬件设计和调试 在这一时期的工作中 首先要查阅足够的硬件资料 对所选的主要芯片有一个系统的掌握和功能理解 然后使用P r D t e l 或其他相关应 用软件建立电路原理图 得到确切的元器件封装后 设计制作P c B 最后完成元 器件的焊接和电气性能溅斌 5 软件设计和测试 D s P 开发系统既支持汇编语言 也支持基于D S P 的C c 语言 以及两种语言的互相嵌套 在完成软件的编写后 可以直接在C C s t u d i o 中 通过软传仿真器 s i 瑶u l a t o r 进行编译调试 或者透过硬件仿真器 E 舢1 B t o r 将程 序下载到D S P 的R 枷内运行调试 6 系统测试 集成 将系统软件加载到硬件中运行 并通过D S P 硬件仿真 嚣等弱试手段检查其运行是否正常 稳定 是否达到预期结采 2 5 本章小结 一个完整的I P 电话语音终端要同时完成语音采样录入和语音还原输出两部 分工作流程 这样才能同时实现双向的话音通信 本章首先说明了网络语音终端 语音录入和输出的基本实现原理 然后介绍了一个成熟的I P 电话要涉及的T c P I P 网络协议以及主要的技术 如话音编码 分组语音及静噪抑制等技术 最后介绍 了D s P 芯片的结构特点 并结合经验总结了网络会议电话语音终端系统的设计思 路和开发过程 另外 由于我的论文设计以硬件为主 而且时间有限 目前软件还没有实现 T c P I P 协议 分组丢失补偿 回声消除 静噪抑制几个部分的功能 但在硬件调 试成功的基础上 可以将这些技术作为今后的软件扩展方向逐步完善 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章系统硬件设计 根据礴络会议系统语音终端韵功能需求 将系统黝分为语音处理 两络接口 按键信号识别以及D S P 主控芯片四个模块 如图3 1 所示 图3 1 语音终端系统结构图 其中各模块的功能说明如下 1 D S P 模块 对采集的语音数据打包并送至网络接口模块发送 对收到的数 据包进行解包并送至语音处理芯片输出 另外还要控制其他三个模块的初始化配 置 启动 停止工作 中断响应和处理等 2 键盘控制模块 实现D s P 对其他芯片控制信号的逻辑转换 按键信号的 采集分析 控制8 段数码管的动态显示 将按键信号传给D s P 等 包括会议电话 的分组选择 该终端所处分组的选择 3 网络接口模块 接收来自D s P 的语音数据包 通过R J 4 5 接口发送出去 同 时将接收到的数据包存放在缓冲区中 并配合D s P 读取有效的语音数据 4 语音处理模块 采集语音数据 完成A D 转换 然后将数据传送绘必P 圊 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 时对接收到的语音数据完成D A 转换 还原成模拟语音信号输出 3 1D S P 资源规划及模块间接口设计 在硬件选型时 D s P 芯片采用T I 公司的T M S 3 2 0 v c 5 4 0 9 1 B 以下简称v c 5 4 0 9 数字处理芯片 其功能模块如图3 2 所示 图3 21 M s 3 2 d V c 5 4 0 9 资源及功能模块框图 l 存储器空间的分配 V c 5 4 0 9 可寻址程序空间 数据空间和I O 空间三个独立的存储空间 在具体 对菜个空阊访问时 需要存储器控制信号P S B s I s 以及黼l i B I 鲫R B 的协调 工作 V c 5 4 0 9 片内提供了3 2 K 1 6 b i t 的双存取R 川和1 6 K 1 6 b i t 的R 叫 在方 案设计中 考虑到以后的程序增加 扩展了一片S s T 3 9 V F 4 0 0 作为程序存储空间 可以将运行程序在e c s t u d i o 编译环壤中 通过硬件仿真器直接烧写到扩展的 西南交通大学磺士研究生学位论文第19 页 F L A S H 中 然后在硬件复位时由D s P 内的B o o t l o a d e r 调入内存中运行 2 D S P 与语音处理模块的通信接口 语音处理模块的主芯片选用采用T I 