基于客戶端DSP的數(shù)字電話系統(tǒng)

引 言

目前，模擬電話機(jī)產(chǎn)品占據(jù)電話終端的主導(dǎo)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(zhì)量好等優(yōu)點。模擬電話機(jī)向數(shù)字電話機(jī)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(cè)信號處理芯片，實現(xiàn)對語音信號的采集和輸出、調(diào)制和解調(diào)、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(diào)整(agc)、自動功率調(diào)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(yīng)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(wù)。

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(nèi)部具有dsp芯片通用的緩沖串口、hpi接口、定時器等片內(nèi)外設(shè)，還具有和客戶端相關(guān)的直接訪問設(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

daa由兩部分組成：一是dsp片內(nèi)設(shè)備，另一個是與其匹配的片外設(shè)備。daa的片內(nèi)設(shè)備是集成在dsp內(nèi)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(jìn)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(jìn)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(fù)位信號。該信號可以隨時復(fù)位si3021模塊，如圖1中的daareset。daareset不是一個實際的引腳，而是dsp內(nèi)部寄存器中的一位，只能通過軟件來復(fù)位si3021模塊。

daa的片外設(shè)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(nèi)部寄存器全部直接映射到dsp內(nèi)部。通過對dsp內(nèi)部寄存器的讀寫控制，daa片內(nèi)設(shè)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(cè)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(jī)時，為了降低整機(jī)的功耗，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，si3016通過cib引腳從dsp，取電，摘機(jī)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(jī)時需要的電壓只要1v左右就可以了，而摘機(jī)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(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)由dsp、si3016、音頻ad／da、液晶、鍵盤以及flash組成，硬件結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)變成數(shù)字語音信號；音頻da將數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)換成模擬語音信號，輸出到耳機(jī)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(diào)用；jtag是dsp的仿真接口。dsp還提供hpi口。該接口可與計算機(jī)連接；可收發(fā)計算機(jī)的數(shù)據(jù)文件；將系統(tǒng)的功能進(jìn)一步擴(kuò)展，可輕易地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。軟件結(jié)構(gòu)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(shè)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(dá)。其中包括摘機(jī)中斷、掛機(jī)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(diào)用各個相應(yīng)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(jī)中斷具有最高優(yōu)先權(quán)，只要發(fā)生掛機(jī)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(jī)中斷和對方狀態(tài)，一旦自身掛機(jī)或者對方掛機(jī)，將馬上中止通信過程。

系統(tǒng)上電后，總是檢測有無中斷產(chǎn)生。中斷包括摘機(jī)中斷、振鈴中斷、鍵盤中斷和顯示定時中斷。中斷產(chǎn)生，系統(tǒng)將進(jìn)入相應(yīng)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(yuǎn)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(jìn)行自適應(yīng)減法運算，從而將回音從混合信號中去除。圖中虛線框內(nèi)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(diào)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(dá)到最佳的語音質(zhì)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(diào)整。信號中的直流分量也可以通過預(yù)估均值去除，從而進(jìn)一步提高語音質(zhì)量。

結(jié)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(yīng)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(wù)。