數(shù)字對講機中語音編碼的研究與DSP實現(xiàn)

熊 堃， 陳向東， 葛 林

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，數(shù)字對講機一直是通信業(yè)內(nèi)發(fā)展的熱點，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，在許多工業(yè)生產(chǎn)與商業(yè)活動中體現(xiàn)著其不可替代的優(yōu)越性。而無線語音通信作為數(shù)字對講機最基本的通信方式，雖然在通信信息中的比重有所下降，但是仍然是無線通信中的主要成分。現(xiàn)根據(jù)數(shù)字對講機中要求實時性高，抗干擾能力強、頻譜利用率高等特點，設(shè)計了一種用于短距離、低功耗、低成本通信的TDD數(shù)字對講機系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

在 TDD數(shù)字對講機系統(tǒng)的設(shè)計中，需要考慮實時性、頻譜利用率、功耗及成本等一系問題，根據(jù) TDD數(shù)字對講機的這些設(shè)計需要，給出了總體設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框

系統(tǒng)主要由A/D(D/A)轉(zhuǎn)換模塊、語音處理模塊、單片機控制電路及射頻電路四部分組成。在整個系統(tǒng)設(shè)計方案中，采用微處理器MSP430為中心的系統(tǒng)控制模塊來完成數(shù)據(jù)收發(fā)和編/解碼的控制等工作，對語音數(shù)據(jù)的處理主要由TMS320VC5509A DSP芯片完成，微處理器MSP430只需對數(shù)據(jù)以 TDD幀方式封裝及控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出的接口以和設(shè)置定時器對接收與發(fā)送模式轉(zhuǎn)換進行控制。

在發(fā)送過程中，首先由AIC23將模擬語音數(shù)字化，輸出的信號為16位的PCM編碼信號，接著信號進入C5509A芯片做語音編碼處理（G.729A編碼），然后輸出數(shù)據(jù)通過微處理器MSP430加上頭域、尾域、ID域以及命令字節(jié)形成數(shù)據(jù)幀，最后控制射頻芯片（CC1100）將數(shù)據(jù)發(fā)送出去；在接收過程中，首先接收來自射頻芯片（CC1100）的數(shù)據(jù)，再將接收的數(shù)據(jù)幀的同步域、尾域、ID域以及命令字節(jié)去除后，數(shù)據(jù)送至C5509A進行解碼處理（G.729A解碼），解碼輸出同樣為16位的脈沖編碼調(diào)制（PCM）編碼信號，最后通過AIC23轉(zhuǎn)化成模擬信號。

2 各模塊具體設(shè)計方案

2.1 A/D(D/A)轉(zhuǎn)換模塊

在信號輸入/輸出端，采用的是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換編解碼器（TLV320AIC23），其內(nèi)置耳機輸出放大器、可編程抗混迭濾波器、開關(guān)電容式低通平滑濾波器、sinx/x補償、數(shù)據(jù)與控制發(fā)送串口、輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)功能。AIC23采用先進的Σ一△過采樣技術(shù)。可以在8 kHz至96 kHz的采樣率下提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣數(shù)據(jù)。ADC和 DAC的輸出信噪比分別可達 90dB和100 dB。同時。TLV320AIC23還具有很低的功耗(回放模式為 23 mW,節(jié)電模式為 15 μw)。上述優(yōu)點使得 AIC23成為一款十分理想的模擬輸入/輸出器件[1]。

在本設(shè)計中AIC23通過C5509A提供的多通道帶緩沖的串行接口McBSP來完成數(shù)據(jù)的傳輸，C5509A通過I2C總線對AIC23進行設(shè)置，包括設(shè)置數(shù)據(jù)格式、采樣率，選擇主從模式，控制音量等。AIC23工作在主模式，C5509A工作在從模式，同步時鐘信號FS及移位時鐘SCLK由AIC23產(chǎn)生。

2.2 語音處理模塊

在將模擬信號轉(zhuǎn)換成16位PCM數(shù)字信號后，設(shè)計通過DSP芯片對輸入的數(shù)字信號進行語音壓縮編碼，其目的是為了在有限的信道內(nèi)進行更多的信息傳輸，以節(jié)約無線信道帶寬，同時又能提高系統(tǒng)的抗干擾能力和無線傳輸距離。

采用的語音壓縮編碼方式是國際電信聯(lián)盟 ITU推出的G.729A語音編碼算法。該算法在8 kbps傳輸碼率下實現(xiàn)了較好的話音質(zhì)量，且時延較短，綜合了波形編碼和參數(shù)編碼的優(yōu)點，以自適應(yīng)預(yù)測編碼技術(shù)為基礎(chǔ)，采用了矢量量化、合成分析和感覺加權(quán)等技術(shù)，能較好的滿足無線語音通信的要求，相對于原G.729編碼方式其具有更低的編碼復(fù)雜度，是無線通信中理想的語音壓縮編碼方式[2]。但是若是在C5509A上直接實現(xiàn)ITU-T提供的源代碼，由于編碼相對比較復(fù)雜，程序沒得到有效優(yōu)化，語音處理延遲將在 100 ms以上，是語音通信所不能接受的，故這里對G.729A編碼算法和ITU-T提供的源代碼進行了優(yōu)化。