公司的T L v 3 2 0 A I c 2 3 1 9 以下简称A I c 2 3 该芯片支持D S P 的多通道缓冲串口 M c B S P 所以与v c 5 4 0 9 有很好的兼容性 v c 5 4 0 9 提供了3 缎多通道缓冲串口 设计中使用龌c B s P l 用于D s P 氨氏I c z 3 发送 控制字 因此该组串口的数据流向是单向的 M c B S P 0 是两个芯片间的语音数据传 送通道 A I C 2 3 一方面受把采集到的语音数据通过 B s P 0 传给D S P 另一方面D S P 要把来自网络接口模块的数据包解包后 通过妣B s P O 传送给A I c 2 3 还原成模拟话 音信号输出 连接示意图如圈3 3 所示 岱j F 跚 嗣 删 B 蹦l S C l 置 B a U 0 0 B c L K B a L J 口 姝日踟 U r 加R O L R C 掰 B R 0 U t 0 D V T B F S R D J C 2 3 V C 5 4 0 9 图3 3A l C 2 3 与D S P 的连接示意图 由于M c B S P 接口的支持 D s P 与 I c 2 3 之间的接口没有复杂的控制信号 因 此在设计时只要串口问连线正确 就易于调试成功 3 D s P 与网络控制模块的通信接口 该部分通信接口原理如图3 4 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 哺二 7 弋 二二 两3 二二二二 图3 5D S P 对I 0 空间的读数据时序图 I a l R I s I o s T R B R W 3 1 I O R D I S I O S T R B 旆 3 2 其中 加号代表逻辑或 由于I s I O S T R B I 佣R 和I O R D 均为低电平有效 所以该公式正好体现了D S P 的读写时序图中I O s T R B 为R 1 和I S 的真子集的关系 并在后期的调试过程中验证了其正确性 4 D s P 与F L A s H 的通信接口 设计中选用s s T 公司的S s T 3 9 v F 4 0 0 1 2 1 F L A s H 作为扩展的程序存储器 该芯片 提供2 5 6 K 1 6 b i t 的程序存储空间 最快读取速度约8 0 n s 并且支持方便的在线 编程 D S P 复位时 如果检测到好 M c 引脚为低电平 则将从片内R O l I 的F F 8 0 h 位置开始执行程序 该位置包含一个分支指令 用来启动自举加载器程序 使用 并行引导方式从数据空间读取用户代码 将其写入到程序空间的片内R 埘中 然 后程序指针跳转到用户代码的入口处开始运行程序 D s P 与F L A s H 之问的连接如图3 6 所示 相关的输出控制信号主要有三个 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 图3 6D 与F I 栅连接示意图 数据空间选择信号D s 存储器选通信号M S T R B 和读写控制信号R w 经过一定的 逻辑转换后 得到三个信号分别连到P L A S H 的0 E C E 和1 E 三个引脚上 这里同样以D S P 对数据空间的读数据时序图3 7 为例进行分析 由图3 7 可 以看出 在存储空间选通信号煅T R B 变低有效后 经过T a m s t r b l 的周期后 数 据总线上开始出现有效酌数据 并保持一段时间供c P u 读取 也就是数据的读取 是在R 用 D S 都有效的同时 再以M s T 髓的脉冲下降沿作为严格的时序参考点的 再参考F 1 S H 的读时序图分析可以得出 控制信号的逻辑转换关系如公式 3 3 3 4 和 3 5 所示 C E D S 3 3 W B D S M S T R B R 胛 3 4 0 E D S M S T R B 可可 3 5 其中 加号代表逻辑或 由于D S M s T f u 3 W E 和0 E 均为低电平有效 所以 该公式也体现了D S P 的读写时序图中M S T I l B 为R W 和D s 的真子集的关系 