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1、第7卷第5期2007年3月科学技术与工程V017No5Mar20071671-1819(2007)50852-04Scienc电Technology and Engineering2007SciTechEngng基于DSP的数字电话系统皇甫忻忻(湖南大学，长沙410082)摘要基于DSP的数字电话系统以德州仪器(，II)的DSP芯片TMS320C5402为核心，通过DSP将电话传输线上的模拟信号转换成数字信号以进行运算处理及存储，同时将数字信号转换成模拟信号以在电话传输线上进行传输，从而实现数字信号的点对点通信传输。为了提高通信质量，系统软件实现自动增益控制(AGC)、数字滤波(FIR)的信号
2、处理算法。关键词DSP数字电话CELPG729FPGA中图法分类号TN9151；文献标识码B在数字通信技术高速发展的今天，通信信道的和编解码芯片；电话接口模块包括信号音检测电容量和信道质量是两个关键性的问题。与此同时，路、模拟通道和数字通道切换电路；存储模块采用各种数字终端不断涌现，给人们的生活带来了极大大容量FLASH；基本外设模块包括键盘和LCD显示方便。随着DSP技术的发展，越来越多的领域引入部分。其中，话音处理模块是关键的功能模块。图了DSP技术。在电话领域，传统的模拟电话的语音l中，DSP是核心控制单元；AD用于采集话筒的模效果不理想，失真现象严重，语音存贮容量限制，功拟语音信号，转
3、变成数字语音信号；DA将数字语音能有限。本文的研究以美国公司的数字信号处信号转换成模拟语音信号，输出到耳机或者音箱。音理器(DSP)为核心的数字电话系统，实现对语音信频AD和DA的前端与后端都有放大和滤波电路。一号的数模转换、滤波等处理。本系统的抗干扰能力般隋况下，音频AD和DA集成到一个芯片上。本设强，语音效果经过DSP处理，得到质的提高。备中使用tlc320ad50。Flash保存DSP所需要的程序，由于C5402地址线是16位，其最大直接数据寻址1系统硬件电路设计11硬件电路系统的客户端处理采用TMS320一C5402实现。C54x系列DSP是高性能、低功耗DSP产品，其内部专用硬件电路
4、尤其适合于语音处理。其中，TMS320C5402指令周期为2025 as，是一种性价比较高的产品。硬件结构如图1所示。硬件电路可分为以下几个模块：话音处理模块、电话接口模块、存储模块和基本外设模块。话音处理模块包括DSP空间为64K，因此对大容量闪烁存储器寻址需要二次寻址，数据的读写和芯片的擦除等功能是通过一系列的串行操作完成的。JTAG是DSP的仿真接口，DSP还提供HPI口。该接口可与计算机连接；可与计算机进行通信，可以扩展系统的功能。C5402与EPROM、RAM之间的接口电路由FPGA实现。12工作原理送话时，话音信号从传声器经模拟话音信道传送到flc320ad50，经flc320ad
5、50对模拟话音信号采样和量化后形成的数字话音信号通过DSP送人语音2006年11月1日收到编解码模块，经语音解码模块解码以后的数字话音作者简介：皇甫忻忻，男，湖南大学硕士研究生。研究方向：数字信号仍然通过DSP传送给tlc320ad50，最后通信终端，DSP技术。Email：alpha_007163corn。tlc320ad50将语音编解码模块解码后的模拟话音信万方数据5期皇甫忻忻：基于DSP的数字电话系统853图1硬件结构图号传送到听筒中。这样就完成了一路话音信号的发送与接收。由上所述，语音信号的采集、量化和编解码，以及DSP和FPGA之间的接口通信是该系统的关键技术部分。13话音信号编解码
6、的实现采用G729建议8 kbs共轭算术码本激励线性预测CSACELP。该算法采用合成分析和感觉加权矢量量化技术，在8 kbs速率时具有很高的合成语音质量(MOS值为37)和很低的编码延时，而且抗噪声并具有优良的多次转接性能，是一种高效语音编码算法。编码原理如图2所示。模拟信号经过8 kHz采样后，量化成16位线性PCM数字信号输入到编码器进行分帧编码，帧长10 ms，将每帧信号再分成2个子帧进行线性预测分析，计算出线性预测系数并转换成线谱对(LSP)，并进行矢量量化。在最小感觉加权误差下通过合成分析的搜索过程搜索最佳矢量。，具体方案如下：将误差激励信号输入10阶LP合成滤波器1A(z)，得到
7、合成语音信号s1(n)，s1(n)与原始语音的差值经过感觉加权滤波器w(z)后得到感觉加权误差E(n)，E(t)平方最小的码矢量就是最佳码矢量。为减少编码计算量，一般采用两级码本顺序搜索的方法。第一级自适应码本搜索的目标矢量是加权LP余量信号，第二级随机码本搜索的目标矢量是第一级搜索的目标矢量减去自适应码本搜索得到的最佳码矢量激励合成加权滤波器的结果。解码是编码的逆过程。解码原理如图3所示。首先从编码数据中提取索引参数并解码，得到对应于每帧信号的编码参数(线谱对系数、两个固定码本向量，两套自适应码本和固定码本增益等)。相应于每一子帧信息对线谱对内插并转换成线性预测系数，然后将固定码本与自适应码
