一種小型化聲碼器設(shè)計

苑鵬雁,劉承禹

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.二炮裝備研究院,北京100085)

0 引言

在數(shù)字通信系統(tǒng)中接入話音是很常見的,有時由于業(yè)務(wù)需求還要接入多路話音。在實際的應(yīng)用系統(tǒng)中設(shè)備的體積受限,即便是多路話音的接入也不能將設(shè)備的體積成倍地增大。數(shù)字通信系統(tǒng)中話音的傳輸質(zhì)量一定要做到清晰,而且不能因為傳輸話音而影響其他數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸,所以傳輸話音的同時需要考慮到電磁兼容性的問題。如果從工程應(yīng)用的角度考慮,還要考慮到設(shè)備的功耗、小型化等問題。鑒于綜上原因該設(shè)計給出了一種小型化聲碼器的設(shè)計方案。

1 方案設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

該小型化聲碼器基本組成框圖如圖1所示。微控制器(CPU)選用電路C8051F043,雙音多頻檢測及信令音產(chǎn)生單元選用數(shù)字信號處理器(DSP)TMS320VC5509,時序控制單元選用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA),供電單元選用變壓器 LT1764EQ、LT1764EQ-2.5、LT1764EQ-3.3。供電單元使用單+5 V供電,電話機(jī)需要的-48 V/-24 V饋電和～75 V的鈴流由話音接口單元內(nèi)部實現(xiàn)。

圖1 聲碼器組成框圖

1.2 軟件設(shè)計

聲碼器的軟件設(shè)計主要是電話呼叫過程的建立與釋放,軟件應(yīng)按照呼叫接續(xù)過程完成如下各階段的處理：檢測電話摘機(jī)、發(fā)送撥號音、接收號碼、號碼分析、呼叫被叫用戶、被叫振鈴應(yīng)答與切斷通話。

①檢測電話摘機(jī)：話音接口單元接入的所有話音,其摘掛機(jī)狀態(tài)通過FPGA去抖后讀進(jìn)CPU,當(dāng)CPU讀進(jìn)的狀態(tài)值等于摘機(jī)條件時確定電話(主叫)摘機(jī);

②發(fā)送撥號音：檢測到電話摘機(jī)后連接相應(yīng)的信號音源給當(dāng)前話路所在的時隙,送出撥號音;

③接收號碼：用戶聽到撥號音后開始撥號,DSP中相應(yīng)的收號器將收到的號碼通過串行接口送給CPU,并在收到第一位號碼時停送撥號音;

④號碼分析：CPU收完全部號碼后進(jìn)行內(nèi)部分析處理,是非法號碼則放棄此次呼叫并給主叫話機(jī)送出忙音;

⑤呼叫被叫用戶：號碼分析合法后如果被叫空閑則被叫振鈴、主叫送回鈴音,如果被叫占用則主叫送忙音;

⑥被叫振鈴應(yīng)答：被叫用戶聽到振鈴并摘機(jī)應(yīng)答后,呼叫的雙方通話;

⑦切斷通話：無論主叫先掛機(jī)還是被叫先掛機(jī),CPU檢測到電話掛機(jī)后給另一方未掛機(jī)用戶送出忙音,掛機(jī)端清除狀態(tài)釋放資源。

電話呼叫主叫流程如圖2所示,被叫流程如圖3所示。話音處理的主被叫流程看似簡單,但異常處理情況多、程序分支繁雜,這里由于篇幅有限并沒有列出。

圖2 電話呼叫主叫流程圖

圖3 電話呼叫被叫流程圖

2 需解決的問題

2.1 簡化供電種類

傳統(tǒng)設(shè)計的話音接口單元供電方案通常是電源輸入端要提供+5 V、-5 V、-48 V/-24 V、～75 V電源,該設(shè)計只需外部提供+5 V電源,話音接口單元內(nèi)置饋電電源和鈴流源產(chǎn)生-48 V/-24 V饋電電源和～75 V鈴流電源。

