基于DSP的音頻信令處理模塊實(shí)現(xiàn)

張迎春，倪永婧

(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.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050000)

0 引言

在數(shù)字通信系統(tǒng)中接入話音是很常見的，話音通信的進(jìn)程不同，通信系統(tǒng)中就需要產(chǎn)生不同的信令音。信令音的產(chǎn)生是話音通信不可缺少的一部分，信令音能使話音通信的操作員清楚地了解到通信的進(jìn)展情況，從而根據(jù)通信進(jìn)展的各個(gè)不同階段而做出不同的操作。

在程控交換機(jī)、話音郵政等通信設(shè)備中，信令音的產(chǎn)生也是一個(gè)獨(dú)立且必須的功能組成部分。目前數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的發(fā)展使開發(fā)者能快速、準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法，這就使基于DSP的音頻信令處理模塊得以實(shí)現(xiàn)。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

基于DSP的音頻信令處理模塊作為一個(gè)獨(dú)立的插件，其基本組成框圖如圖1所示。

圖1 音頻信令處理模塊組成框圖

該模塊主要完成音頻信令的檢測及產(chǎn)生，硬件實(shí)現(xiàn)簡單，其基本組成框圖如圖1所示。DSP選用電路 TMS320VC5509，復(fù)位管理電路選用IMP809SEUR，電源管理電路選用TPS72116DBVT。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

音頻信令處理模塊的軟件流程如圖2所示。

圖2 音頻信令處理流程圖

該軟件是以模塊化的方式實(shí)現(xiàn)，主要包括初始化模塊、音頻處理模塊、HPI收發(fā)模塊以及McBSPs收發(fā)模塊。各模塊主要功能如下:

①初始化模塊:系統(tǒng)加電初始化、自檢;

②音頻處理模塊:根據(jù)控制接口收到的命令選擇相應(yīng)的音頻信號(hào)檢測器，對(duì)從多通道緩沖型串行接口(McBSPs)收到的PCM音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波、頻譜分析及能量判決，產(chǎn)生音頻信號(hào)報(bào)告;選擇音頻信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生相應(yīng)的音頻信號(hào);

③McBSPs收發(fā)模塊:完成PCM音頻數(shù)據(jù)流接收和發(fā)送;

④HPI收發(fā)模塊:完成所在系統(tǒng)的控制器單元與音頻處理單元之間的消息接收和發(fā)送。

2 需解決的問題

2.1 音頻信令檢測器

由于音頻信令處理模塊接收與處理的數(shù)據(jù)流是8 kHz采樣的A律編碼的2 Mbps的PCM數(shù)字碼流，因此整個(gè)識(shí)別過程就是A律解碼、數(shù)字濾波及雙音多頻/信號(hào)音譯碼。

2.1.1 A 律解碼

A律解碼是將A律13折線非線性碼線性化。對(duì)于8 bit的A律碼(a1a2a3a4a5a6a7a8)2，其解碼算法如下:判斷a1之值，確定符號(hào);取出a1a2a3，乘以相應(yīng)段落碼起始值得x1;取出a4a5a6a7，乘以相應(yīng)段內(nèi)階梯得x2;將x1與x2相加，并依據(jù)之前所得符號(hào)性質(zhì)進(jìn)行修正，就恢復(fù)出了線性碼。

2.1.2 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波是識(shí)別雙音多頻/信號(hào)音譯碼的核心部分，采用Goertzel算法，其推導(dǎo)如下:

令:

按照該式的變形可以推導(dǎo)出系統(tǒng)函數(shù)的二階遞歸計(jì)算流圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)函數(shù)的二階遞歸計(jì)算流圖

式中，n=0，1，…，N － 1 ，

由于系數(shù)是實(shí)數(shù)，而 －1可以由減法代乘法，所以實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)極點(diǎn)只要2次乘法和4次加法。又由于只要求系統(tǒng)所處狀態(tài)能使yk［N］為可計(jì)算的，所以實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)要求的與－WkN相乘的運(yùn)算不必每步都作，而只要在第N步作一回即可。所以總的計(jì)算量為2N次實(shí)數(shù)乘法與4N次實(shí)數(shù)加法，比起式(4)直接記算的方法效率提高1倍。

2.1.3 雙音多頻/信號(hào)音譯碼

信號(hào)音有 450 Hz、1 100 Hz、2 100 Hz可能出現(xiàn)的頻率點(diǎn)，檢測時(shí)用上述算法依次檢測信號(hào)中這3個(gè)頻率分量的幅值，選擇一定的門限對(duì)單音所在頻帶能量進(jìn)行判斷，如果超過門限即判其為單音。

