語音信號處理是現(xiàn)代通信中不可或缺的組成部分，隨著對通信質(zhì)量要求的越來越高，我們需要用盡可能低的數(shù)碼率來獲得盡可能好的合成語音質(zhì)量。從市場現(xiàn)狀來看，低速語音的應(yīng)用市場很廣泛：語音系統(tǒng)，數(shù)字移動通信，保密通信，語音郵件，可視電話，IP電話，語音存儲，電話會議，電話購物等很多場合都需要用到。

　　AMBE-2000是DVSI（Digital Voice System Inc.）公司推出的單片聲碼器芯片。該芯片采用改進的多帶激勵（MBE）算法，能實現(xiàn)可變速率低比特率、高語音音質(zhì)的語音壓縮編碼。本文基于AMBE-2000,設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于AMBE-2000的語音系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有設(shè)計簡便、語音編碼速率可變、音質(zhì)優(yōu)、接口靈活、工作電壓低、功耗小等諸多優(yōu)點，可廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、短波、微波通信和保密通信等場合，具有很高的實用價值。

　　1 系統(tǒng)介紹

　　本語音系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)數(shù)字話音與模擬話音的相互轉(zhuǎn)換并處理話音數(shù)據(jù)的編解碼，降低話音數(shù)據(jù)的傳輸速率，提高系統(tǒng)的頻率資源利用率，此外須滿足信息系統(tǒng)的接口要求。模擬話音部分連接耳機話筒組，數(shù)字部分壓縮數(shù)據(jù)流連接外部處理器，解壓數(shù)據(jù)流用于遠距離傳輸語音量化信息。整個語音系統(tǒng)的原理框圖見圖1。

　　發(fā)送話音時  話音處理板將送入的模擬話音進行A/D采樣量化后，經(jīng)語音編解碼芯片壓縮打包通過CPCI總線或LVDS串行總線送入到信息處理器進行后續(xù)處理；或者通過高速RS 422串口將遠距離傳輸來的語音量化信息經(jīng)壓縮后分別通過CPCI總線或者LVDS串行總線送往信息處理器進行后續(xù)處理。

　　接收話音時  通過CPCI總線或者LVDS串行總線收到壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)語音編解碼芯片解碼后通過D/A轉(zhuǎn)換將話音轉(zhuǎn)換為模擬信號；或者將收到的壓縮數(shù)據(jù)，經(jīng)解壓后通過高速RS 422串口遠距離傳出去。

　　2 AMBE-2000的功能與特點

　　AMBE-2000芯片是AMBE-1000的改進產(chǎn)品。與AMBE-1000相比，其語音壓縮算法更優(yōu)化，語音質(zhì)量更高，編碼速率也由原來的2.4kbps降低到2.0kbps;在硬件和接口方面，也作了若干改進，并提高了其壓縮編碼和前向糾錯編碼（FEC）的效率和可靠性。AMBE-2000主要具有以下一些特點：

　?。?）速率多，語音音質(zhì)高：具有2.0k、2.4k、3.6k、4.0k、4.8k、6.4k、8.0k和9.6kbps八種壓縮速率。當(dāng)速率在4.0kbps以上時，可得到接近長途電話的話音質(zhì)量；當(dāng)速率為2.0kbps時，仍然具有較高的可懂度和自然度。

　?。?）可變速的FEC功能：可根據(jù)信道情況，靈活地選擇FEC的速率。語音和FEC的速率選擇既可以通過硬件管腳設(shè)置，也可通過軟件方式設(shè)置。

　?。?）芯片內(nèi)集成卷積編碼器和Viterbi譯碼器。

　?。?）低功耗、低復(fù)雜度。

　?。?）能產(chǎn)生和識別雙音多頻（DTMF）信號。

　?。?）具有語音激活檢測（Voice Activity Detection）功能、回波抵消（Echo Cancelling）功能和舒適噪聲（Comfortable Noise）產(chǎn)生功能等。