在后期 的调试过程中发现 如果在w B 和O E 的逻辑或关系式中去掉D s 改为公式 3 7 和 3 8 表示 西南交通大掌硕士研究生学位论文第2 3 页 髓 M s T f u 3 R I 0 E M S T R B 夏丽 3 7 3 8 得到的控制信号一样可以顺利的实现对F L A S H 的读写 从时序图的理论分析 来看 这一点也是成立的 扭2 m 珥1 S 潮 强 二二 图3 7D s P 对存储器的读数据时序图 3 2 各模块芯片选型及原理图实现 3 2 1D s P 模块原理圈设计 综合考虑语音终端系统对所需D S P 处理器的处理性能 外设资源 货源 成本 西南交通大学硕士研究生掌位论文第2 4 页 等因素 本设计中的D s P 芯片选用美国T I 公司的T 蟠3 2 0 v C 5 4 0 9 篮 2 町 该芯片是T I 公司推出的定点数字信号处理器 它采用修正的哈佛总线结构 由C P u 内核 在片 存储器和在片外围电路三部分组成 加上高度专业化的指令系统 使得该芯片具 有功耗小 高度并行等优点 可以满足电信等众多领域实时处理数据的需求 该芯片支持多种标准的串 并口通信 其中多通道缓冲串疆 强c B s P 是一种 全双工的串行通信机制 可与1 2 8 个通道进行收发 提供双缓存的发送寄存器和三 缓存的接收寄存器 允许进行连续的数据传输 v c 5 4 0 9 的最高时钟频率可达 1 0 0 棚z 单指令周期为1 0 n s 最大处理能力可达l O 蚀I P S 该部分主要的外围电路 扩展F L A s H 一片 用于数据下载的J T A G 口 5 0 v 3 3 v 电平转换电路 采用T P s 7 1 3 3 阎 5 0 v 1 8 v 电平转换电路 采用T P S 7 6 7 D 3 1 8 p 田 对钟脉冲产生电路 桥式整流等 现将主要外虽电路原理图介绍如下 l J T A G 接口电路图 图3 8 脚接口原理圈 如图3 8 所示 V c 5 4 0 9 支持标准的1 4 钟J T A G 下载接口 其中使用的共有T C K T M S T D I T D o T R s T E 删0 和E M U l 共7 个引脚信号 D S P 通过该接口与仿真器引脚 对应连接 可以方便地实现和P c 杌之圆的数据通信以及在线编程 将J T A G 接口设计在电路板上时 应注意以下三点 1 E 州0 和E M U l 是D S P 的仿真中断引脚 通常应注意将这两个引脚通过4 7 K 的电阻上拉 关于这一点的原理 我查阅的资料中没有找到详细说明 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 2 J T A G 接口在P c B 板上不应离D S P 芯片太远 同样 在自制下载电缆时 电 缆的长度一般不要超过6 英寸 当大于6 英寸时 应将T 螨 T D I 两个引脚也通过上 拉电阻拉高p 1 1 3 注意接口中有些引脚虽然没用到 但规定必须接地 不应悬空 2 电源转换电踌图 7 圈3 9T P S 7 1 3 3 芯片电路原理图 图3 1 0 口s 7 6 7 D 3 1 8 芯片电路原理图 V c 5 4 0 9 内部的采用3 3 V 和1 8 V 两种电源供电 其中I 0 采用3 3 v 电源供电 而 芯片内核采用1 8 V 电源供电 为了将通常的5 V 电源转换成D S P 所霈的电源 这里分 别采用了T P S 7 1 3 3 和T P S 7 6 7 D 3 1 8 两种芯片 分别转换后得到3 3 V 和1 8 V 电源 图3 9 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 和图3 1 0 是具体实现原理图 3 F L A S H 部分电路图 F L A S H 存储芯片选用S S T 3 9 1 I F 4 0 0 该芯片有以下主要特点 1 支持单电源操作 简化了系统的电源要求 2 最快的读取速度为8 0n s 采用嘞S 工艺 具有1 0 0 0 0 0 次写入 擦写寿 命 内部数据保存时间长 不易丢失 3 