一種小型化聲碼器設計

苑鵬雁,劉承禹

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081;2.二炮裝備研究院,北京100085)

0 引言

在數字通信系統中接入話音是很常見的,有時由于業務需求還要接入多路話音。在實際的應用系統中設備的體積受限,即便是多路話音的接入也不能將設備的體積成倍地增大。數字通信系統中話音的傳輸質量一定要做到清晰,而且不能因為傳輸話音而影響其他數據業務的傳輸,所以傳輸話音的同時需要考慮到電磁兼容性的問題。如果從工程應用的角度考慮,還要考慮到設備的功耗、小型化等問題。鑒于綜上原因該設計給出了一種小型化聲碼器的設計方案。

1 方案設計

1.1 硬件設計

該小型化聲碼器基本組成框圖如圖1所示。微控制器(CPU)選用電路C8051F043,雙音多頻檢測及信令音產生單元選用數字信號處理器(DSP)TMS320VC5509,時序控制單元選用現場可編程門陣列(FPGA),供電單元選用變壓器 LT1764EQ、LT1764EQ-2.5、LT1764EQ-3.3。供電單元使用單+5 V供電,電話機需要的-48 V/-24 V饋電和～75 V的鈴流由話音接口單元內部實現。

圖1 聲碼器組成框圖

1.2 軟件設計

聲碼器的軟件設計主要是電話呼叫過程的建立與釋放,軟件應按照呼叫接續過程完成如下各階段的處理：檢測電話摘機、發送撥號音、接收號碼、號碼分析、呼叫被叫用戶、被叫振鈴應答與切斷通話。

①檢測電話摘機：話音接口單元接入的所有話音,其摘掛機狀態通過FPGA去抖后讀進CPU,當CPU讀進的狀態值等于摘機條件時確定電話(主叫)摘機;

②發送撥號音：檢測到電話摘機后連接相應的信號音源給當前話路所在的時隙,送出撥號音;

③接收號碼：用戶聽到撥號音后開始撥號,DSP中相應的收號器將收到的號碼通過串行接口送給CPU,并在收到第一位號碼時停送撥號音;

④號碼分析：CPU收完全部號碼后進行內部分析處理,是非法號碼則放棄此次呼叫并給主叫話機送出忙音;

⑤呼叫被叫用戶：號碼分析合法后如果被叫空閑則被叫振鈴、主叫送回鈴音,如果被叫占用則主叫送忙音;

⑥被叫振鈴應答：被叫用戶聽到振鈴并摘機應答后,呼叫的雙方通話;

⑦切斷通話：無論主叫先掛機還是被叫先掛機,CPU檢測到電話掛機后給另一方未掛機用戶送出忙音,掛機端清除狀態釋放資源。

電話呼叫主叫流程如圖2所示,被叫流程如圖3所示。話音處理的主被叫流程看似簡單,但異常處理情況多、程序分支繁雜,這里由于篇幅有限并沒有列出。

圖2 電話呼叫主叫流程圖

圖3 電話呼叫被叫流程圖

2 需解決的問題

2.1 簡化供電種類

傳統設計的話音接口單元供電方案通常是電源輸入端要提供+5 V、-5 V、-48 V/-24 V、～75 V電源,該設計只需外部提供+5 V電源,話音接口單元內置饋電電源和鈴流源產生-48 V/-24 V饋電電源和～75 V鈴流電源。

2.2 減小設備體積

話音接口單元從接口類型上可以分為用戶接口和中繼接口2種。在實際應用時,對外接口由于用戶需求的不同而要求的接口類型也會不同,所以話音接口單元設計成同一個槽位就可以安裝用戶接口,也可以安裝中繼接口。這樣既減小了設備的體積,又增加了設備的功能。

2.3 雙音多頻檢測及信令音產生

CPU通過串口通信向雙音多頻檢測及信令音產生單元的DSP發送控制命令,DSP根據CPU命令選擇相應的音頻信號檢測器,對從同步串口收到的PCM音頻數據進行數字濾波,進行頻譜分析、能量判決,產生音頻信號報告;選擇音頻信號發生器,產生相應的雙音多頻信號或信令音。

3 關鍵技術

該方案的核心是話音接口單元,可分為用戶接口和中級接口2種類型。

3.1 用戶接口

用戶接口主要功能為恒流饋電、饋電/饋鈴自動切換、自動截鈴、倒極、摘掛機檢測、二/四線變換、PCM編解碼和瞬態過壓保護,其組成如圖4所示。保護電路的T、R端連接電話線;摘掛機檢測輸出的指示信號摘掛機檢測 1(SHK1)、摘掛機檢測 2(SHK2)組合出摘掛機狀態為00摘機、11掛機;PCM編解碼的DX為PCM編碼輸出,DR為PCM編碼輸入,FS為8 kHz時隙輸入,MC為2 MHz時鐘輸入;倒極發鈴電路的輸入FR用以倒極控制,0正極、1反極;升壓/恒流電路的RC端用于饋鈴饋電控制輸入,1振鈴、0饋電。

圖4 用戶接口組成框圖

3.2 中繼接口

中繼接口組成如圖5所示。其主要功能為模擬摘掛機及其控制、鈴流檢測、極性檢測、二/四變換、PCM編解碼和掛機接收傳輸。

圖5 中繼接口組成框圖

中繼接口的相關信號T、R、FR、MC、控制開關的輸入RC是模擬摘掛機控制,1模擬摘機,0模擬掛機,要求輸入最小高電平大于2.4 V,最大低電平小于0.4 V;鈴流與極性檢測輸出的SHK1、SHK2組合出各種狀態為00振鈴、11掛機、01正極摘機以及10反極摘機。

4 性能測試結果分析

聲碼器最基本的評價方法是主觀評價法,它利用收聽人的收聽意見來對系統的性能作出評判的。

由于該設計采用的是用PCM編解碼方式實現模擬話音的數字化,編碼速率為64 kbps,所以仍能保持較好的話音自然度和很高的可懂度。但在信道帶寬受限的情況下,尤其是在衛星通信的應用中,要充分利用信道帶寬,盡量做到多種業務同時傳輸,64 kbps的編碼速率占用相當寬的帶寬是該聲碼器的缺陷,它無法在窄帶信道傳輸。所以在不同傳輸需求的情況下,在該小型化聲碼器的后端增加一級語音壓縮功能,就可實現在窄帶信道中傳輸1路或多路話音,解決該設計的缺陷。

5 結束語

該聲碼器的設計由于做到了小型化,所以多路聲碼器的印制板尺寸也都明顯縮小,使多路話音通信更易靈活實現;同時該小型化聲碼器減輕了所在系統對電源設計的壓力,提高了系統的可靠性。

該方案也可用于交換機、調度機、語音卡、無線公話系統、語音網關系統以及其他環路終端等的設計。

[1]張曙光,李茂長.電話通信網與交換技術[M].北京：國防工業出版社,2002.

[2]劉振霞,馬志強,錢淵.程控數字交換技術[M].西安：西安電子科技大學出版社,2007.