基于AMBE-2000和單片機的潛水員水下通信系統的設計*

汪丹丹 賈臨生 楊大光

(海軍航空兵學院 葫蘆島 125001)

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基于AMBE-2000和單片機的潛水員水下通信系統的設計*

汪丹丹 賈臨生 楊大光

(海軍航空兵學院 葫蘆島 125001)

設計了一種基于AMBE-2000和單片機的潛水員水下語音數字通信系統,給出了它的硬件原理圖和軟件程序框圖。硬件部分采用ATMEL公司的AT89S52作為主控芯片,實現對AMBE-2000和AD73311的控制。系統利用水下電流場,完成了潛水員間的水下近距離通信。

AMBE-2000; AD73311; 單片機; 語音數字通信; 電流場

Class Number TP274

1 引言

進入21世紀以后,對海洋資源的研究和開發已經越來越引起人們的關注,水下通信系統也就越來越顯出其重要性,尤其是水下無線通信系統的研究已經引起世界各國的廣泛重視。眾所周知,海水是導電媒質,對電磁波具有極強的衰減,這也是電磁波很難用于水下無線通信的原因。但是,我們卻可以充分利用海水的導電性,使用電流場的方式達成通信,并且水下電流場通信系統是低噪聲系統,實現近距離的水下無線通信是完全可行的。根據有關資料顯示,現在實用的潛水員水下無線通信系統主要是水聲通信,但由于海洋環境極其復雜,而且在淺海海域海水介質分層明顯,當兩潛水員位于不同的聲速層時往往難以實現超聲波通信,或者干擾很大,通信質量很差,因此本文考慮采用水下電流場實現水下的近距離無線通信。

海水中電流場的頻率特性在音頻段是接近平坦的,因此在設計通信系統的時候,信號的載波頻率最好采用甚低頻,從而通信帶寬變得比較窄,而要保證水下通話的語音質量,就要在對語音進行A/D變換時盡量的提高采樣的數據量,如此一來,較高的語音采樣和有限的帶寬就成一對矛盾。為了解決以上問題,本系統考慮使用聲碼器芯片對采樣后的語音數據進行進一步的壓縮編碼,減小信息的冗余度。

聲碼器芯片選用美國DVSI公司生產的AMBE-2000,該芯片具有適應性強、高性能、低功耗的優勢。它可以在2.0kbps～9.6kbps的范圍內對語音信號實現壓縮編碼,且編碼質量較高,能夠滿足本設計的要求。

2 潛水員水下通信系統的原理

整個電路的原理圖如圖1所示,通過AD73311將輸入的模擬話音進行采樣量化,然后輸入到AMBE-2000進行壓縮編碼,編碼后的數據送給單片機進行處理,然后調制成模擬信號經電極對天線發送出去;同時,電極對天線將接收到的信號經檢波整形后送給單片機,經過相應處理以后再送給AMBE-2000進行解碼,再通過AD73311轉化為模擬信號輸出。

圖1 系統的硬件原理框圖

3 硬件設計

3.1 AMBE-2000的接口設計

AMBE-2000可以被視為兩個獨立的部分即編碼器和解碼器。編碼器接收8kHz話音數據流(16位線性、8位A率、8位μ率)并以所希望的碼率輸出數據流到傳輸信道上,相反,解碼器接收從傳輸信道上傳送的數據流合成出8kHz話音數據流。其編碼器與解碼器的接口時序是完全異步的。AMBE-2000有兩種工作模式,即主動工作模式和被動工作模式。本設計選擇在主動工作模式下,數據選通信號由聲碼器自己提供,也就是說,數據讀寫進程完全由聲碼器自身控制。

典型的語音接口是外圍的A/D和D/A,該接口芯片對模擬話音進行采樣,然后輸入到AMBE-2000的ENCODER中編碼。信道接口則用來對信道數據進行分析,監測和功能設定,通常選用8位或16位的微處理器電路。信道數據經過DECODER合成語音數據,再經D/A變換輸出到聽筒。輸入與輸出語音數據是可以結合的,也就是說兩者必須具有相同的形式(16位線性,8位A律或8位μ律);芯片的可選功能,如回聲消除、聲音激活/探測、功率模式控制、數據/FEC速率選擇等可以通過硬件控制引腳或解碼器命令接口進行控制。