具體優(yōu)化步驟如下：

①自適應(yīng)碼書搜索改進：優(yōu)化開環(huán)基音搜索算法的方法可以將語音數(shù)據(jù)幀中40個偶數(shù)點的相關(guān)性替代原來的80個采樣點的相關(guān)性；

②固定碼書搜索的改進：碼書搜索可由3個多層循環(huán)代替原來包含有8個循環(huán)的多重循環(huán)來實現(xiàn)；

③程序設(shè)計的優(yōu)化：去除不必要的溢出保護，同時通過宏定義的方式來定義大量的基本運算，大大的提高了程序的執(zhí)行效率。

在完成上述手工優(yōu)化后，通過CCS提供的C優(yōu)化器進行優(yōu)化，優(yōu)化編譯后的代碼容量和速度也有相當(dāng)可觀的提升，語音處理延遲有效的降到10 ms以下。

在 DSP芯片的選擇上，采用的是 TI公司的TMS320VC5509A DSP處理芯片，它是TMS320VC5509的改進版，主要特點有[3]：具有2個乘法器(MAC，17 bit×17 bit)，4個累加器(ACC)，兩個算術(shù)邏輯單元(ALU)（40位，16位各一個），速率最高可達400 MIPS，這大大增強了DSP的運算能力；它還具有1個6通道的DMA接口，1個USB2.0全速接口，1個I2C接口，64K Bytes的DARAM和192K Bytes的SARAM；同時芯片提供了3個McBSP多通道緩沖串口，大大提高了芯片間數(shù)據(jù)的交換效率；除此之外，C5509A還提供了更為高效的外部存儲器接口(EMIF)，實現(xiàn)了與外部設(shè)備的無縫連接，可使DSP外部存儲空間擴大到滿足系統(tǒng)要求。基于這款芯片以上的優(yōu)點，綜合價格和芯片面積的各種因素，最終決定采用這款芯片在 TDD數(shù)字對講機上來實現(xiàn) G.729A語音壓縮編碼。為了能讓語音緩存數(shù)據(jù)不占用寶貴的片內(nèi)存儲空間和解決上電復(fù)位后的程序加載問題，給C5509A分別擴展了容量為128 K×16 bit的SDRAM和512 K×16 bit的片外FLASH存儲空間，通過外部存儲器接口(EMIF)與C5509A實現(xiàn)無縫連接。DSP程序的流程圖如圖2所示。

圖2 DSP編解碼流程

G.729A語音編碼算法是基于共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測（CS-ACELP）的，編碼速率為8 kb/s。在C5509A芯片上實現(xiàn)時，采用如下的方法：首先將A/D轉(zhuǎn)換后16位的PCM碼通過McBSP0口以DMA方式發(fā)送至雙緩沖的接收緩沖區(qū)，每接收一個PCM碼就觸發(fā)一次DMA操作。當(dāng)接收到80個采樣點時觸發(fā)CPU中斷，將這80個采樣點作為一幀傳至 G.729A主程序經(jīng)行壓縮編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)存入McBSP1口得發(fā)送緩沖區(qū)，與此同時McBSP0口繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)半滿后，觸發(fā)中斷，將數(shù)據(jù)通過串行口發(fā)送出去。解碼過程與編碼過程相反，首先通過McBSP1口以DMA方式接收數(shù)據(jù)比特流，經(jīng)過G.729A主程序解碼后，輸出至 McBSP0口的發(fā)送緩沖區(qū)，再從 McBSP0口發(fā)送至D/A，轉(zhuǎn)換成模擬語音信號。

2.3 MCU控制模塊

MCU控制模塊主要負責(zé)控制射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)，程序的流程以及對數(shù)據(jù) TDD幀結(jié)構(gòu)的封裝等問題。考慮到性能、功耗和價格等多從因素，決定采用的是 TI公司的MSP430F149單片機作為系統(tǒng)的MCU。MSP430系列單片機是16位低功耗、高性能的混合信號處理器。其核心CPU采用的是16位的RISC處理器，單周期指令模式；電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA，活動模式耗電250μA/MIPS，I/O口漏電電流最大僅50 nA。同時還配有60 KB的Flash ROM和 2 KB的SRAM，兩通道串行通信接口，可用于異步（UART）或同步（SPI）模式[4]。

硬件連接上C5509A與MSP430間采用SPI方式通信，C5509A的McBSP1接MSP430的USART1，工作方式采用SPI方式，MSP430工作在主模式，C5509A工作在從模式。主從模式是通過控制寄存器UCTL的MM位來選取。軟件設(shè)計上，發(fā)送過程中MSP430通過串行通信模塊USART1接收來自C5509A的語音壓縮編碼，以80 bit的數(shù)據(jù)為一幀，加上TDD的頭域、尾域、ID域以及命令字節(jié)形成98 bit的數(shù)據(jù)幀，然后通過串行通信模塊USART1送至射頻模塊；接收過程與發(fā)射過程相反，去除無用的幀頭和幀尾后將數(shù)據(jù)發(fā)送至C5509A解碼。

