基于AMBE-2000的多速率语音通信终端模块

摘要：介绍一种基于AMBE-2000和DSP芯片的语音通信终端模块的原理与实现方案。该终端模块具有设计简便、语音编码速率可变、音质优、性价比高、功耗小等诸多优点，可广泛应用于卫星通信、短波、微波通信和军用保密通信等场合。 关键词：声码器 AMBE 前向纠错编码（FEC） ＡＭＢＥ－２０００是ＤＶＳＩ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｏｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｃ．）公司推出的单片声码器芯片。该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。本文基于ＡＭＢＥ－２０００，设计并实现了一种语音通信终端模块。该模块具有设计简便、语音编码速率可变、音质优、接口灵活、工作电压低、功耗小等诸多优点，可广泛应用于卫星通信、短波、微波通信和保密通信等场合，具有很高的实用价值。 １ ＡＭＢＥ－２０００功能概述 １．１ ＭＢＥ算法介绍 ＭＢＥ（Ｍｕｌｔｉ－Ｂａｎｄ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）语音编码技术是上世纪８０年代末提出的一种具有高语音质量和强鲁棒性的低速率语音编解码技术。其改进的ＩＭＢＥ算法成为国际移动卫星组织（ＩＮＭＡＲＳＡＴ）和ＡＵＳＡＴ移动卫星通信的语音编码标准。ＥＩＡ／ＴＩＡ也选择了ＭＢＥ作为北美陆地移动通信系统的编码标准。ＭＢＥ语音编解码算法因其在低速率（＜４．８ｋｂｐｓ）上的优越性能，在卫星通信、数字话音存储和保密通信等领域得到广泛应用。 ＭＢＥ编码方式在频域中按基音各谐波频率，将一帧语音的频谱划分为多个频带，对每个频带作清、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。 １．２ ＡＭＢＥ－２０００的功能与特点 ＡＭＢＥ－２０００芯片是ＡＭＢＥ－１０００的改进产品。与ＡＭＢＥ－１０００相比，其语音压缩算法更优化，语音质量更高，最低编码速率也由原来的２．４ｋｂｐｓ降低到２．０ｋｂｐｓ；在硬件和接口方面，也作了若干改进，并提高了其压缩编码和前向纠错编码（ＦＥＣ）的效率和可靠性。ＡＭＢＥ－２０００主要具有以下一些特点： （１）速率多，语音音质高：具有２．０ｋ、２．４ｋ、３．６ｋ、４．０ｋ、４．８ｋ、６．４ｋ、８．０ｋ和９．６ｋｂｐｓ八种压缩速率。当速率在４．０ｋｂｐｓ以上时，可得到接近长途电话的话音质量；当速率为２．０ｋｂｐｓ时，仍然具有较高的可懂度和自然度。 （２）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。 （３）芯片内集成卷积编码器和Ｖｉｔｅｒｂｉ译码器。 （４）低功耗、低复杂度。 （５）能产生和识别双音多频（ＤＴＭＦ）信号。 （６）具有语音激活检测（Ｖｏｉｃｅ Ａｃｔｉｖｉｔｙ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）功能、回波抵消（Ｅｃｈｏ Ｃａｎｃｅｌｌｉｎｇ）功能和舒适噪声（Ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅ Ｎｏｉｓｅ）产生功能等。 （７）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。 ＡＭＢＥ－２０００芯片主要管脚的功能如表１所示。ＡＭＢＥ－２０００的工作频率建议使用１６．３８４ＭＨｚ，它与晶体有两种连接方式，如图１和图２所示，分别是与有源晶体和无源晶体的连接方法。 表1 AMBE-2000主要管脚功能 管 脚 功 能 RATE_SEL[4～0] 用于选择编码速率和FEC速率 CHANN_SEL[1～0] 选择信道接口方式（主动、被动、帧结构、非帧结构等） CHAN_RX_DATA, CHAN_TX_DATA, CHAN_RX_CLK, CHAN_TX_CLK, CHAN_RX_STRB, CHAN_TX_STRB 串行信道接口引脚，分别为信道接收和发送数据、接收时钟和发送时钟、接收和发送帧同步脉冲 CODEC_SEL[1～0] A/D接口方式选择（如16its线性量化、A率或μ率量化等） CODEC_RX_DATA， CODEC_TX_DATA， CODEC_RX_CLK， CODEC_TX_CLK， CODEC_RX_STRB， CODEC_TX_STRB 与A/D芯片的接口引脚，分别是数据接收和数据发送、接收时钟和发送时钟、接收和发送帧同步信号 EPR 在芯片复位后，该引脚有一个跳沿产生，表示第1个编码帧已准备好，一帧将在20ms后产生 ECHOCAN_EN 回波抵消使能，高电平有效 VAD_EN VAD使能，高电平有效 SLEEP_EN 标准睡眠方式使能，高电平有效 X2/CLKIN 时钟输入（16.384MHz） RESETN 复位，低电平有效 这两种方式都可以采用，主要看所用的晶体是有源还是无源。 ２ 系统硬件设计与实现 ２．１ 系统框图与原理 图３是基于ＡＭＢＥ－２０００的语音通信终端模块的框图。该通信终端模块由微控制电路、ＡＭＢＥ－２０００、Ｆｌａｓｈ、时序产生电路、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ电路等构成。控制电路采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２?眼２?演，用于控制和读写ＡＭＢＥ－２０００，并与外部交换数据；Ｆｌａｓｈ为一片Ｉｎｔｅｌ公司生产的ＴＥ２８Ｆ００８，构成１Ｍ%26;#215;８ｂｉｔｓ的存储空间，用于存储程序及初始化数据；时序产生电路由可编程逻辑器件ＥＰＭ３０３２Ｓ完成，用于产生系统所需的各种时序；Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ电路则由ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０及其外围电路构成。全部器件均工作于３．３Ｖ电压。 Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片与ＡＭＢＥ－２０００的ＣＯＤＥＣ接口相连，进行ＰＣＭ数据的交换。ＡＭＢＥ－２０００的串口则与ＶＣ５４０２的多通道自动缓冲串行口ＭｃＢＳＰ（Ｍｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌ Ｂｕｆｆｅｒｅｄ Ｓｅｒｉａｌ Ｐｏｒｔ）相连，进行编码数据的交换；ＶＣ５４０２与外界通过ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）口连接，作为可选方案也可以通过异步串口（ＸＦ，ＢＩＯ）进行数据的交换；ＶＣ５４０２与Ｆｌａｓｈ器件间采用外部并行８位ＢＯＯＴ方式进行程序的装载。 图3 基于AMBE-2000的语音通信终端模块框图 ２．２ 硬件设计 作为微控制器的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２是ＴＩ公司的低功耗、高性能定点ＤＳＰ芯片，其主要特点包括： （１）速度快，功能强。 （２）具有优化的ＣＰＵ结构，内部有３２Ｋ字节的片内ＲＡＭ。ＶＣ５４０２既可用于实现复杂的ＤＳＰ算法和运算，也可用作微控制器，进行智能化控制。 （３）工作电压低、功耗小。可以在３．３Ｖ或２．７Ｖ电压下工作，在低功耗方式（ＩＤＬＥ１、ＩＤＬＥ２和ＩＤＬＥ３）下可降低功耗，特别适于无线移动设备。 （４）智能外设。提供多通道自动缓冲串行口ＭｃＢＳＰ、与外部设备通信的ＨＰＩ接口等智能外设。ＭｃＢＳＰ口提供２Ｋ字节数据缓冲的读写能力，可以降低处理器的额外开销。指令周期为２０ｎｓ时，ＭｃＢＳＰ的最大数据吞吐量为５０Ｍｂｐｓ，即使在ＩＤＬＥ方式下，ＭｃＢＳＰ也可以全速工作。 ＶＣ５４０２除作为微控制器外，还可用于完成其他一些功能，例如信道编译码、加密和解密等，根据系统的具体要求可以灵活地添加。ＡＭＢＥ－２０００可与多种Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片接口，选用不同的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片，管脚ＣＯＤＥＣ＿ＳＥＬ需要进行不同的设置，具体如表２所示。 表2 A/D、D/A类型设置 A/D、D/A类型 CODEC_SEL[1～0] 普通16位线性，8kHz 00 A/D芯片73311，32kHz 01 普通μ率，8kHz 10 普通A率，8kHz 11 本系统中，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片采用ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０。ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０是ＴＩ公司的线性ＰＣＭ编解码芯片，芯片内部具有ＡＤＣ模拟抗混迭滤波器和数字ＦＩＲ滤波器，有良好的抗混迭和抗噪声能力，具有可编程的输入输出增益控制、可编程的ＡＤＣ和ＤＡＣ转换速率控制，工作电压为３．３Ｖ～５Ｖ，还具有低功耗工作模式。 ＡＭＢＥ－２０００与ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的连接如图４所示。ＣＯＤＥＣ＿ＳＥＬ?眼１～０?