3.2 AMBE-2000和AD73311的接口設計

AD73311用起來非常靈活,內部共有五個控制寄器組[3](CRA、CRB、CRC、CRD、CRE),CRA用以設置AD73311的工作模式(五種),芯片級連個數(1～8個)和軟件重置RESET;CRB用以設置主時鐘分頻因子和串行時鐘分頻因子;CRC用以設置內部參考電壓的電源管理;CRD用以設置輸入輸出可編程放大器的增益;CRE用以設置D/A轉換通道的群延時。如果AMBE-2000的CODEC-SEL[1-0]被設置為01B時,聲碼器芯片送控制字到AD73311的控制寄存器。

圖2 AMBE-2000與AD73311的接口設計

硬件電路采用如圖2所示的連接方式。AD73311的采樣速率可以達到32kHz、16位采樣數據,且具有較好的聲音質量,因而可以配合AMBE-2000使用,在實際應用中取得了良好的效果。本設計中,AMBE-2000選擇的管腳接法將壓縮率定義為2kbps,AMBE-2000和AD73311的外部時鐘頻率都是16.384MHz,AD73311的采樣頻率是32KHz,幀同步時鐘和位同步時鐘均由AD73311產生,并提供給AMBE-2000。語音信號經過A/D轉換后的數據和控制信息以串行的方式送到聲碼器。在20ms之內,聲碼器將A/D轉換器送來的數字化語音壓縮,按其幀格式打包后送至編碼器輸出緩沖器,并將解碼器輸入緩沖器的數據包解壓還原送向D/A轉換器,從而完成對數字語音的編、解碼。

3.3 單片機與AMBE-2000的接口設計

聲碼器與主機接口的數據格式分為兩種:有格式和無格式。在本系統中,設置聲碼器芯片處理的數據為有格式,主要目的是為了在數據編碼時提供一定的校正信息。

在有格式下,AMBE-2000輸出的一幀數據[1]由24個格式字組成,每個格式字包含16bits,總共384bits。在這24個格式字中,前12個字為幀頭信息,后12個字為數據。幀頭信息包括ID、狀態位、控制位等信息,對AMBE-2000初始化就是設置這些幀頭信息。這里需要注意的是,這些幀頭信息只有當AMBE-2000工作在9600bps時(9600bps÷50幀/s=192bits/幀),才和語音數據完全結合在一起。當速率低于9600bps時,編碼語音將從最高有效位(MSB)開始填充,并將后面不用的位清零。但是,不管AMBE-2000工作在何種速率下,編碼器輸出的數據和解碼器接收到的數據都是完整的384bits。

在硬件電路連接上,聲碼器芯片信道數據口的收、發和單片機的發(P1.3)、收(P1.4)相連;聲碼器芯片信道數據口的工作時鐘和單片機的時鐘(P2.0)相連;聲碼器芯片信道數據口的幀同步脈沖和單片機的幀同步(P1.2)相連;同樣,兩個串口的位同步脈沖也連接在一起。主機接收、發送時鐘由單片機產生,AMBE-2000壓縮編碼后的數據包送到單片機。在20ms之內,單片機將AMBE-2000送來的數據包處理后以串行的方式發送出去,并將單片機送來的數據包解壓還原送向D/A轉換器,從而完成對數字語音的控制。采用這種連接方式可以進行全雙工通信。

圖3 AMBE-2000與AT89S52的接口設計

4 軟件設計

4.1 AMBE-2000與AD73311的初始化

AMBE-2000芯片的復位、初始化是通過接收各種控制信號完成的,主要進行數據格式、波特率、編解碼速率、語音激活檢測、回波抵消等的初始設置。AMBE-2000的復位時間為50μs,復位信號的恢復時間為95ms。也就是說,聲碼器芯片在復位信號開始95ms之后的上升沿才會開始處理數據。

AD芯片的初始化工作是在上電后,由AMBE-2000向其發送控制字完成的。當然,如果想讓聲碼器上電后自動初始化AD芯片,AMBE-2000的CODEC_SEL0和CODEC_SEL1兩個引腳應配置為10B,采用硬件配置,無需進行軟件操作。本系統中AMBE-2000向AD芯片發送的初始化控制字如表1所示。