2.2 減小設(shè)備體積

話音接口單元從接口類型上可以分為用戶接口和中繼接口2種。在實際應(yīng)用時,對外接口由于用戶需求的不同而要求的接口類型也會不同,所以話音接口單元設(shè)計成同一個槽位就可以安裝用戶接口,也可以安裝中繼接口。這樣既減小了設(shè)備的體積,又增加了設(shè)備的功能。

2.3 雙音多頻檢測及信令音產(chǎn)生

CPU通過串口通信向雙音多頻檢測及信令音產(chǎn)生單元的DSP發(fā)送控制命令,DSP根據(jù)CPU命令選擇相應(yīng)的音頻信號檢測器,對從同步串口收到的PCM音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,進(jìn)行頻譜分析、能量判決,產(chǎn)生音頻信號報告;選擇音頻信號發(fā)生器,產(chǎn)生相應(yīng)的雙音多頻信號或信令音。

3 關(guān)鍵技術(shù)

該方案的核心是話音接口單元,可分為用戶接口和中級接口2種類型。

3.1 用戶接口

用戶接口主要功能為恒流饋電、饋電/饋鈴自動切換、自動截鈴、倒極、摘掛機(jī)檢測、二/四線變換、PCM編解碼和瞬態(tài)過壓保護(hù),其組成如圖4所示。保護(hù)電路的T、R端連接電話線;摘掛機(jī)檢測輸出的指示信號摘掛機(jī)檢測 1(SHK1)、摘掛機(jī)檢測 2(SHK2)組合出摘掛機(jī)狀態(tài)為00摘機(jī)、11掛機(jī);PCM編解碼的DX為PCM編碼輸出,DR為PCM編碼輸入,FS為8 kHz時隙輸入,MC為2 MHz時鐘輸入;倒極發(fā)鈴電路的輸入FR用以倒極控制,0正極、1反極;升壓/恒流電路的RC端用于饋鈴饋電控制輸入,1振鈴、0饋電。

圖4 用戶接口組成框圖

3.2 中繼接口

中繼接口組成如圖5所示。其主要功能為模擬摘掛機(jī)及其控制、鈴流檢測、極性檢測、二/四變換、PCM編解碼和掛機(jī)接收傳輸。

圖5 中繼接口組成框圖

中繼接口的相關(guān)信號T、R、FR、MC、控制開關(guān)的輸入RC是模擬摘掛機(jī)控制,1模擬摘機(jī),0模擬掛機(jī),要求輸入最小高電平大于2.4 V,最大低電平小于0.4 V;鈴流與極性檢測輸出的SHK1、SHK2組合出各種狀態(tài)為00振鈴、11掛機(jī)、01正極摘機(jī)以及10反極摘機(jī)。

4 性能測試結(jié)果分析

聲碼器最基本的評價方法是主觀評價法,它利用收聽人的收聽意見來對系統(tǒng)的性能作出評判的。

由于該設(shè)計采用的是用PCM編解碼方式實現(xiàn)模擬話音的數(shù)字化,編碼速率為64 kbps,所以仍能保持較好的話音自然度和很高的可懂度。但在信道帶寬受限的情況下,尤其是在衛(wèi)星通信的應(yīng)用中,要充分利用信道帶寬,盡量做到多種業(yè)務(wù)同時傳輸,64 kbps的編碼速率占用相當(dāng)寬的帶寬是該聲碼器的缺陷,它無法在窄帶信道傳輸。所以在不同傳輸需求的情況下,在該小型化聲碼器的后端增加一級語音壓縮功能,就可實現(xiàn)在窄帶信道中傳輸1路或多路話音,解決該設(shè)計的缺陷。

5 結(jié)束語

該聲碼器的設(shè)計由于做到了小型化,所以多路聲碼器的印制板尺寸也都明顯縮小,使多路話音通信更易靈活實現(xiàn);同時該小型化聲碼器減輕了所在系統(tǒng)對電源設(shè)計的壓力,提高了系統(tǒng)的可靠性。

該方案也可用于交換機(jī)、調(diào)度機(jī)、語音卡、無線公話系統(tǒng)、語音網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)以及其他環(huán)路終端等的設(shè)計。

[1]張曙光,李茂長.電話通信網(wǎng)與交換技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社,2002.

[2]劉振霞,馬志強(qiáng),錢淵.程控數(shù)字交換技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2007.