低功耗 工作电流仅2 0 m A 自动休眠电流只有3 I IA 4 灵活的块结梅 支持整片擦除 块擦除 5 具有块保护功能 可以防止对任何区段进行编辑或擦除的硬件保护机制 如图3 1 1 所示 F L A S H 与D s P 的连接线较多 所以在原理图的设计中采用网络 标号酶连接方式 使图纸一目了然 雷串的地址总线 C O 1 7 和数据总线D O 1 5 通过网络标号分别和D S P 的总线一一对应相连 W E o E c E 三个引脚接连自c P L D 是D S P 输出 经过逻辑转换后的信号 U I 衄 雾 0 嚣 萋 弦蕊 沓 塞露 磐弘豪 豁 熬 一 童 a 口D C 9 S V 诌 图3 1 lF 吣H 芯片电路原理图 3 2 2 语音处理模块原理图设计 在语音处理都分 采用专用的语音处理蕊片T L v 3 2 0 A I C 2 3 这样便于实现 而 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 且可以达到更好的效果 A I c 2 3 是T I 公司生产的一敖高性能的立体声音频C o d e c 芯 片 片上集成了耳机输出放大器 支持话筒 M I c 和线形输入 L i n e i n 两种输入 方式 且对输入和输出都具有可编程增益调节 A I c 2 3 的模数转换 D 和数模转 换 D A 部件集成在芯片内部 在8 K 到9 6 K 的频率范围内提供1 6 b i t 2 0b i t 2 4b i t 和3 2b i t 的采样 A D c 和D A c 的输出信嗓比分另4 可以达到9 0 d B 和1 0 0 d B 电路设计部分说明如下 l 语音输入选用麦克风输入 M I C 线性输入引脚置空不用 语音输出暂选 左声道输出 2 外部选用1 2 姗z 晶振 在内部经过分频后 得到3 蛐z 时钟用于串口通信 3 图3 1 2 中 C S S D I N 和S C L K 为A I C 2 3 的控制字端口 接D S P 的M c B S P l B C L K D I N D U T L 瞄I 4 和L R 跚是A I c 2 3 酌语音数据传输端口 接D S P 的 c B s P o 圈3 1 2A l c 2 3 及外围电路圈 3 2 3 网络接口模块原理图设计 舨8 8 7 9 6 是台湾A s i x 公司推出的N E 2 0 0 0 兼容快速以太网控制器 其内部集成有 1 0 1 0 0M b s 自适应的物理层收发器和8 Kx1 6 位的s R 心 支持既s 一5 1 系歹i j 8 0 1 8 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 系列以及M c 6 8 K 系歹l I 等多种c P U 总线类型 A x 8 8 7 9 6 执行基于I E E E 8 0 2 3 1 I E E E 8 0 2 3 u 局域网标准的1 0 M b s 和1 0 0 M b s 以太网控制功能 此外 缸8 8 7 9 6 还提供可选用的 标准打印接口 可用于连接打印设备或用作通用I 0 端口 A x 8 8 7 9 8 的地址总线s A 9 0 与数据总线s D 1 5 0 分别与C P U 的地址 数据总 线相连 C P u 通过I O 读写N E 2 0 0 0 寄存嚣来控制A 8 8 7 9 6 的工作状态 通过远程D 姒 F I F O s 与A x 8 8 7 9 6 的内部缓存R A 破挂行数据交换 R A I I 与M A c 核之间进行L o c a lD 姒将 数据发送至姒c 层 再经由内部的P H Y 层发送至R J 4 5 接口 该芯片的外围电路主要有信号电平转换 采用芯片H R 6 0 1 6 8 1 时钟脉冲产 生电路 R J 4 5 接口部分 工作状态指示灯L E D 电路 手动复位信号电路等 具体 实现见图3 13 图3 1 3A 8 8 7 9 6 及外围电路图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 3 2 4C