一种多通道数话同传电路的设计与实现

一种多通道数话同传电路的设计与实现

1线传输作战信息及语音通信指挥中心由几个炮艇、弹药车等辅助车辆组成。如图1所示，指挥中心与下属车辆通过广播和双绞线传输军事信息和语音通信。数据和语音传输通过硬件开关控制,这种方式虽简单、易于实现、但是需要人工干预,数话不能同时传输,导致作战信息传输实时性差,影响作战效能的发挥。本设计在保证传送话音质量的基础上,采用AMBE_2000TM芯片对语音信号进行数字化压缩,应用动态时分复用等技术实现了装备间的数话同传。2数话同传模块系统模型如图2所示,语音信号经过数字化压缩,与输入的数据信号同时送的处理器,经过软件处理,采用时分复用的方式送给发送端数传设备;再经过有线或无线信道送到接收端数传设备,进行数话分离,语音信号经过解码后送到话音输出设备,数据信号经过格式匹配后送给数据终端。数话同传模块主要由数据采集单元、语音编解码单元、主处理单元、数据存储传输单元和电源单元等组成,如图3所示。由话筒送来的模拟语音信号由电压变换电路将其电压范围转换为适合模/数转换的电压输入范围。为了防止因为频谱混叠而在接收端恢复时引起语音失真,对话筒来的语音信号在采样前进行了低通滤波,滤波时采用四阶低通滤波器,由2个二阶Butterworth低通滤波器串联而成。2.1d/a转换解码通道模/数转换电路选用AD73311,该芯片用起来非常灵活,内部共有5个控制寄存器组(CRA,CRB,CRC,CRD,CRE),其中CRA用以设置AD73311的上作模式(5种)、芯片级连个数(1～8个)和软件重置RESET;CRB用以设置主时钟分频因子和串行时钟分频因子;CRC用以设置内部参考电压的电源管理;CRD用以设置输入/输出可编程放大器的增益;CRE用以设置D/A转换通道的群延时。AD73311具有诸多优良性能,如内含16b信噪比为75dB的A/D转换器和信噪比为70dB的D/A转换器,采样频率和输入/输出增益均可程控,自带参考电压和低功耗以及串行输入/输出接口等。A/D转换编码通道包括可编程增益放大器、模拟Σ-Δ调制器、反混叠数字滤波抽取器。输入放大器提供0～38dB的增益,这样在小信号输入时,就可省去外部的放大器,简化了电路设计。Σ-Δ调制器采用了过采样和噪声形成技术。采用过采样技术降低了输入反混迭滤波器的要求,使量化噪声分布在更宽的范围内(0～1/2过采样率),这样语音通带内的噪声分量就相对减少。反混叠数字滤波抽取器实际上包括反混叠数字滤波器和(32∶1)抽取器,反混叠数字滤波器用以消除高频噪声,滤波抽取器的作用是提高A/D转换的分频率和降低采样率。D/A转换解码通道的构成和工作原理与A/D转换编码通道相似,它包括反镜像数字滤波内插器、数字Σ-Δ调制器,1bD/A转换器、低通滤波器和带差分输出端的可编程增益放大器。数字Σ-Δ调制器的作用是将语音通带内的噪声转移到语音通带之外。输出可编程放大器是将数模转换后的模拟信号放大输出,它的增益在+6～-15dB之间可调,由内部控制寄存器D中的3位(CRD:4～6)控制。2.2语音激励信号及速率选择人类语音频带基本上在10～10000Hz之间,其中80%的能量集中在300～3400Hz之间。直接传送语音信号会占用较多的带宽,因此,采用DVSI(DigitalVoiceSystemsIns)公司推出的AMBE_2000单片声码器芯片对语音进行压缩和解压。该芯片是一款适应性强、高性能、低功耗的单片实时全双工语音压缩解压芯片,采用改进的多带激励(MBE)算法,能实现可变速率低比特率、高语音音质的语音压缩编码。MBE编码方式在频域中按基音各谐波频率,将1帧语音的频谱划分为多个频带,对每个频带做清、浊音(U/V)判决。