基于客戶端DSP的數(shù)字電話系統(tǒng)

目前，模擬電話機產品占據(jù)電話終端的主導地位，但模擬電話只能傳輸語音信號；而數(shù)字電話具有高保密、可存儲、信號質量好等優(yōu)點。模擬電話機向數(shù)字電話機的過渡是電話終端發(fā)展的必然。本文研制出以美國TI公司的客戶端數(shù)字信號處理器(DSP)為核心的數(shù)字電話系統(tǒng)，配置音頻AD和DA以及電話線側信號處理芯片，實現(xiàn)對語音信號的采集和輸出、調制和解調、處理和存儲等功能。語音信號的處理包括回音相消、自動增益調整(AGC)、自動功率調整(APC)以及數(shù)字濾波等功能。該系統(tǒng)具有數(shù)字化、小型化和價格低的特點，可以應用于各種保密場合、強噪聲現(xiàn)場通信以及各種數(shù)據(jù)業(yè)務。

1 客戶端處理芯片

系統(tǒng)的客戶端處理采用TMS320C54CST和SI3016芯片實現(xiàn)。TMS320C54CST是美國TI公司最近推出的一款客戶端數(shù)字信號處理芯片，完全兼容TI公司的C54系列DSP。C54CST內部具有DSP芯片通用的緩沖串口、HPI接口、定時器等片內外設，還具有和客戶端相關的直接訪問設備(DAA)單元。DAA實際上是一個電話終端數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊提供一個可編程的接口電路，該接口電路可以直接與全球的電話線連接。DAA的內部結構如圖1所示。

DAA由兩部分組成：一是DSP片內設備，另一個是與其匹配的片外設備。DAA的片內設備是集成在DSP內部的SI3021模塊。該模塊和Silicon公司的SI3021芯片的功能完全相同。DSP同SI3021模塊之間通過緩沖串口2進行通信；DSP提供時鐘信號到SI3021模塊。為了與電話時鐘兼容，該時鐘信號只能是58.9824MHz或者117.9648 MHz。SI3021模塊對此時鐘進行分頻，得到串口通信的位同步時鐘和幀同步時鐘，再將這些時鐘信號返回到DSP。DSP為被動接收方。用戶惟一可以直接控制SI3021模塊的是DAA的復位信號。該信號可以隨時復位SI3021模塊，如圖1中的DAARESET。DAARESET不是一個實際的引腳，而是DSP內部寄存器中的一位，只能通過軟件來復位SI3021模塊。

DAA的片外設備選擇Silicon公司的SI3016芯片。SI3016和DSP之間只有一根信號線通過匹配阻容連接。SI3016的內部寄存器全部直接映射到DSP內部。通過對DSP內部寄存器的讀寫控制，DAA片內設備SI3021自動將這些寄存器的值寫入SI3016或者從SI3016中讀出。SI3016和電話線側的連接如圖2所示。

圖2中，右下方的RING和TIP是兩根電話線，通過4個二極管組成的無級性電壓變換，最后通過三極管連接到SI3016的DC1引腳，提供電源到SI3016。但待機時，為了降低整機的功耗，三極管處于截止狀態(tài)，SI3016通過CIB引腳從DSP，取電，摘機時，DSP控制寄存器將SI3016的QB引腳置高，打開三極管，此時SI3016將從兩根電話線上取電。這是因為，待機時需要的電壓只要1V左右就可以了，而摘機后的電壓需要6V左右。SI3016的RNG1和RNG2引腳用于檢測振鈴信號，RX和Tx引腳用于數(shù)據(jù)的收發(fā)，IGND引腳是一個虛擬的“地”，和真實的“地”使用150pF的電容隔開。

2 系統(tǒng)硬件結構

整個系統(tǒng)由DSP、SI3016、音頻AD／DA、液晶、鍵盤以及Flash組成，硬件結構如圖3所示。圖3中，DSP是核心控制單元；音頻AD用于采集話筒的模擬語音信號，轉變成數(shù)字語音信號；音頻DA將數(shù)字語音信號轉換成模擬語音信號，輸出到耳機或者音箱。音頻AD和DA的前端與后端都有放大和濾波電路。一般情況下，音頻AD和DA集成到一個芯片上。本系統(tǒng)中使用了TI公司的TLV320AIC10。

SI3016用于收發(fā)電話線上的信號；鍵盤用于撥號和控制；液晶顯示來電號碼、撥出電話號碼以及時間等信息；Flash保存DSP所需要的程序，供DSP上電調用；JTAG是DSP的仿真接口。DSP還提供HPI口。該接口可與計算機連接；可收發(fā)計算機的數(shù)據(jù)文件；將系統(tǒng)的功能進一步擴展，可輕易地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)業(yè)務。

3 系統(tǒng)軟件結構

系統(tǒng)的軟件結構如圖4所示。軟件結構中的初始化模塊包括系統(tǒng)的初始化、鍵盤監(jiān)控的初始化、液晶顯示的初始化、通信模塊的初始化。在初始化過程中，設置鍵盤掃描時間、采樣頻率、顯示狀態(tài)等。

監(jiān)控模塊隨時判斷各種中斷是否到達。其中包括摘機中斷、掛機中斷、振鈴中斷、鍵盤中斷、液晶顯示定時中斷等。監(jiān)控模塊程序完成查詢以上工作并調用各個相應的處理子程序。

系統(tǒng)的程序流程如圖5所示。在整個程序中，掛機中斷具有最高優(yōu)先權，只要發(fā)生掛機中斷，程序都將返回到監(jiān)控狀態(tài)。尤其是在通話過程中，隨時監(jiān)測掛機中斷和對方狀態(tài)，一旦自身掛機或者對方掛機，將馬上中止通信過程。

系統(tǒng)上電后，總是檢測有無中斷產生。中斷包括摘機中斷、振鈴中斷、鍵盤中斷和顯示定時中斷。中斷產生，系統(tǒng)將進入相應的中斷處理程序。

4 信號處理算法

信號處理算法主要包括回音相消、自動增益控制、數(shù)字濾波等。

(1)回音相消

回音相消處理過程如圖6所示?；匾糁饕峭ㄟ^對不同端的信號采集，得到遠端回音信號，作為回音的參考信號；而帶有回音的混合信號和參考信號進行自適應減法運算，從而將回音從混合信號中去除。圖中虛線框內為回音處理算法。

(2)自動增益控制

語音在采集和傳輸過程中，由于語音源的差異、信道的衰減以及噪聲的干擾，使得信號的幅度相差較大，從而需要自動增益控制。模擬信號中一般很難實現(xiàn)自動增益，而數(shù)字電話通過對數(shù)字信號幅度的估計，調整信號增益參數(shù)，均可以保證在任何情況輸出最大幅度，達到最佳的語音質量。

(3)數(shù)字濾波

輸入和輸出的模擬信號都經(jīng)過一個具有線性相位的FIR帶通濾波器。根據(jù)語音信號的特點，濾波器的通帶在300Hz～3kHz，阻帶衰減為-60dB。根據(jù)實際情況，濾波器的各種參數(shù)可以通過軟件調整。信號中的直流分量也可以通過預估均值去除，從而進一步提高語音質量。

結語

經(jīng)實際驗證，基于客戶端DSP的數(shù)字電話系統(tǒng)運行可靠，是一種比較好的數(shù)字電話的解決方案。該系統(tǒng)可以應用于各種保密場合、強噪聲現(xiàn)場通信以及各種數(shù)據(jù)業(yè)務。