基于PCM編碼的話音數(shù)字合成系統(tǒng)的研究

張樂鵬 周云龍

（中兵通信科技股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

基于PCM編碼的話音數(shù)字合成系統(tǒng)的研究

張樂鵬 周云龍

（中兵通信科技股份有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453000）

在話音通信中，會出現(xiàn)多個(gè)音頻源同時(shí)發(fā)聲的情景。如何合成多個(gè)音頻源，并將其正確發(fā)送及接收是個(gè)難點(diǎn)。在本系統(tǒng)中，話音采樣基于PCM編解碼芯片TLV320、話音合成采用單片機(jī)C8051F020、話音數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收采用RS485總線，解決了上述問題。

音頻合成；PCM編碼；單片機(jī)C8051F020；RS485接口

在話音通信中，點(diǎn)對點(diǎn)通信方式比較常見，但是當(dāng)多個(gè)音頻源同時(shí)發(fā)聲時(shí)，如果處理不當(dāng)，音頻輸出會是噪音，無法分辨多人話音。而且多個(gè)音頻源如何在RS485總線中傳輸，也是個(gè)難點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，解決了上述問題，達(dá)到了系統(tǒng)要求。

1. 系統(tǒng)介紹

基于PCM編碼的話音數(shù)字合成系統(tǒng)是采用微處理器和話音數(shù)字化技術(shù)，再通過RS485總線進(jìn)行傳輸?shù)囊环N數(shù)字化話音系統(tǒng)，原理框圖如圖1所示。

在話音數(shù)字合成系統(tǒng)中，多個(gè)音頻節(jié)點(diǎn)采用RS485總線方式連接，進(jìn)行話音數(shù)據(jù)的傳輸。單元內(nèi)部框圖如圖2所示。

音頻單元由微處理器C8051F020、話音數(shù)字化電路TLV230、RS485接口電路、話音降噪處理模塊及混放模塊及話筒和揚(yáng)聲器等組成。

圖1　話音數(shù)字合成系統(tǒng)原理框圖

微處理器C8051F020芯片，最高支持25MHz時(shí)鐘，包括64kFLASH、4kSRAM和豐富的外部接口，能夠滿足系統(tǒng)要求；話音編解碼芯片采用TI公司的TLV320AC系列芯片，采用μ率壓縮編碼的方式生成PCM碼流；RS-485電平轉(zhuǎn)換芯片采用MAX485，最高支持32個(gè)單元的通信；話音降噪模塊實(shí)現(xiàn)輸入話音波形的平滑和幅度調(diào)節(jié)；混放模塊實(shí)現(xiàn)輸出話音的驅(qū)動(dòng)，匹配揚(yáng)聲器輸出。

2. PCM簡介

圖2　音頻單元原理框圖

PCM編碼通常由抽樣、量化、編碼3部分組成。其中量化和編碼溝通完成模擬到數(shù)字（A/D變換）功能。信源經(jīng)脈沖序列抽樣產(chǎn)生零階抽樣保持信號，它是PAM信號，具有離散時(shí)間，連續(xù)幅度。量化過程就是將此信號轉(zhuǎn)換成離散時(shí)間，離散幅度的多電平數(shù)字信號。編碼后的PCM信號經(jīng)過解碼、模擬轉(zhuǎn)換（D/A轉(zhuǎn)換），在經(jīng)過低通補(bǔ)償濾波器即可重建原信號。

PCM編碼分為A率PCM編碼和μ率PCM編碼。μ率編碼與A率編碼相比，對于小信號的處理信噪比更高，話音更清晰。μ率編碼函數(shù)如公式（1）所示。

其中：x為歸一化的量化器輸入，y為歸一化的量化器輸出。常數(shù)μ愈大，則小信號的壓擴(kuò)效益愈高，目前多采用μ=255。μ律壓縮曲線是連續(xù)曲線。μ值不同，壓縮特性也不同。255/15律折線壓縮方式是將μ律曲線分16段做弦，當(dāng)相鄰折線段的段距比值為2時(shí)，可以很好地逼近μ＝255的μ律壓縮曲線的特性。實(shí)際上由于在原點(diǎn)兩側(cè)的第一條折線都通過原點(diǎn)，斜率相同而對稱，所以合成了一條折線，因而實(shí)際上總共只有15條折線。因此，這種折線壓縮律就稱為μ255/15折線壓縮律。

