一种小型化声码器设计

2011-07-31苑鹏雁刘承禹

无线电通信技术 2011年6期

苑鹏雁,刘承禹

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.二炮装备研究院,北京100085)

0 引言

在数字通信系统中接入话音是很常见的,有时由于业务需求还要接入多路话音。在实际的应用系统中设备的体积受限,即便是多路话音的接入也不能将设备的体积成倍地增大。数字通信系统中话音的传输质量一定要做到清晰,而且不能因为传输话音而影响其他数据业务的传输,所以传输话音的同时需要考虑到电磁兼容性的问题。如果从工程应用的角度考虑,还要考虑到设备的功耗、小型化等问题。鉴于综上原因该设计给出了一种小型化声码器的设计方案。

1 方案设计

1.1 硬件设计

该小型化声码器基本组成框图如图1所示。微控制器(CPU)选用电路C8051F043,双音多频检测及信令音产生单元选用数字信号处理器(DSP)TMS320VC5509,时序控制单元选用现场可编程门阵列(FPGA),供电单元选用变压器 LT1764EQ、LT1764EQ-2.5、LT1764EQ-3.3。供电单元使用单+5 V供电,电话机需要的-48 V/-24 V馈电和～75 V的铃流由话音接口单元内部实现。

图1 声码器组成框图

1.2 软件设计

声码器的软件设计主要是电话呼叫过程的建立与释放,软件应按照呼叫接续过程完成如下各阶段的处理：检测电话摘机、发送拨号音、接收号码、号码分析、呼叫被叫用户、被叫振铃应答与切断通话。

①检测电话摘机：话音接口单元接入的所有话音,其摘挂机状态通过FPGA去抖后读进CPU,当CPU读进的状态值等于摘机条件时确定电话(主叫)摘机;

②发送拨号音：检测到电话摘机后连接相应的信号音源给当前话路所在的时隙,送出拨号音;

③接收号码：用户听到拨号音后开始拨号,DSP中相应的收号器将收到的号码通过串行接口送给CPU,并在收到第一位号码时停送拨号音;

④号码分析：CPU收完全部号码后进行内部分析处理,是非法号码则放弃此次呼叫并给主叫话机送出忙音;

⑤呼叫被叫用户：号码分析合法后如果被叫空闲则被叫振铃、主叫送回铃音,如果被叫占用则主叫送忙音;

⑥被叫振铃应答：被叫用户听到振铃并摘机应答后,呼叫的双方通话;

⑦切断通话：无论主叫先挂机还是被叫先挂机,CPU检测到电话挂机后给另一方未挂机用户送出忙音,挂机端清除状态释放资源。

电话呼叫主叫流程如图2所示,被叫流程如图3所示。话音处理的主被叫流程看似简单,但异常处理情况多、程序分支繁杂,这里由于篇幅有限并没有列出。

图2 电话呼叫主叫流程图

图3 电话呼叫被叫流程图

2 需解决的问题

2.1 简化供电种类

传统设计的话音接口单元供电方案通常是电源输入端要提供+5 V、-5 V、-48 V/-24 V、～75 V电源,该设计只需外部提供+5 V电源,话音接口单元内置馈电电源和铃流源产生-48 V/-24 V馈电电源和～75 V铃流电源。

2.2 减小设备体积

话音接口单元从接口类型上可以分为用户接口和中继接口2种。在实际应用时,对外接口由于用户需求的不同而要求的接口类型也会不同,所以话音接口单元设计成同一个槽位就可以安装用户接口,也可以安装中继接口。这样既减小了设备的体积,又增加了设备的功能。

2.3 双音多频检测及信令音产生

CPU通过串口通信向双音多频检测及信令音产生单元的DSP发送控制命令,DSP根据CPU命令选择相应的音频信号检测器,对从同步串口收到的PCM音频数据进行数字滤波,进行频谱分析、能量判决,产生音频信号报告;选择音频信号发生器,产生相应的双音多频信号或信令音。

3 关键技术

该方案的核心是话音接口单元,可分为用户接口和中级接口2种类型。

3.1 用户接口

用户接口主要功能为恒流馈电、馈电/馈铃自动切换、自动截铃、倒极、摘挂机检测、二/四线变换、PCM编解码和瞬态过压保护,其组成如图4所示。保护电路的T、R端连接电话线;摘挂机检测输出的指示信号摘挂机检测 1(SHK1)、摘挂机检测 2(SHK2)组合出摘挂机状态为00摘机、11挂机;PCM编解码的DX为PCM编码输出,DR为PCM编码输入,FS为8 kHz时隙输入,MC为2 MHz时钟输入;倒极发铃电路的输入FR用以倒极控制,0正极、1反极;升压/恒流电路的RC端用于馈铃馈电控制输入,1振铃、0馈电。

图4 用户接口组成框图

3.2 中继接口

中继接口组成如图5所示。其主要功能为模拟摘挂机及其控制、铃流检测、极性检测、二/四变换、PCM编解码和挂机接收传输。

图5 中继接口组成框图

中继接口的相关信号T、R、FR、MC、控制开关的输入RC是模拟摘挂机控制,1模拟摘机,0模拟挂机,要求输入最小高电平大于2.4 V,最大低电平小于0.4 V;铃流与极性检测输出的SHK1、SHK2组合出各种状态为00振铃、11挂机、01正极摘机以及10反极摘机。

4 性能测试结果分析

声码器最基本的评价方法是主观评价法,它利用收听人的收听意见来对系统的性能作出评判的。

由于该设计采用的是用PCM编解码方式实现模拟话音的数字化,编码速率为64 kbps,所以仍能保持较好的话音自然度和很高的可懂度。但在信道带宽受限的情况下,尤其是在卫星通信的应用中,要充分利用信道带宽,尽量做到多种业务同时传输,64 kbps的编码速率占用相当宽的带宽是该声码器的缺陷,它无法在窄带信道传输。所以在不同传输需求的情况下,在该小型化声码器的后端增加一级语音压缩功能,就可实现在窄带信道中传输1路或多路话音,解决该设计的缺陷。