基于PCM编码的话音数字合成系统的研究

张乐鹏 周云龙

（中兵通信科技股份有限公司，河南 新乡 453000）

基于PCM编码的话音数字合成系统的研究

张乐鹏 周云龙

（中兵通信科技股份有限公司，河南 新乡 453000）

在话音通信中，会出现多个音频源同时发声的情景。如何合成多个音频源，并将其正确发送及接收是个难点。在本系统中，话音采样基于PCM编解码芯片TLV320、话音合成采用单片机C8051F020、话音数据的发送和接收采用RS485总线，解决了上述问题。

音频合成；PCM编码；单片机C8051F020；RS485接口

在话音通信中，点对点通信方式比较常见，但是当多个音频源同时发声时，如果处理不当，音频输出会是噪音，无法分辨多人话音。而且多个音频源如何在RS485总线中传输，也是个难点。本系统经过大量的实验和调试，解决了上述问题，达到了系统要求。

1. 系统介绍

基于PCM编码的话音数字合成系统是采用微处理器和话音数字化技术，再通过RS485总线进行传输的一种数字化话音系统，原理框图如图1所示。

在话音数字合成系统中，多个音频节点采用RS485总线方式连接，进行话音数据的传输。单元内部框图如图2所示。

音频单元由微处理器C8051F020、话音数字化电路TLV230、RS485接口电路、话音降噪处理模块及混放模块及话筒和扬声器等组成。

图1　话音数字合成系统原理框图

微处理器C8051F020芯片，最高支持25MHz时钟，包括64kFLASH、4kSRAM和丰富的外部接口，能够满足系统要求；话音编解码芯片采用TI公司的TLV320AC系列芯片，采用μ率压缩编码的方式生成PCM码流；RS-485电平转换芯片采用MAX485，最高支持32个单元的通信；话音降噪模块实现输入话音波形的平滑和幅度调节；混放模块实现输出话音的驱动，匹配扬声器输出。

2. PCM简介

图2　音频单元原理框图

PCM编码通常由抽样、量化、编码3部分组成。其中量化和编码沟通完成模拟到数字（A/D变换）功能。信源经脉冲序列抽样产生零阶抽样保持信号，它是PAM信号，具有离散时间，连续幅度。量化过程就是将此信号转换成离散时间，离散幅度的多电平数字信号。编码后的PCM信号经过解码、模拟转换（D/A转换），在经过低通补偿滤波器即可重建原信号。

PCM编码分为A率PCM编码和μ率PCM编码。μ率编码与A率编码相比，对于小信号的处理信噪比更高，话音更清晰。μ率编码函数如公式（1）所示。

其中：x为归一化的量化器输入，y为归一化的量化器输出。常数μ愈大，则小信号的压扩效益愈高，目前多采用μ=255。μ律压缩曲线是连续曲线。μ值不同，压缩特性也不同。255/15律折线压缩方式是将μ律曲线分16段做弦，当相邻折线段的段距比值为2时，可以很好地逼近μ＝255的μ律压缩曲线的特性。实际上由于在原点两侧的第一条折线都通过原点，斜率相同而对称，所以合成了一条折线，因而实际上总共只有15条折线。因此，这种折线压缩律就称为μ255/15折线压缩律。

本系统采用μ率PCM编码方式进行话音编码。

3. 系统实现

3.1RS485总线实现

在话音数字合成系统中，多个音频节点采用RS485总线方式连接，进行话音数据的传输。本系统连接5个单元，最大可支持8个单元的实时语音通信。RS485总线采用主从结构设计，分时处理数据，每一个单元都有唯一的ID，只有在本单元ID的时间区间才可以对总线进行发送数据操作。RS485总线通信协议采用9位数据传输，没有校验位，1位停止位。

主机发送的数据包括控制指令（各单元ID）和话音数据。控制指令第九位为1，后8bit为各个单元ID；话音数据第九位为0，后8bit为PCM话音数据。主机周期性的发送控制指令，各单元接收到自己ID指令之后才可以将话音数据传输到总线上。其他单元只需要在对应时隙将自己的话音数据送入总线即可。各单元根据自己的状态选择需要的话音数据接收处理，还原为模拟语音信号。

3.2话音合成实现

模拟话音信号经过PCM编解码芯片送往处理器的是PCM数据流，接收到的数据流无法直接进行数值上的加减合成，必须经过处理器解码为可直接处理的数据。要将PCM数据解码就必须知道PCM数据是如何编码的。

一个8比特μ=255的码子由1个符号比特，一个3比特段代码和一个4比特电平量化值串联而成。在发送之前，所有比特是取反的，所以，一个正数由带“1”的符号比特。在决定输入是哪一段之前，原始整数的符号先不考虑，一个偏移量33加到该数的绝对值上。偏移量限制最大的输入为8159，并减少最小步长至2/815。偏移量简化了每一段两个短点的计算。寻找所在段代码是借助于检测偏移输入模值的最有效“1”的位置，而量化值就是跟在它后面的4个比特。从线性到μ率压缩转换见表1，压缩后的码子组成：比特0-3表示量化值，比特4-6表示段值，压缩后的码子符号放在比特7。μ率编码数据与线性数据的关系见表1。

表1　 μ律二进制编码图表

4. 试验结果

将音频从节点1输入信号为1K正弦波，峰值为1V；音频从节点2输入的波形为2K正弦波；经过叠加处理的数据送回给音频主节点进行话音解码输出，其波形如图3所示。

如图3所示可知将处理器可以PCM的μ率编码数据和线性编码数据进行转换，并且完成了话音的数字叠加。但是，这种方式的数字叠加会对信号由一定程度的失真，并且叠加处理的话音越多，失真越大。

图3　叠加后的波形

结语

通过上述分析，可以看出通过PCM的μ率编码数据和线性编码数据进行转换，完成了话音的数字合成，解决了话音合成难题；通过RS485总线的分时编码，解决了多节点总线传输难题；经过试验及测试，达到了系统指标要求。目前该系统已经批量生产，大量应用于市场，性能稳定可靠。

[1]毛京丽，石方文.数字通信原理（第三版）[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[2]冯子林，俞建新. RS485总线通信协议的设计与实现[J].计算机工程，2012（10）：18.

[3]陆存乐.采用准瞬时压扩的PCM编码新技术[J].军事通信技术，1985（4）：30-31.

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