P L D 模块原理图设计 该模块最初用于设计实现人机交互的功能 即用户根据网络会议的系统需求 通过按键输入分组选择 要呼叫的I P 地址等信息 通过c P L D 传送给D S P 同时驱动 八段数码管显示相应的信息 但在后面的调试中 因为系统需要 主要用来实现 D s P 对F L A S H A X 8 8 7 9 6 控制信号的逻辑转换关系 核心芯片E P M 7 1 2 8 s L C 8 4 1 5 是A l t e r a 公司推出的M A 7 0 0 0 s 系列C P L D c o m 口1 e x P r o g r a 姗a b l eL o g i cD e v i c e 采用c 们SE E P R o M 工艺 传输延迟仅为5 n s 内部 具有丰富的资源 1 2 8 个触发器 2 5 0 0 个用户可编程门 而且提供6 4 个可用的I 0 引脚 为系统定义输入 输出和双向口提供了极大的方便 为了比较适合混合电 压系统 通过配置 输入引脚可以兼容3 3 V 5 V 逻辑电平 输出可以配置为3 3 v 5 v 逻辑电平输出 E P M 7 1 2 8 同时还提供了J T A G 接口 P c 机在M A x P L U s l I 平台下 通过 并口下载线连至该接口 就可以轻松实现程序的下载烧写 对该芯片进行外围电路设计时 应该注意以下三点 1 当c P L D 芯片运行时序电路时 引脚G c L K l 可以用作系统时钟的输入端口 但E P M 7 1 2 8 芯片内部没有振荡器 所以晶振必须经过C D 4 0 6 0 B 芯片振荡分频后才能 输入到G C L K l 否则不能起振 2 通常来说 v C c I N T 引脚应当接到s O V 电源 这样可以兼容3 3 v 或5 0 v 的I 0 端口输入 如果V c c l 0 接5 0 V 电源 输出端口仅支持5 o v 电平逻辑 如果v c c I O 接 3 3 V 电源 输出端口为3 3 V 电平逻辑 这样既可以作为其他3 3 v 系统的输入 也 可以作为5 0 V 系统的输入 3 在软件的系统设计时要考虑到对硬件资源的优化利用 比如 用静态显示 的方式驱动4 只八段数码管 需要用至I J 4 9 3 6 个I O 端口 但如累采月动态显示 烈 用人的视觉停留的特性 分时显示 只占用了C P L D1 2 个I 0 端口 有效地节省了 系统资源 该模块具体实现如图3 1 4 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 圈3 1 4a 哩D 模块电路原理图 3 3P C 8 板的制作与电气性能测试 3 3 1 P C B 板的制作与实现 在前期设计的电路原理图整体设计完成且检查无误的条件下 既可以开始P C B 扳的设计割作 该部分的工作和前面电路原理图的设计都使用P r o t e lD x P 开发工 具来完成的f 3 2 3 明 P C B 板从开始设计到原件焊接完毕的过程中 主要涉及到以下 工作内容 1 建立原件封装库 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 1 页 确定每一个芯片 器件的正确封装是十分关键的 P r o t e lD P 环境中虽然提 供了很多元器件的型号封装 但对比市场上可买到的器件规格形状 常会发现很 大的差异 尤其像V c 5 4 0 9 A 娼8 7 9 6 这样的精密器件 根本找不到现成的封装形 式 只有先把所有的元器件买齐 然后用游标卡尺测量得到具体的规格参数 一 一创建封装库 2 元件布局与走线 本设计主要考虑以下内容 1 降低电磁干扰 系统中D s P 的最高工作频率可达1 0 0 娜z 雨且P c B 板只 设计为两层板 因此如何有效地抑制电磁干扰从而使得系统得以正常运行 是一 个非常重要的问题 对于电磁干扰的抑制 要在P c B 设计过程中严格遵守抑制电 磁干扰的设计准则进行布线和相应的处理 如尽量使高频数字信号远离模拟信号 数字地与模拟地分开 在一点通过电感或磁珠连通 在电源换层和芯片电源引脚 