　?。?）串行信道接口可設(shè)置為主動和被動方式，傳輸數(shù)據(jù)可設(shè)置成幀結(jié)構(gòu)或非幀結(jié)構(gòu)。

　　在簡易模型中，AMBE-2000被看作兩個分離原件，編碼器和解碼器。編碼器接收語音量化信息并以所期望的速率將壓縮數(shù)據(jù)流輸出信道。相反地，解碼器接收信道壓縮數(shù)據(jù)流，合成語音量化信息。對AMBE-2000編/解碼器接口的時間控制是完全異步的。通常語音接口所接的是A/D、D/A芯片。輸入輸出語音數(shù)據(jù)流必須是相同的。格式（16-bit線性、8-bit A律，或8-bitμ律）。本系統(tǒng)采用AMBE-2000并且A/D-D/A芯片采用16-bit線性采樣的AD73311就是為了與原先設(shè)計的一套基于AMBE-1000的話音系統(tǒng)保持兼容性?；贏MBE-1000舊式語音系統(tǒng)使用了體積過大，功耗較高的16-bit線性的A/D、D/A芯片TI32044,并且采用了一系列同樣缺點的外圍芯片，不適用于低功耗，小體積的發(fā)展趨勢。

　　3 AMBE-2000與A/D-D/A芯片的接口設(shè)計

　　A/D-D/A芯片與AMBE-2000之間的語音數(shù)據(jù)流格式應(yīng)當(dāng)是匹配的，即要有統(tǒng)一的格式（16-bit線性、8-bit A律，或8-bμ律），一般情況下，建議選用16位線性元件。在本設(shè)計中，選用的是AD公司的AD73311.可以通過配置硬件管腳84,85（CODEC_SEL[1-0]=01b），將AMBE-2000的語音接口設(shè)置成專門與AD73311通信。所以AMBE-2000和AD73311配合使用會使得電路設(shè)計比較簡單。

　　AD73311主要特點：

　?。?）低功耗的16位A/D-D/A轉(zhuǎn)換器，輸入/輸出采樣率和增益皆可通過軟件控制，在話帶范圍內(nèi)可提供70 dB的信噪比。通過串口傳遞語音數(shù)據(jù)，接收控制命令，簡單高效。

　　（2）輸入的模擬音頻信號經(jīng)過可變增益放大器，A/D轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過串口輸出；反之來自串口的數(shù)字流被轉(zhuǎn)換為模擬信號后，經(jīng)過可變增益放大器后輸出。

　?。?）AD73311的主要工作模式有兩種：編程模式和數(shù)據(jù)模式。芯片復(fù)位之后處于默認的編程模式，這時可以通過串口往控制寄存器寫控制字，來設(shè)定工作狀態(tài)。這里需要注意的是AD73311在3 V低功耗狀態(tài)下（如圖2所示）配置字應(yīng)置為相應(yīng)格式。

　　（4）上電復(fù)位后，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應(yīng)與AD73311的串行輸入隔離開，并保持365 ms左右，這時，利用FPGA配置AD73311,配置字如下：

　　設(shè)置完后，寄存器A寫入Q1,表示進入"數(shù)據(jù)模式",AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應(yīng)與AD73311的串行輸入接通，可以進行正常的數(shù)據(jù)傳輸。

　　4 AMBE-2000與信道的接口設(shè)計

　　AMBE-2000要求每20 ms編碼器被控制器讀取1次。復(fù)位后，初始幀準(zhǔn)備好則EPR由高變低，之后每隔20 ms準(zhǔn)備好1幀數(shù)據(jù)，相應(yīng)地外部控制器也需要每隔20 ms讀取1個數(shù)據(jù)幀。

　　EPR脈沖每20 ms出現(xiàn)1次，這也是判斷AMBE-2000是否正常工作的重要依據(jù)。整個讀取數(shù)據(jù)的過程為：

　?。?）等待小于20 ms的時間；

　?。?）發(fā)送幀同步信號，讀取AMBE-2000一幀串行輸出數(shù)據(jù)；

　?。?）如果接收到的數(shù)據(jù)不是0x13EC,說明不是數(shù)據(jù)幀頭，丟棄這一幀并重新執(zhí)行步驟、（2）。

　?。?）如栗接收薊的數(shù)據(jù)是0x13EC,則讀取本包的剩余23個字。

　　在該設(shè)計中，使用FPGA作外部控制器。FPGA產(chǎn)生輸入/輸出幀同步信號、輸入/輸出時鐘信號以及AMBE-2000的串行輸入數(shù)據(jù)，并按照AMBE-2000要求的時序關(guān)系與AMBE-2000進行數(shù)據(jù)交換。