AMBE-2000和AD73311的復位都是低有效,前者的復位信號要求維持95ms,后者要求15ms。如果兩個芯片都采用加電自動復位,那么在復位后,AD73311輸出的數據對AMBE-2000的復位會造成影響,所以在沒有任何數據輸入的情況下,在解碼端輸出無效數據,從而對通話質量產生了明顯影響。而將兩個芯片的復位電路分開后,先對AMBE-2000復位,然后對AD73311復位。

表1 AMBE-2000向AD73311發送的控制字

4.2 系統主程序的設計

系統加電正常工作后,單片機、聲碼器自動復位,復位使能AD73311,主程序對單片機進行初始化。軟件編程的重點就是對單片機進行編程。

單片機程序的流程圖如圖4所示:單片機根據AMBE-2000的編碼包就緒標志(EPR)給AMBE-2000發送時鐘(若不向AMBE-2000發送時鐘,AMBE-2000不會輸出STRB指示),并且不斷監測STRB,直到管腳出現上升沿,單片機準備第一次收發數據。單片機將AMBE-2000發送的16位數據分成高8位和低8位,分別送到串行口輸出,同時,將串行口接收到的兩個相鄰的8位數據組合成16位數據,送到AMBE-2000進行解碼,直到完成1幀數據的收、發,繼續等待下一個編碼包就緒標志的到來,重復上面的步驟處理數據。

AMBE-2000每20ms完成1幀語音數據的編、解碼運算,并與單片機以串行方式交換一次數據。AT89S52將編碼后的語音輸出,同時將得到的數據送到AMBE-2000進行解碼,處理1幀數據的時間必須在20ms內完成,以免引起數據傳輸的沖突。

圖4 主程序流程圖

5 結語

本文對潛水員水下通信進行了研究,實現水下近距離通信。該方案的硬件系統以單片機AT89S52作為主控芯片,實現對AMBE-2000和AD73311的控制,實現了潛水員間的水下近距離通信,具有一定的實用參考價值。

[1] AMBE-2000TM Vocoder Chip User’s Manual Ver2 sion 4.8[Z].Digital Voice Systems,Inc.,2007.

[2] J.Joe,S.H.Toh.Digital Underwater Communication Using Electric Current Method[J].OCEANS 2007-Europe Volume,Issue,18-21 June 2007Page(s):1-4.

[3] AD73311 Data Sheet[Z].Analog Devices,Inc.,2000.

[4] 雷曉平,李曉東,羅天海.單片機原理及應用[M].北京:機械工業出版社,2006.

[5] 王為青,程國鋼.單片機Keil Cx51應用開發技術[M].北京:人民郵電出版社,2007.

[6] 徐東鏹,肖沙里,藍玉偵,等.AMBE-2000在紫外光語音系統中的應用[J].電子設計應用,2007:122-124.

[7] 魏檸檸,金向東.多速率語音芯片AMBE-2000的開發和應用[J].電聲技術,2005:34-36.

[8] 杜軍,高俊.基于AMBE-2000和DSP的多速率數字語音保密通信系統研究[D].武漢:海軍工程大學,2007.

[9] 劉立康,蔡明.用單片機實現語音信號的數字復接[J].電子技術應用,1999:24-25.

[10] 劉慶豐,周正歐.AMBE-2000TM語音壓縮電路的性能及應用[J].電子元器件應用,2004:11-15.

Design of Underwater Wireless Communication System for Diver Based on AMBE-2000 and AT89C52

WANG Dandan JIA Linsheng YANG Daguang

(Naval Aviation Academy,Huludao 125001)

A underwater wireless voice communication system for diver is designed based on ambe-2000 and MCU.The blockdiagram of hardware and program flow chart are given.AT89S52 of ATMEL company is utilized as the main control MCU,which contrals AMBE-2000 and AD73311.The system realized the underwater close range wireless communication for diver with electric current.

AMBE-2000,AD73311,MCU,voice digital communication,electric current

2014年8月9日,

2014年9月18日

汪丹丹,女,碩士,助教,研究方向:無線通信。賈臨生,男,碩士,助教,研究方向:飛機特種設備。楊大光,男,碩士,講師,研究方向:飛機特種設備。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.022