演在硬件上接地，设置Ａ／Ｄ方式为１６位线性ＰＣＭ，其晶体频率采用１６．３８４ＭＨｚ，帧同步时钟和位同步时钟均由ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０产生，并提供给ＡＭＢＥ－２０００。 可编程逻辑器件ＥＰＭ３０３２Ｓ用于产生系统所需的其他各种时序（如ＡＭＢＥ－２０００的信道串口时序等）以及片选信号等，ＥＰＭ３０３２Ｓ是基于Ｅ２ＰＲＯＭ工艺的ＰＬＤ器件，器件的规模为２０００门左右，具有在系统可编程（ＩＳＰ，Ｉｎ－Ｓｙｓｔｅｍ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）能力，使用方便。在设计时，应预留下载接口。 ２８Ｆ００８是Ｉｎｔｅｌ公司的１Ｍ字节的Ｆｌａｓｈ存储器，用于存储ＶＣ５４０２的程序及初始化数据。２８Ｆ００８与ＶＣ５４０２的连接?眼３?演如图５所示。图中，２８Ｆ００８作为ＶＣ５４０２的外部数据存储器，地址总线和数据总线接至ＶＣ５４０２的外部总线，ＣＥ接至ＶＣ５４０２的ＤＳ引脚，Ｒ／Ｗ引脚与ＭＳＴＲＢ相或后接至ＷＥ，ＯＥ引脚接至一个跳线，跳线接低时，Ｆｌａｓｈ 处于读状态，跳线接高时，Ｆｌａｓｈ可擦或可编程，此时可向Ｆｌａｓｈ中写入程序。 ３ 软件编程 整个系统的工作过程如下：系统加电、ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２复位后，由其内部固化的自引导程序（ＢＯＯＴ）将存于Ｆｌａｓｈ（２８Ｆ００８）中的程序和数据搬移至内部ＲＡＭ；然后ＶＣ５４０２复位ＡＭＢＥ－２０００芯片，开始进行语音编解码。ＡＭＢＥ－２０００每２０ｍｓ完成一帧语音数据的编解码运算，并与ＶＣ５４０２交换一次数据。ＶＣ５４０２将编码后的语音输出，同时将从信道或其他设备得到的数据送到ＡＭＢＥ－２０００进行解码。 软件编程主要是对ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２进行编程，程序分为主程序模块、与ＡＭＢＥ－２０００间的通信和控制模块、与外界数据通信模块以及ＢＯＯＴ程序加载模块等。 主程序模块。该模块执行程序的初始化，包括对ＶＣ５４０２的接口和寄存器的初始化；对ＡＭＢＥ－２０００的复位和速率设置，对话音激活检测、回波抵消功能的设置；对ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的初始化等，此外还提供对中断服务程序的调度控制。对ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的初始化主要是设置它的４个控制寄存器，其中控制寄存器１的作用是使能运算放大器，使能或旁路ＡＤＣ模拟抗混迭滤波器，使能或旁路数字ＦＩＲ滤波器，激活软件复位等；控制寄存器２的作用是低功耗模式控制，分频寄存器控制（决定滤波器的时钟频率和取样周期）；控制寄存器３的作用是选择模拟信号自环和数字信号自环，控制连续数据传输模式等；控制寄存器４的作用是控制输入和输出增益（通过控制输入和输出可编程增益放大器来实现）。 ＶＣ５４０２与ＡＭＢＥ－２０００间交换数据以标准串行方式进行。ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ接口在结构上可分为一个数据通道和一个控制通道。数据通道完成数据的发送和接收；控制通道完成通道的选择与控制等功能。在编写串行通信子程序时，采用中断方式。每来一次中断，执行一次数据发送和接收。 ＶＣ５４０２与外界通过ＨＰＩ口连接。ＨＰＩ为８位并行口，通过它可完成ＶＣ５４０２与外部设备的数据交换，可以采用８位并行方式，也可以采用１６位并行方式。ＨＰＩ接口主要通过三个寄存器，包括控制寄存器、数据寄存器和地址寄存器实现数据的搬移，程序编写比较方便。另外作为一种备选方案，也可以通过异步串口，只通过ＸＦ和ＢＩＯ两根线实现与外部设备的数据交换。 ＶＣ５４０２与Ｆｌａｓｈ器件采用外部并行８位ＢＯＯＴ方式进行程序的装载。ＶＣ５４０２提供了多种ＢＯＯＴ方法，包括：并行Ｉ／Ｏ口ＢＯＯＴ、串行口ＢＯＯＴ、ＨＰＩ口ＢＯＯＴ、外部并行ＢＯＯＴ等。这些不同的ＢＯＯＴ方式可以满足用户不同的应用场合。在编写ＢＯＯＴ程序时，需要将ＶＣ５４０２设置为微计算机工作方式（ＭＰ／ＭＣ＼引脚置低）。这样ＤＳＰ复位后，程序就从内部ＲＯＭ开始运行ＢＯＯＴ程序，将存储于Ｆｌａｓｈ器件中的程序搬移至内部ＲＡＭ中执行。 ４ 系统实现 ＡＭＢＥ－２０００的速率设置采用软件方式，由ＶＣ５４０２通过串行接口发送命令字设置。按本设计方案实现了系统在将语音速率设置为２．４ｋｂｐｓ、ＦＥＣ设置为１．２ｋｂｐｓ时，系统能稳定地工作于信道误码率为４％的环境中，而且系统能根据需要很方便地对语音速率和ＦＥＣ速率进行改变，实现变速率语音通信。