数话同传控制器的设计与实现

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数话同传控制器的设计与实现

摘要：介绍了一种数话同传控制器的实现方法。该控制器以单片机AT89S52和EPLD芯片EPM7128为核心，采用GMSK调制解调器和AMBE话音Codec以及新的数话同传方案，在一个普通的模拟调频话音信道上（带宽25kHz）实现了数字化语音和数据的同时传输。实验证明，这种数话同传方案有效地减小了话音信号的延迟，保持了较高的数据传输率。无话音信号时，数据传输率为9600bps；数话同传时，数据传输率约为4800bps。     关键词：数话同传 EPLD AMBE话音 Codec GMSK Modem
话音和数据同传有多种方案，这些方案大都先将话音信号数字化，经过压缩后与外部数据一起打包传输。主要区别在于发送一包话音数据与外部数据的占用时间，以及话音数据与外部数据在包内的分割时长。常见的有两种方案。一旦日本救护车所用的数话同传方案，可将病人的身体状况的检测数据与话音同传。在这一方案中，以625ms为一个话音压缩周期，其中187.5ms用于传送数据，437.5ms用于传送话音，外部数据时隙占整个信道时间的30%，数话同传时话音延迟约为200ms。另一种是UIC建议的数话同传方案。这个方案以1040ms为一个周期，其中260ms用于传输数据，780ms用于传输压缩话音，数据时隙占整个信道的时间为25%。这一方案由于数据占用的时间较短，因此可以提供较好的通话质量，但话音延迟260ms，在双工通话时会使人感到不适，数据传输量也不高。


图1

    上述两种方案的话音延迟都较长，同时外部数据时隙占信道的时间比较短，发送数据量受到一定的限制，主要用于传送话音信号。本文在保证传送话音质量的基础上，尽量减小话音延迟，提高外部数据分割时长，同时根据AMBE话音Codec和GMSK Modem的特点，提出了如图1所示的数据话同传方案。
AMBE话音Codec采用基于MBE（多带话音激励）模型的压缩技术，已被证明优于CPLE、MP-MLQ、LPC10以及其它的压缩技术，MOS分达到3.5分，能够在低至2.0kbps的压缩速率下保证高质量的话音。所以本系统采用2.4kbps的话音压缩速率时仍然有很好的自然度和可懂性。当单片机查询到有话音数据时，不中断数据的传输，而是延迟60ms，单片机再将AMBE话音Codec传过来的话音数据处理后与外部数据一起打包发给Modem，实现数话同传。从上述方案中可以看出，话音信号的延迟不会超过120ms，优于前两种方案，能够很好地满足实时性的要求；外部数据时隙占整个信道时间约为46%，分割时长也比前两种方案高，此时外部数据传输率约为4800bps。没有话音数据传输时，单片机直接对外部数据进行打包传送，数据传输率为GMSK Modem的传输率，即为9600bps。
1 系统的硬件组成及工作原理
1．1 系统的硬件结构
整个系统的硬件结构框如图2所示。


图2

    系统以Atmel公司的单片机AT89C52和Altera公司的EPLD芯片EPM7128为主控芯片。AT89C52是一款低功耗、高性能的8位微处理器，负责整个系统的绝大多数工作，内部带有8KB可编程的FLASH存储器，无需扩展ROM，自带ISP口，可灵活地进行在系统可编程，可以通过全双工的标准串口与外部计算机或PLC交换数据。EPM7128是Altera公司的MAX7000系列中的一款，具有高阻抗、电可擦写等特点，可用门单元为2500个，管脚间最大延时为5ns，主要用来实现话音压缩和解压缩所需的时序及逻辑控制。话音预处理和ADC-DAC单元采用MC145480，其内集成了300Hz～3400Hz的带通滤波器、AD和DA转换器，采样频率为8kHz，每个采样值采用8比特（256个量化级）编码，可输出A律和μ律可选的64kbps的PCM信号。话音压缩和解压缩通过AMBE1000完成，压缩速率从2.4kbps～9.6kbps,A/μ律可选，具有语音检测、回声抑制和休眠等功能。数据调制解调部分的核心器件是无线单片收发芯片FX909。此芯片采用GMSK调制解调方式，频带利用率非常高，特别适合在窄带的数传系统中，内部硬件实现FEC和CRC算法，同时兼容Mobitex无线广域网空中接口标准。模拟调频电台将从Modem输出的GMSK信号经过二次调制到数据传信道上传输，带宽一般为25kHz，新西兰大吉公司、美国的MDS公司、日本的建武的模拟台都可实现此功能。
1．2 系统工作原理
在无话音数据传输时，AT89C52将从串口接收的数据打包处理后发送给Modem,Modem对传过来的数据增加前向纠错（FEC）、循环冗余校验（CRC）位后，按Mobitex标准的数据格式进行交织和扰码处理，再附上比特同步和帧同步字节后，对数据包进行GMSK调制，输出音频的GMSK信号，再由电台将其调制到模拟调频话音信道上传送出去。当有话音数据传输时，模拟话音输入MC145480，经过8kHz的A律编码输出64kbps的PCM信号。经过AMBE1000压缩后，输出2.4kbps的压缩话音数据，这些话音数据经单片机AT89S52除包延时处理后与串口接收的外部数据一起打包送到调制解调模块，实现数据和话音的同时传输。
数据接收时，Modem从模拟调频电台读入音频信号进行GMSK解调，经检错和撤包处理后，将数据传送给AT89S52。单片机经过判断处理后，如果是外部的数据，则直接通过串口输出；如果是话音数据，则经过处理后送给AMBE1000解压缩，输出的PCM信号经过A律解码和DAC，还原成模拟话音信号输出。
2 软件设计及实现
整个系统的软件主要包括三大部分：MC145480和AMBE1000的接口时序的实现、语音压缩数据的处理、数据的调制和解调。
2．1 接口时序的实现
AMBE1000话音Codec与MC145480的接口关系如图3所示。
图3中CLK_2048K为2048kHz的时钟信号，CLK1_8K和CLK2_8K均为8kHz的时钟信号。可以看出，分立元器件较多，时钟源之间的干扰比较大，电路运行不太稳定。本系统中用一片EPM7128实现，用VHDL语言编写时序发生器，大大简化了电路，提高了系统的稳定性。图4是在MAXPLUSII上仿真MC145480从AMBE1000语音Codec读取数据的波形。
从仿真波形上可以看出，在MC145480的接收帧同步信号FSR的下降沿到来时，开始在接收位时钟信号BCLKR的作用下采用从AMBE1000语音Codec传过来的数据（AMBE1000的tx_do端）。在采样一个字节后停止采样，余下的FSR为低电平的时间（一个FSR的周期内）用来给MC45480的DA转换提供缓冲时间。在下一个FSR的下降沿到来时又周而复始地重复上述操作。
2．2 语音压缩数据的处理
AMBE1000语音Codec输出数据是以帧为单位，每20ms输出一帧，每帧的大小为34bytes，其中帧头为10bytes，压缩语音数据24bytes。

