夏春華
(山西省委黨校,山西太原 030006)
目前在煤礦井下使用的電話系統(tǒng)多為傳統(tǒng)的電話,靈活性差,通信帶寬小,布線不便,維護(hù)復(fù)雜,可擴(kuò)展性較差,不能實現(xiàn)點對多點的實時高質(zhì)量語音通信。隨著煤礦現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展和需要,在保證良好通信質(zhì)量的同時,如何增加語音通信的帶寬,已經(jīng)成為一個研究的熱點和難點。數(shù)字通信系統(tǒng)中,語音編碼技術(shù)是移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ),語音編碼決定了接收的語音質(zhì)量和系統(tǒng)容量[1]。低比特率語音編碼提供了解決該問題的一種方法,在編碼器能夠傳送高質(zhì)量語音的前提下,語音編解碼比特率越低,就可以在一定的帶寬內(nèi)容納更多的語音通道[2-3]。本文根據(jù)煤礦井下語音廣播通信系統(tǒng)的實際需要,設(shè)計了一種基于高壓縮率算法RALCWI(Robust Advanced Low Complexity Waveform Interpolation)的CMX618的低功耗實時點對點,點對多點,以及廣播方式的無主機(jī)語音通信系統(tǒng),該系統(tǒng)控制器采用低功耗STM32F-103RE為主控制器,通信的物理層采用CAN總線方式。
系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示,系統(tǒng)由防爆電源,MIC,前置放大,揚(yáng)聲器,功率放大,語音壓縮解壓,顯示、地址編碼電路,鍵盤電路,微處理器和通信接口組成。防爆電源為整機(jī)提供電源保證;MIC、前置放大、揚(yáng)聲器、功率放大為系統(tǒng)的音頻處理部分;語音壓縮解壓、微處理器、通信接口這三個部分構(gòu)成了系統(tǒng)的核心;顯示地址編碼、鍵盤等電路為輔助部分,使操作更簡潔方便。
圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖
本設(shè)計所使用的語音壓縮解壓芯片為英國CML公司推出的語音編解碼芯片CMX618,能夠以較低的比特率進(jìn)行編解碼處理,并保證較高的語音質(zhì)量。
CMX618是接近長話級的半雙工語音編解碼芯片,通過一種新的數(shù)據(jù)速率算法技術(shù)——RALCWI技術(shù),對語音進(jìn)行編解碼處理。它是一種魯棒的先進(jìn)的復(fù)雜性波形插入技術(shù),與其他語音編解碼技術(shù)不同,它使用獨有的信號分解和參數(shù)編碼方法,可確保在較高的壓縮率下有很好的語音質(zhì)量。在聲碼器中,采用RALCWI技術(shù)實現(xiàn)的語音質(zhì)量與編碼位速率在4 kb/s以上的標(biāo)準(zhǔn)聲碼器話音質(zhì)量基本相符。它的MOS(平均意見得分)處于3.5~3.6之間,而且表現(xiàn)相當(dāng)優(yōu)秀。
RALCWI聲碼器以幀一幀為基礎(chǔ)進(jìn)行傳輸。在8 kHz的采樣速率下,對語音信號進(jìn)行分幀處理,每幀語音包含160個采樣點,形成20 ms的元語音幀。語音編碼器以較高的計時分辨率(8次/幀)進(jìn)行語音分析,對每一個語音段都會生成一系列的評估參數(shù)。然后,使用不同的矢量量化(VQ)方法,這些估算參數(shù)被量化生成41b,48b或55b的幀。這些向量量化值是以多語言語音為基礎(chǔ)進(jìn)行混合編排的,包含了東西方多種語言的語音采樣值。
CMX618具有以下主要特性:長話級音質(zhì)魯棒先進(jìn)的低復(fù)雜性波形插入編碼算法;多種壓縮速率模式則為2 050 b/s,2 400 b/s或者2 750 b/s(帶FEC功能);集成16位A/D和D/A轉(zhuǎn)換器、模擬增益放大器和數(shù)字低通濾波器;數(shù)據(jù)包壓縮時間長度分20 ms,40 ms,60 ms和80 ms;具有 VAD、CNG、STD和DTMF功能;+1.8 V和+3.3 V雙電源供電:采用48引腳LQFP(L4)和48引腳VQFN(Q3)封裝;工作溫度范圍為-40℃~+85℃。