2.4 射頻發(fā)射及功放模塊

射頻收發(fā)單元選用Chipcon公司的CC1100射頻芯片。該芯片是Chipcon公司推出的單片UHF無線發(fā)射芯片，芯片體積小，功耗低，數(shù)據(jù)速率支持1.2～500 kb/s的可編程控制，可以工作在915 MHz、868 MHz、433 MHz、315 MHz四個波段，在所有頻段提供-30～10 dBm輸出功率，同時支持FSK、GFSK、ASK/OOK和MSK調(diào)制方法。CC1100集成了一個高度可配置的調(diào)制解調(diào)器，支持不同的調(diào)制格式,其數(shù)據(jù)傳輸率最高可達500 kb/s。通過開啟集成在調(diào)制解調(diào)器上的前向誤差校正選項,能使性能得到提升。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可編程調(diào)節(jié)，其最大發(fā)射功率達到10 dBm[5]。MSP430F149與CC1100采用SPI方式通信，MSP430F149工作在主模式，使用USART1模塊，CC1100工作在從模式，工作頻段為403～425MHz，CC1100的外圍電路采用推薦的外圍電路配置。

3 結(jié)語

以 TMS320VC5509A（DSP）為平臺，結(jié)合微處理芯片MSP430和射頻芯片CC1100，提出了一種TDD數(shù)字對講機的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。該系統(tǒng)借助TMS320VC5509A強大的計算功能和豐富的片內(nèi)外設(shè)，實現(xiàn)了語音的壓縮編解碼功能，同時又方便了芯片間的連接與初始化。整個系統(tǒng)可實現(xiàn)低功耗，高信噪比的短距離無線語音傳輸，具有成本低，通用性強，可擴展性和可移植性強等特點，因而可以應(yīng)用到需要短距離無線語音通信的各個領(lǐng)域。

[1] 龔利衡,盛玉霞,唐昆. 數(shù)字對講機語音編解碼算法改進與優(yōu)化[J].通信技術(shù),2009,42(05)：77-79.

[2] 柴曉東,袁曉. 基于 DSP的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 通信技術(shù),2009,42(07)：172-174.

[3] 閆瑞軍,高航. TMS320VC5509A在數(shù)字對講機基帶系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].大眾科技,2008(05)：63-64.

[4] 王光. 基于MSP430的在線遠程監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 通信技術(shù),2009,42(08)：144-147.

[5] 李麗軍,王代華,祖靜. 基于 CC1100的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].研究與開發(fā),2007,26(12)：42-45.

Web安全問答（7）

問：什么叫網(wǎng)站掛馬

答：“掛馬” 就是黑客入侵了一些網(wǎng)站后，將自己編寫的網(wǎng)頁木馬嵌入被黑網(wǎng)站的主頁中，當(dāng)訪問者瀏覽被掛馬頁面時，將會被植入木馬，黑客便可通過遠程控制來實現(xiàn)不可告人的目的。網(wǎng)頁木馬就是將木馬和網(wǎng)頁結(jié)合在一起，打開網(wǎng)頁的同時也會運行木馬。最初的網(wǎng)頁木馬原理是利用IE瀏覽器的ActiveX控件，運行網(wǎng)頁木馬后會彈出一個控件下載提示，只有點擊確認后才會運行其中的木馬。這種網(wǎng)頁木馬在當(dāng)時網(wǎng)絡(luò)安全意識普遍不高的情況下還是有一點使用價值的，但是其缺點是顯而易見的，就是會出現(xiàn)ActiveX控件下載提示。當(dāng)然現(xiàn)在很少會有人去點擊那莫名其妙的ActiveX控件下載確認窗口。在這種情況下，新的網(wǎng)頁木馬誕生了。這類網(wǎng)頁木馬通常利用了IE瀏覽器的漏洞，在運行的時候沒有絲毫提示，因此隱蔽性極高。

問：如何發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站掛馬

答：服務(wù)器被掛馬，通常情況下，若出現(xiàn)諸如“彈出頁面”，則可以比較容易發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)防病毒軟件告警之類，則可以發(fā)現(xiàn)服務(wù)器被掛馬；由于漏洞不斷更新，掛馬種類時刻都在變換，通過客戶端的反映來發(fā)現(xiàn)服務(wù)器是否被掛馬往往疏漏較大；正確的做法是經(jīng)常性的檢查服務(wù)器日志，發(fā)現(xiàn)異常信息；經(jīng)常檢查網(wǎng)站代碼，借助于專業(yè)的檢測工具來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)頁木馬會大大提高工作效率和準(zhǔn)確度。