雙音多頻信號(hào)中有8個(gè)可能出現(xiàn)的頻率點(diǎn)，每次檢測時(shí)用上述算法依次檢測信號(hào)中這8個(gè)頻率分量的幅值，并根據(jù)其大小判斷信號(hào)存在的2個(gè)頻率分量，進(jìn)行查表就可以完成譯碼。

2.2 音頻信令發(fā)生器

2.2.1 雙音多頻發(fā)生器

雙音多頻(DTMF)發(fā)生器主要是通過2個(gè)可編程的二階數(shù)字正弦振蕩器組成，其中一個(gè)是行振蕩器，另一個(gè)是列振蕩器，這樣的2個(gè)振蕩器就代替了8個(gè)振蕩器。對(duì)于每個(gè)DTMF數(shù)字編碼，只要給2個(gè)振蕩器賦予相應(yīng)的系數(shù)和初始條件，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，通過8 kHz采樣輸出。

2.2.2 信號(hào)音發(fā)生器

信號(hào)音的產(chǎn)生依賴于正弦信號(hào)的產(chǎn)生，每一個(gè)音頻信號(hào)的產(chǎn)生都可由二階正弦波數(shù)字振蕩器完成。為適應(yīng)不同頻率的單音的產(chǎn)生，信號(hào)音發(fā)生器設(shè)計(jì)為一個(gè)可編程數(shù)字正弦振蕩器，根據(jù)所要產(chǎn)生的信號(hào)音，賦予合適的系數(shù)和初始條件，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，通過8 kHz采樣輸出。

2.2.3 2FSK 發(fā)生器

2FSK發(fā)生器主要是通過2個(gè)可編程的數(shù)字正弦振蕩器組成，賦予相應(yīng)的系數(shù)和初始條件，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，通過8 kHz采樣，根據(jù)調(diào)制數(shù)據(jù)“1”、“0”，接通相應(yīng)的正弦振蕩器輸出。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字信號(hào)處理器配置

數(shù)字信號(hào)處理器外接10 MHz的晶振，通過配置時(shí)鐘模式選擇管腳配置成10倍的倍頻，提高軟件的運(yùn)算速度。

模擬的音頻信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)的A/D變換模塊后變成數(shù)字信號(hào)，音頻信令模塊接收該數(shù)字信號(hào)經(jīng)DSP處理后把運(yùn)算解碼后的結(jié)果通McBSPs送給D/A變換模塊，再把變換后的音頻信號(hào)送給音頻設(shè)備。該設(shè)計(jì)只使用第1路McBSPs，McBSPs硬件工作條件是:

①串口接收時(shí)鐘(BCLKR0)、串口發(fā)送時(shí)鐘(BCLKX0)配置成輸入方式，時(shí)鐘頻率為2.048 MHz;

②接收幀同步脈沖(BFSR0)、發(fā)送幀同步脈沖(BFSX0)頻率為8 kHz;

③McBSPs在BCLKR0的下降沿對(duì)串口輸入數(shù)據(jù)(BDR0)進(jìn)行采集，在BCLKX0的上升沿輸出數(shù)據(jù)(BDX0);

④McBSPs工作在中斷方式。

3.2 McBSPs采樣時(shí)序

McBSPs接口的各管腳邏輯必須嚴(yán)格遵循一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系才可以做到無誤碼地接收和發(fā)送PCM音頻數(shù)據(jù)碼流，從而才可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)音頻信令檢測和DTMF檢測。

與音頻信令檢測模塊連接的音頻PCM編解碼設(shè)備遵循的采用時(shí)序也要與音頻信令檢測模塊McBSPs接口的采用時(shí)序相同。

4 結(jié)束語

基于DSP的音頻信令處理模塊能產(chǎn)生滿足YDN065-1997《郵電部電話交換設(shè)備總技術(shù)規(guī)范書》標(biāo)準(zhǔn)的信令音，同時(shí)能對(duì)滿足該標(biāo)準(zhǔn)的DTMF和信令音進(jìn)行檢測。

在實(shí)際的話音應(yīng)用系統(tǒng)中，有時(shí)電話交換設(shè)備產(chǎn)生的信令音的頻率有偏差，只需對(duì)該設(shè)計(jì)中DSP的軟件算法的參數(shù)進(jìn)行修改即可實(shí)現(xiàn)。

該模塊體積小，只需以單排插針即可接入應(yīng)用的目標(biāo)系統(tǒng)，使用非常方便。

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