解碼時,可選擇前向糾錯(FEC)解碼器對輸入編碼后的語音位流(216 b/60 ms或288 b/80 ms的數(shù)據(jù)包)進(jìn)行解交織和信道解碼,生成糾錯后的編碼語音位速率為2 050 b/s,2 400 b/s或者2 750 b/s,速率依據(jù)所選的模塊而定。當(dāng)使用FEC解碼器時,可利用“軟決策”方法增強(qiáng)解碼功能,減小誤碼的產(chǎn)生。內(nèi)部含有一個集成的語音壓縮/解壓器(CODEC),實現(xiàn)模擬語音到低位速率編碼的壓縮/解壓過程。芯片大部分功能,均可通過軟件編程的方式,配置內(nèi)部的寄存器來實現(xiàn),簡單方便。具有非連續(xù)發(fā)送檢測(DTX)、舒適噪聲生成器(CNG)、語音激活檢測(VAD)和雙音多頻信號檢測(DTMF)的檢測和產(chǎn)生等輔助功能,使語音性能達(dá)到最佳。
CMX618內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
圖2 CMX618內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖
由圖2可以看出,CMX618主要由音頻壓縮/解壓器(CODEC)、RALCWI編解碼器、前向糾錯編解碼器和其他特殊功能模塊幾部分組成。
編碼時,輸入的模擬語音首先要經(jīng)過音頻壓縮/解壓器(CODEC)模塊,進(jìn)行調(diào)節(jié)增益、A/D轉(zhuǎn)換、濾波和壓縮處理,然后進(jìn)入編碼器中開始編碼。編碼后,如果選擇使用前向糾錯(FEC)功能,則會對編碼進(jìn)行糾 錯處理,盡量消除誤碼。編碼后的語音數(shù)據(jù),按選擇的位速率和幀的結(jié)構(gòu)生成數(shù)據(jù)包,通過C-BUS與微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
解碼是編碼的逆處理過程。C-BUS串行總線傳輸?shù)臄?shù)字語音,進(jìn)入解碼器(可選FEC功能)開始解碼,經(jīng)過解壓、濾波、D/A轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)增益等處理后,就成為可以聽到的模擬語音。在編碼和解碼期間,如果選擇一些輔助功能,例如非連續(xù)發(fā)送檢測(DTX)、語音激活檢測(VAD)或雙音多頻信號檢測(DTMF)時可以通過SPI口來實現(xiàn)。
CMX618的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括模擬和數(shù)字兩部分,如圖1所示。當(dāng)端口CSEL輸入低電平時,即選擇使用外部語音解碼器(CODEC),可通過串行接口SSP與外部器件交換數(shù)據(jù),編碼器和解碼器選擇片外CODEC的數(shù)據(jù)通道,端口EEC和REC輸出分別使能和復(fù)位片外的CODEC;當(dāng)CSEL輸入高電平時,CMX618選用內(nèi)部CODEC模塊,該模塊包括輸入/輸出通道的可編程增益放大器(PGA),16位PCM A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以及通帶頻率為4 kHz的低通濾波器,可有效實現(xiàn)模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號及數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程。主機(jī)通過控制總線C-BUS接口配置內(nèi)部寄存器,實現(xiàn)不同功能;端口SYNC使主機(jī)與CMX618同步;語音壓縮編碼器將源信號壓縮成低比特率的數(shù)據(jù)幀,解碼器把數(shù)據(jù)幀解壓縮,恢復(fù)源信號;如果使用FEC功能,開關(guān)則選擇前向糾錯編碼器和解碼器,兩者加入到數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮過程中:STD/DTMF管理模塊提供語音信號的特殊處理功能,實現(xiàn)單音或雙音檢測,提高語音壓縮和解壓質(zhì)量。