    如果按全帧发送，1s内必须传送的数据位数为：
34bytes×8bit/bytes×50=13600bit
而Modem的最大传输速率为9600bps，根本无法进行传输，更谈不上实现数据和语音同传了；另一方面，本系统没有必要将压缩语音数据按全帧发送，本系统没有必要将压缩语音数据按全帧发送，只需传送有效语音数据。压缩速率为2400bps时，每帧输出的有效语音数据为：
2400bps/(50×8bit)=6bytes
这样在帧尾会有18bytes(24bytes-6bytes=18bytes)的无效0数据，全帧传输时这些无用的0也参与了传输。从节省带宽方面考虑，必须进行帧头和帧尾的处理，并重组数据帧。为此，在程序中做了如下处理：当检测到有话音数据时，单片机每20ms 地AMBE1000语音Codec进行一次读写操作，将接收到的一帧数据存入一个缓冲区，去掉不必要的帧头和帧尾无效的0，得到纯语音数据（每帧6字节）。每隔60ms即连续等待三次AMBE语音Codec中断处理后（共18字节的有效语音数据），将有效的语音数据与外部接收的数据一起打包发给Modem。接收端反之，单片机将Modem解调出来的语音数据，按每6个字节，先进行必要的帧头设置，再添加上帧尾的0，恢复一帧完整的数据传给AMBE1000语音Codec进行解压缩。这样充分利用了信道资源，并且语音延迟比较小，外部数据传输率也比较高。
2．3 数据的调制和解调
6字节的帧头包括两字节的位同步、两字节的帧步以及两个自定义的控制字节。这两个控制字节可用于区分语音数据和外部数据。以及在半包发送时指示数据块中实际数据的多少。每18个字节作为一个小数据包，数话同传时，语音数据和外部数据各占一小包。一个字节的帧尾标示一般为0x33。这样的一帧数据传给FX909，带上FEC和CRC位后，这样的一帧数据传给FX909，带上FEC和CRC位后，最大数据量为：（6+1+30+30+1）×8bit=544bit。在60ms的时间内，Modem有能力完成一帧数据的发送（60ms×9600bps=576bit>544bit）。这从一个侧面证明了本系统采用的数话同传方案的可行性。FX909工作在任务方式下，单片机通过写任务到FX909的命令寄存器去指示Modem的工作，当FX909完成工作后以中断的形式通知单片机当前操作已经完成。软件实现发送和接收数据的过程如下：发送数据时，设置FX909的工作模式为发送状态，写帧头数据，设置任务=T7H，发7个字节帧头（FX909内部帧头带一个字节的FEC和CRC）；然后往FX909数据缓冲区中写入18个字节的数据，设置任务=TDB，发送数据块；若本帧未结束，继续发送数据块，发送结束后再发一个字节的帧结束标志；如此反复直到所有的数据发送结束为止。接收数据时，先设置FX909的工作模式为接收状态，检测到载波信号后，写帧同步字节至数据缓冲区，设置任务=LFSB，进行比特同步；然后设置任务=SFH，查找帧头，读出帧头控制字节后设置任务=RDB，读出18个字节的数据；若本帧未结束，继续读数据块，否则查找下一个帧头；如此反复，直至接收完所有的数据。同时还可以读出CRC和FEC标志位信息，进行相应的处理。


图4

    本文实现的数话同传控制器具有话音延迟短、数据传输量大的特点，有效地解决了语音信号延迟比较大和外部数据传输量受限问题，能够满足绝大多数场合下话音通信和数据传输的要求，有着广泛的应用前景。

李小路

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