本系統(tǒng)采用μ率PCM編碼方式進(jìn)行話音編碼。

3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1RS485總線實(shí)現(xiàn)

在話音數(shù)字合成系統(tǒng)中，多個(gè)音頻節(jié)點(diǎn)采用RS485總線方式連接，進(jìn)行話音數(shù)據(jù)的傳輸。本系統(tǒng)連接5個(gè)單元，最大可支持8個(gè)單元的實(shí)時(shí)語音通信。RS485總線采用主從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分時(shí)處理數(shù)據(jù)，每一個(gè)單元都有唯一的ID，只有在本單元ID的時(shí)間區(qū)間才可以對總線進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)操作。RS485總線通信協(xié)議采用9位數(shù)據(jù)傳輸，沒有校驗(yàn)位，1位停止位。

主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包括控制指令（各單元ID）和話音數(shù)據(jù)?？刂浦噶畹诰盼粸?，后8bit為各個(gè)單元ID；話音數(shù)據(jù)第九位為0，后8bit為PCM話音數(shù)據(jù)。主機(jī)周期性的發(fā)送控制指令，各單元接收到自己ID指令之后才可以將話音數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上。其他單元只需要在對應(yīng)時(shí)隙將自己的話音數(shù)據(jù)送入總線即可。各單元根據(jù)自己的狀態(tài)選擇需要的話音數(shù)據(jù)接收處理，還原為模擬語音信號。

3.2話音合成實(shí)現(xiàn)

模擬話音信號經(jīng)過PCM編解碼芯片送往處理器的是PCM數(shù)據(jù)流，接收到的數(shù)據(jù)流無法直接進(jìn)行數(shù)值上的加減合成，必須經(jīng)過處理器解碼為可直接處理的數(shù)據(jù)。要將PCM數(shù)據(jù)解碼就必須知道PCM數(shù)據(jù)是如何編碼的。

一個(gè)8比特μ=255的碼子由1個(gè)符號比特，一個(gè)3比特段代碼和一個(gè)4比特電平量化值串聯(lián)而成。在發(fā)送之前，所有比特是取反的，所以，一個(gè)正數(shù)由帶“1”的符號比特。在決定輸入是哪一段之前，原始整數(shù)的符號先不考慮，一個(gè)偏移量33加到該數(shù)的絕對值上。偏移量限制最大的輸入為8159，并減少最小步長至2/815。偏移量簡化了每一段兩個(gè)短點(diǎn)的計(jì)算。尋找所在段代碼是借助于檢測偏移輸入模值的最有效“1”的位置，而量化值就是跟在它后面的4個(gè)比特。從線性到μ率壓縮轉(zhuǎn)換見表1，壓縮后的碼子組成：比特0-3表示量化值，比特4-6表示段值，壓縮后的碼子符號放在比特7。μ率編碼數(shù)據(jù)與線性數(shù)據(jù)的關(guān)系見表1。

表1　 μ律二進(jìn)制編碼圖表

4. 試驗(yàn)結(jié)果

將音頻從節(jié)點(diǎn)1輸入信號為1K正弦波，峰值為1V；音頻從節(jié)點(diǎn)2輸入的波形為2K正弦波；經(jīng)過疊加處理的數(shù)據(jù)送回給音頻主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行話音解碼輸出，其波形如圖3所示。

如圖3所示可知將處理器可以PCM的μ率編碼數(shù)據(jù)和線性編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且完成了話音的數(shù)字疊加。但是，這種方式的數(shù)字疊加會對信號由一定程度的失真，并且疊加處理的話音越多，失真越大。

圖3　疊加后的波形

結(jié)語

通過上述分析，可以看出通過PCM的μ率編碼數(shù)據(jù)和線性編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成了話音的數(shù)字合成，解決了話音合成難題；通過RS485總線的分時(shí)編碼，解決了多節(jié)點(diǎn)總線傳輸難題；經(jīng)過試驗(yàn)及測試，達(dá)到了系統(tǒng)指標(biāo)要求。目前該系統(tǒng)已經(jīng)批量生產(chǎn)，大量應(yīng)用于市場，性能穩(wěn)定可靠。

[1]毛京麗，石方文.數(shù)字通信原理（第三版）[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[2]馮子林，俞建新. RS485總線通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程，2012（10）：18.

[3]陸存樂.采用準(zhǔn)瞬時(shí)壓擴(kuò)的PCM編碼新技術(shù)[J].軍事通信技術(shù)，1985（4）：30-31.

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