处加适当大小的溏波电容等 2 缩短时钟源等高频信号的布线长度 使品振尽量靠近芯片 这样便于提 供钟稳定的时钟脉冲信号 3 降低并行信号线问的串扰 串扰的产生主要是由于信号线之间的间距太 小 从而导致信号之间的相互耦合 信号线的间距遵守骊规则 线的中心点到相 邻线的中心的距离为线宽的3 倍 能够有效地避免串扰 4 总板 子板的设计方式 在硬件设计过程中 由于所用到芯片管脚多为贴 片式 管脚细小密集 一旦焊接到P c B 板上就很难修改 重用的可能性小 为了 便于后续的调试工作 节约成本 我们对贴片式元件在焊接方法上进行了更改 增加了自制的P c B 直插式的底座 如图3 1 5 所示 而且对一些直插式芯片我们采 用插槽焊接 进一步提高了所设计的P c B 板的灵活性和重用性 有效降低了成本 3 元器件的焊接 设计中 总板及子板的所有元器件焊接都是自己独立完成 完整的电路板如 图3 1 6 所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 2 页 图3 1 5D S P A x 8 8 7 9 6 及F L A s H 子叛实物图 匿3 璩系统电路板实物圈 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 3 页 3 3 2P 板的电气性能测试 电气性能测试主要是检查在电路板印制和焊接过程中是否造成电气连接错 误 主要检查以下部分 1 据电路原理图检查芯片的电源引脚及接地引脚是否连接正常 其它的重要 引脚是否被误接地线或电源线 加电后测试芯片电源输入端电平是否正常 这一 步检查无误为了确保加电后芯片可以正常启动 2 加电盾用示波器检测各个晶振的引脚 能否得到预期的时钟波形 波形的 电平范围及周期是否正常 输入到芯片时钟引脚的信号是否有明显衰减 3 加电后密切注意各个主要茄片的温度是否正常 各L E D 灯 极管 电解 电容等器件电源极性是否正确 在确定这些基本的电气性能测试无误后 才能进入下一步 安全放心地对各 模块功能进行调试 3 4 本章小结 本章是对前期硬件设计过程的总结 首先给出了网络语音终端的系统结构图 并对所捌分的各个子模块功能作了简要说明 然后重点介绍了系统设计中D S P 资 源的科用 各个模块与D s P 之间通信接口的设计 这也是初期系统设计规赵静难 点之一 最后给出了各个主要芯片具体的外围电路设计图和部分说明 以及P c B 的制作完成和基本的电气性能澜试 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 第4 章系统软硬件调试 针对第3 章中所述语音终端功能模块的划分 本设计系统的软硬件调试主要 分以下几个阶段步骤进行 1 熟悉D s P 的集成开发环境c c S c o d ec o p o s e r 乳u d i o 掌握D S P 工程文 件的组成结构及属性 主要包括存储嚣配置文件 中断向量表等 2 D S P 的初始化功能调试 主要包括D s P 时钟的控制 与工作相关寄存器的 初始化 多通道缓冲串口M c B s P l M c B S P O 的初始化 3 在I l A x P L U S 设计软件中实现c P L D 内控制逻辑信号的编程 调试及硬件 烧写 4 D S P 对语音处理芯片A I c 2 3 的写控制字初始化 D s P 与A I c 2 3 的语音数据 通信接口调试 5 D s P 对网络接口芯片A x 8 8 7 9 6 的写控制字初始化 D s P 与A x 8 8 7 9 6 的通信 接口调试 4 1D s P 模块的功能调试 4 1 1 集成开发环境c c s 简介 C C S 是一个完整的D s P 集成开发环境 提供了配置 建立 调试 跟踪和分 析程序女呱具 它便乇实时 嵌入式信号处理程序的编制和测试 不仅使用方便 而且加速了软件开发进程 是目前最流行 最优秀的D S P 开发软件之一I 强删 该 软件支持软件仿真器 S i m u l a t o r 以及多种硬件仿真器 本系统中软件设计使用版 本是C C S 2 0 具有以下特点 l 集成