对浊音带,以基音为周期的脉冲序列作为激励信号;对清音带,则以白噪声作为激励信号。总的激励信号由各带激励信号相加构成。用该激励信号激励声道滤波器,最终合成出具有较高自然度的语音。MBE模型使合成语音谱与原语音谱在细致结构上能拟合得很好,因此在低比特率的情况下,其合成语音的音质依然能保持较高的自然度。最低编码速率可到2.0kb/s。总得来说AMBE_2000具备功能特点为:速率多,语音音质高:具有2.0kb/s,2.4kb/s,3.6kb/s,4.0kb/s,4.8kb/s,6.4kb/s,8.0kb/s和9.6kb/s八种压缩速率当速率在4.0kb/s以上时,可得到接近长途电话的话音质量;当速率为2.0kb/s时,仍然具有较高的可懂度和自然度;可变速的FEC功能:可根据信道情况,灵活地选择FEC的速率。语音和FEC的速率选择既可以通过硬件管脚设置,也可通过软件方式设置;芯片内集成卷积编码器和Viterbi译码器;低功耗、低复杂度;能产生和识别双音多频(DTMF)信号;具有语音激活检测(VoiceActivityDetection)功能、回波抵消(EchoCancelling)功能和舒适噪声(ComfortableNoise)产生功能等;串行信道接口可设置为主动和被动方式,传输数据可设置成帧结构或非帧结构。在本系统中,AMBE_2000和AD73311的工作频率都使用16.384MHz,晶振采用有源晶振,压缩速率选用4.8kHz。与主处理单元的接口采用主动模式,数据格式采用有帧格式。2.3系统总体结构主处理单元采用Atmel公司的单片机AT89C52。AT89C52单片机具有以下标准功能:8kBFLASH闪速存储器,256B内部RAM,32个I/O口线,3个16位定时/计数器,1个6向量两级中断结构,1个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。采用12MHz的晶体振荡器,Timer0工作于模式1,每隔50ms产生中断调用看门狗子程序,防止程序跑飞;Timer2工作于自动重装载方式,它控制着整个系统有序、协调地进行工作,实现语音数据判断,数据语音传输时序控制等。传输信道,有线信道采用485串行通信,无线信道采用DSSS直接序列扩频。有效通信距离≥5km。主要芯片连接关系如图4所示。3有音的语音/语音业务AD73311、AMBE_2000通电后先后复位,AMBE_2000对AD73311自动进行初始化。AMBE_2000依次发送0x8113,Ox82f9,0x8300及0x8001。前面3个控制字设置AD73311进入以下工作状态:DMCLK(设备内部主时钟)=MCLK(外部主时钟)/2=8.046MHz,SCLK(串口时钟)=MCLK/116=1.024MHz;Samplerats(采样频率)=MCLK/512=32kHz。这些数值都可在AD73311的相应管脚测得。最后1个控制字标志着控制字设置的结束,令AD73311进入收发数据状态。在无话音数据传输时,AT89C52将从串口接收的数据打包处理后发送给数传设备,数传设备对传过来的数据增加前向纠错(FEC)、循环兀余校验(CRC)位后,按Mobitex标准的数据格式进行交织和扰码处理,再附上比特同步和帧同步字节后,把数据包送到有线或无线,送到接收端。当有话音数据传输时,经过AMBE_2000压缩后,输出4.8kb/s的压缩话音数据,这些话音数据经单片机AT89C52除包延时处理后与串口接收的外部数据一起打包送到数传设备,在经有线或无线信道采用9.6kb/s传送到接收端,从而实现数据和话音的同时传输。在数据接收时,数传设备经检错和撤包处理后,将数据传送给主处理单元进行判断处理,如果是数据信号则通过格式匹配