數(shù)話同傳控制器的設(shè)計與實現(xiàn)

話音和數(shù)據(jù)同傳有多種方案，這些方案大都先將話音信號數(shù)字化，經(jīng)過壓縮后與外部數(shù)據(jù)一起打包傳輸。主要區(qū)別在于發(fā)送一包話音數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)的占用時間，以及話音數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)在包內(nèi)的分割時長。常見的有兩種方案[1]。一是日本救護車所用的數(shù)話同傳方案，可將病人的身體狀況的檢測數(shù)據(jù)與話音同傳。在這一方案中，以625ms為一個話音壓縮周期，其中187.5ms用于傳送數(shù)據(jù)，437.5ms用于傳送話音，外部數(shù)據(jù)時隙占整個信道時間的30％，數(shù)話同傳時話音延遲約為200ms。另一種是UIC建議的數(shù)話同傳方案。這個方案以1040ms為一個周期，其中260ms用于傳輸數(shù)據(jù)，780ms用于傳輸壓縮話音，數(shù)據(jù)時隙占整個信道的時間為25％。這一方案由于數(shù)據(jù)占用的時間較短，因此可以提供較好的通話質(zhì)量，但話音延遲260ms，在雙工通話時會使人感到不適，數(shù)據(jù)傳輸量也不高。
　　上述兩種方案的話音延遲都較長，同時外部數(shù)據(jù)時隙占信道的時間比較短，發(fā)送數(shù)據(jù)量受到一定的限制，主要用于傳送話音信號。本文在保證傳送話音質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量減小話音延遲，提高外部數(shù)據(jù)分割時長，同時根據(jù)AMBE話音Codec和GMSK Modem的特點，提出了如圖1 所示的數(shù)話同傳方案。

　AMBE話音Codec[2]采用基于MBE(多帶話音激勵)模型的壓縮技術(shù)，已被證明優(yōu)于CELP、MP－MLQ、LPC－10以及其它的壓縮技術(shù)，MOS分達到3.5分，能夠在低至2.0kbps的壓縮速率下保持高質(zhì)量的話音。所以本系統(tǒng)采用2.4kbps的話音壓縮速率時仍然有很好的自然度和可懂性。當單片機查詢到有話音數(shù)據(jù)時，不中斷數(shù)據(jù)的傳輸，而是延遲60ms，單片機再將AMBE話音Codec傳過來的話音數(shù)據(jù)處理后與外部數(shù)據(jù)一起打包發(fā)給Modem，實現(xiàn)數(shù)話同傳。從上述方案中可以看出，話音信號的延遲不會超過120ms，優(yōu)于前兩種方案，能夠很好地滿足實時性的要求；外部數(shù)據(jù)時隙占整個信道時間約為46％，分割時長也比前兩種方案高，此時外部數(shù)據(jù)傳輸率約為4800bps。沒有話音數(shù)據(jù)傳輸時，單片機直接對外部數(shù)據(jù)進行打包傳送，數(shù)據(jù)傳輸率為GMSK Modem的傳輸率，即為9600bps。
1 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理
1.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框如圖2所示。
　　系統(tǒng)以Atmel公司的單片機AT89S52和Altera公司的EPLD芯片EPM7128為主控芯片。AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微處理器，負責(zé)整個系統(tǒng)的絕大多數(shù)工作，內(nèi)部帶有8KB可編程的FLASH存儲器，無需擴展ROM，自帶ISP口，可靈活地進行在系統(tǒng)可編程，可以通過全雙工的標準串口與外部計算機或PLC交換數(shù)據(jù)。EPM7128[3]是Altera公司的MAX7000系列中的一款，具有高阻抗、電可擦寫等特點，可用門單元為2500個，管腳間最大延時為5ns，主要用來實現(xiàn)話音壓縮和解壓縮所需的時序及邏輯控制。話音預(yù)處理和ADC－DAC單元采用MC145480[4]，其內(nèi)集成了300Hz～3400Hz的帶通濾波器、AD和DA轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為8kHz，每個采樣值采用8比特(256個量化級)編碼，可輸出A 律和μ律可選的64kbps的PCM 信號。話音壓縮和解壓縮通過AMBE1000[2]完成，壓縮速率從2.4kbps～9.6kbps，A/μ律可選，具有語音檢測、回聲抑制和休眠等功能[2]。數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)部分的核心器件是無線單片收發(fā)芯片F(xiàn)X909[5]。此芯片采用GMSK調(diào)制解調(diào)方式，頻帶利用率非常高，特別適合在窄帶的數(shù)傳系統(tǒng)中，內(nèi)部硬件實現(xiàn)FEC和CRC算法，同時兼容Mobitex無線廣域網(wǎng)空中接口標準。模擬調(diào)頻電臺將從Modem輸出的GMSK信號經(jīng)過二次調(diào)制到數(shù)傳信道上傳輸，帶寬一般為25kHz，新西蘭大吉公司、美國的MDS公司、日本的建武的模擬臺都可實現(xiàn)此功能。
1.2 系統(tǒng)工作原理
　　在無話音數(shù)據(jù)傳輸時，AT89S52將從串口接收的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)送給Modem，Modem對傳過來的數(shù)據(jù)增加前向糾錯(FEC)、循環(huán)冗余校驗(CRC)位后，按Mobitex標準的數(shù)據(jù)格式進行交織和擾碼處理，再附上比特同步和幀同步字節(jié)后，對數(shù)據(jù)包進行GMSK調(diào)制，輸出音頻的GMSK信號，再由電臺將其調(diào)制到模擬調(diào)頻話音信道上傳送出去。當有話音數(shù)據(jù)傳輸時，模擬話音輸入MC145480，經(jīng)過8kHz 的A律編碼輸出64kbps的PCM信號。經(jīng)過AMBE1000壓縮后，輸出2.4kbps的壓縮話音數(shù)據(jù)，這些話音數(shù)據(jù)經(jīng)單片機AT89S52除包延時處理后與串口接收的外部數(shù)據(jù)一起打包送到調(diào)制解調(diào)模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音的同時傳輸。
　　數(shù)據(jù)接收時，Modem從模擬調(diào)頻電臺讀入音頻信號進行GMSK解調(diào)，經(jīng)檢錯和撤包處理后，將數(shù)據(jù)傳送給AT89S52。單片機經(jīng)過判斷處理后，如果是外部的數(shù)據(jù)，則直接通過串口輸出；如果是話音數(shù)據(jù)，則經(jīng)過處理后送給AMBE1000解壓縮，輸出的PCM信號經(jīng)過A律解碼和DAC，還原成模擬話音信號輸出。
2 軟件設(shè)計及實現(xiàn)
　　整個系統(tǒng)的軟件主要包括三大部分：MC145480和AMBE1000的接口時序的實現(xiàn)、語音壓縮數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)。
2.1 接口時序的實現(xiàn)
　　AMBE1000話音Codec與MC145480的接口關(guān)系[2]如圖3所示。