在整個系統(tǒng)中CMX618的電路占據(jù)重要的地位,是整個系統(tǒng)得以實現(xiàn)的關(guān)鍵。圖3為CMX618的具體實現(xiàn)電路。
圖3 CMX618接口電路
由圖3可以看出電路比較簡單,元件較少,需要注意的是MIC為差分信號,在PCB的布線時應(yīng)注意等長走線,另外供電的電源芯片也應(yīng)使用紋波較小的穩(wěn)壓芯片供電,例如LP2985,數(shù)字電源應(yīng)該和模擬電源分開。輸出可以直接驅(qū)動阻抗為32 Ω的揚(yáng)聲器。
壓縮/解壓電路通過C-BUS接口和微控制器相連接,C-BUS與微處理器的SPI口有相似之處,微處理器可以通過SPI口來和CMX618通信,C-BUS的時序圖如圖4所示。
圖4 C-BUS總線時序圖
由圖4可知,C-BUS總線和SPI總線都是同步總線,不同之處是SPI總線在發(fā)送數(shù)據(jù)的同時會收到數(shù)據(jù),而CBUS總線則是先發(fā)命令再進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收,所以我們可以通過SPI口來與CMX618進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,在只發(fā)送命令時只需要把SPI口接收到的數(shù)據(jù)丟棄即可,在接收數(shù)據(jù)時微處理器只需要通過SPI口發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)0XFF收取讀到的數(shù)據(jù)即可。
另外整個系統(tǒng)得以實現(xiàn)的另一個關(guān)鍵是通信接口的設(shè)計,因要實現(xiàn)無主機(jī)的通信,也就是對等的通信,所以選擇CAN總線通信,CAN總線的最大的特點就是各個節(jié)點是對等的,任意節(jié)點都可以進(jìn)行通信的發(fā)起,而且有較完善的防碰撞協(xié)議,通信速率較高,和光纖的轉(zhuǎn)換比較容易,容易構(gòu)建長距離的無主機(jī)通信系統(tǒng)。
軟件的設(shè)計主要包括,顯示、鍵盤、通信、CMX618的讀寫,其中CMX618的讀寫較為關(guān)鍵。CMX618的主要操作有3個,初始化,編碼,解碼,軟件流程圖。
圖5 CMX618初始化流程圖
圖6 CMX618編碼流程圖
圖7 CMX618解碼流程圖
實驗如圖8所示,試驗中,采用的語音通信系統(tǒng)由多臺語音分站構(gòu)成,由于試驗場地等各方面的影響,采用了5臺語音分站來模擬井下的語音通信系統(tǒng)。實驗分為計算機(jī)廣播方式,語音分站主機(jī)呼叫計算機(jī),語音分站呼叫另一個語音分站以及語音分站呼叫多臺語音分站,并分別測試語音的音質(zhì),速率,故障點。
圖8 實驗結(jié)構(gòu)圖
表1 語音通信測試表
從表1可以看出,采用RALCWI的語音通信分站,基本滿足了無主機(jī)通信設(shè)計的要求,以各種形式的通信測試基本成功,音質(zhì)在可以接受的范圍內(nèi),在語音分站呼叫多臺語音分站的試驗中,有故障點出現(xiàn),這是由于語音分站與語音分站之間的總線競爭造成的,系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步的提高。
本設(shè)計經(jīng)過測試實現(xiàn)了無主機(jī)的電話系統(tǒng),語音的壓縮速率模式2 400 b/s時,音質(zhì)較好語音清晰,占用帶寬窄,系統(tǒng)穩(wěn)定,可靠性高,抗干擾能力強(qiáng),有效地解決了電話系統(tǒng)布線的困難。系統(tǒng)可擴(kuò)展性較強(qiáng),通過聯(lián)網(wǎng)和計算機(jī)的控制可以較容易地實現(xiàn)原來電話系統(tǒng)較難實現(xiàn)的功能,易于在煤礦系統(tǒng)中推廣。
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