　　表1列舉了AMBE-2000的信道接口信號的特性，其與外部控制器的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖3,圖4所示。

　　5 系統(tǒng)的外圍接口設(shè)計

　　該系統(tǒng)的外圍接口包括：CPCI接口電路；LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平信號之間的轉(zhuǎn)換電路；LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平信號之間的轉(zhuǎn)換電路；模擬電路。

　　5.1 CPCI接口電路

　　使用CPCI專用的橋接芯片可避開復(fù)雜的PCI協(xié)議，快速開發(fā)出產(chǎn)品。采用了PLX公司的高性能專用橋接芯片PCI9054實現(xiàn)CPCI接口設(shè)計。利用FPGA內(nèi)部IP核生成雙口并建立與CPCI部分的粘合邏輯，完成CPCI接口設(shè)計。

　　5.2 LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平之間的轉(zhuǎn)換電路

　　在本系統(tǒng)內(nèi)除了標(biāo)準(zhǔn)CPCI總線形式實現(xiàn)數(shù)字部分壓縮數(shù)據(jù)流與外部通信設(shè)備的數(shù)據(jù)交換外，還備用了LVDS串行總線方式傳輸，要求傳輸速率可達100 Mb/s.該系統(tǒng)使用MAX9129和MAX9122總線低壓差分信號驅(qū)動器作為LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)LVDS電平信號轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動器。

　　5.3 LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平之間的轉(zhuǎn)換電路

　　解壓縮后的語音數(shù)據(jù)流與外部數(shù)字音頻設(shè)備數(shù)據(jù)交換以標(biāo)準(zhǔn)RS 422串行總線方式傳輸，要求傳輸速率可達5 Mb/s.本系統(tǒng)用MAX3491低功耗RS 485/RS 422收發(fā)器作為LVTTL與標(biāo)準(zhǔn)RS 422電平信號轉(zhuǎn)換電路的驅(qū)動器，用于進行較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。MAX3491每一個芯片內(nèi)包含1個驅(qū)動器和1個接收器，傳輸速率可達10 Mb/s.

　　5.4 模擬電路

　　模擬放大電路包括運放及一些組容器件。主要作用是采用高性能低噪聲的放大器，通過電位器或適當(dāng)?shù)谋壤娮鑱碚{(diào)整輸入/輸出語音信號的增益。

　　該設(shè)計的音頻接口電路采用有源平衡式輸入/輸出語音傳輸方式，這種方式起到了差模放大，共模抑制的作用，提高了抗干擾能力。在音頻制作的初期，人們經(jīng)常使用變壓器用于校正不同設(shè)備間的接地電位差并取消電纜線路中產(chǎn)生的電噪聲。它還可以將內(nèi)部具有不平衡高阻抗特性的有源設(shè)備和具有較低阻抗特性的平衡傳輸線相連接。但變壓器提高了成本，增加了系統(tǒng)重量，變壓器有時還會帶來系統(tǒng)失真。因此，設(shè)計者不斷尋求去掉變壓器的方法，結(jié)果就找到了有源平衡式輸入/輸出電路。

　　6 結(jié)語

　　該話音系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用6U CPCI標(biāo)準(zhǔn)板卡，半雙工工作方式，在300-3400Hz的話音帶寬內(nèi)，經(jīng)測試話音字可懂度大于等于90%,語音句可懂度達100%,語調(diào)自然，發(fā)音清晰，是一款高質(zhì)量的語音系統(tǒng)。

參考文獻:

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[6]. MAX9122 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX9122_1089740.html.
[7]. MAX3491 datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/MAX3491_858715.html.