8、本乘各自最佳增益后相加，生成的激励信号再通过线性预测滤波器得到重建语音。对重建语音进行后处理(包括自适应滤波，高通，压扩)即得到输出语音信号。图2CELP编码原理图蔫参一图3CELP解码原理图由于CSCELP编码算法计算量很大，C54XDSP具有许多专用指令和并行指令，充分利用这些指令可以大大提高代码效率。2软件结构该系统的软件设计比较复杂，功能模块比较多，模块之间的相互调用也很频繁，对实时性的要求也比较高。功能模块主要包括：系统监测模块、系统初始化模块、话音编解码模块、主键盘监控的初始化、液晶显示的初始化、通信模块的初始化。在初始化过程中，设置键盘扫描时间、采样频率、显示状态等。软件结构如图
9、4所示。万方数据科学技术与工程7卷图4系统软件结构在程序开始时，首先对DSP的状态寄存器和控制寄存器进行相应的初始化后，接着初始化G729的编码器和解码器，然后初始化DSP串口1，设置模数转换器，初始化DSP串口2使能和FPGA进行通信。初始化完成之后便可进入程序。当通信链路建立后，先发出1个ID数据包，供通话两用户端建立握手，如果握手未能建立，则进入模拟通话状态；握手建立后就可以进入数字通话子程序。模拟语音信号接入AD之后，经8 kHz的采样，转换成数字样值送到DSP串口。由中断服务程序来完成数据的接收；中断发生时，DSP由串口的数据接收寄存器读人采样数据，放到接收缓冲，每读人一个样值，计数
10、器加1。当计数器计到80时，将标志符号置1；同时主程序不停检查标志符号的值，一旦发现标志符号为1，则调用编码模块对接收到的一帧采样信号进行编码，同时将标志符号置0。编码后完成后将编码后的数据加入控制帧，并打包发往串口，将数据发送出去。3信号处理算法31话音信号编解码本系统设备采用低比特率语音压缩技术。采用G729A作为系统编解码的标准。在编码端，输人8 kHz采样的16位线性PCM语音信号，以80个样值为单位(10 ms为一帧)进行编码。CSCELP编码器基于码激励线性预测模型，对每一帧信号进行分析，抽取CELP模型参数(包括线性预测器滤波器系数，自适应码本和固定码本索引和增益)，这些参数经编
11、码传送出去。解码端对收到的参数进行解码，重新获得激励和合成滤波器参数并重建语音。32数字滤波通信中大的模拟信号经过一个FIR带通滤波器。滤波器的通带在300 Hz3 kHz，阻带衰减为一60 dB。滤波器的各种参数可以通过软件设计加以调整。信号中的直流分量可以通过滤波器滤除，从而提高语音质量。FIR滤波器采用最优化设计，将所有的采样值作为变量，在某一优化准则下，通过计算机进行迭代运算，得到最优结果。其优化准则可以使用均方误差准则。但实践证明，应用最大误差最小化准则的等波纹迫近法是更为实用的方法，应用其设计时，阶数、通带和阻带的边缘，以及误差的加权函数都可以自由选择，十分灵活。设计得到的滤波器，
12、其误差在整个频率范围内均匀分布，因而可以以最低的阶数迫近提出的指标要求。可以把FIR滤波器的设计问题归纳为如下的加权契比雪夫迫近问题：寻找P()的一组系数n(n) (或b(rt)，c(n)，d(7,)，使E()的最大绝对值在整个频带上都达到最小。即：I E()l I=rain maxIE()I，这是在整个有意义的频带条件下得出来的。33自动增益控制对放大器的增益进行自动调节的过程，通常是为了使随输入信号电平变化而引起的输出信号电平变化减少。语音在量化采集及其传输过程中，由于信道中传输信号的衰减以及噪声对系统的干扰，使得接收信号和发送信号的幅度相差较大，从而需要自动增益控制(AGC)。数字电话通
13、过对数字信号幅度的预估，调整信号增益参数，可以保证输出最大幅度，达到最佳的语音质量。表1为一组AGC测试数据。表1AGC测试数据输入信号一645648383020一t006电平AGC的电68666564461965745552551压值输出信号一99100101101100101100100100电平万方数据5期皇甫忻忻：基于DSP的数字电话系统855输人信号强度从一64 dBm到6 dBm变化时，参考文献AGC控制电路能够相应地调节AGC控制电压VAGC的大小，从而改变电路增益，使其输出信号强1汪安民TMS320C54xxDSP实用技术北京：清华大学出版社，2002度基本稳定在一10 dBm
14、。2Spirit CorpTMS320C54CST Client Side Telephony DSP20033Silicon LaboratoriesSi3016 DS044 Datasheet20024结语数字通信终端同模拟终端相比，有许多优点，因而，有着广阔的应用前景。该系统可以应用在语音应答等场合。本系统采用的CSCELP算法码率4李镐炜，黄芝平CELP语音编码与TMS320C54X电声技术，1999；(12)5李锦宇，罗鑫，王仁华ITUTG729算法及其实时实现电子技术应用，2000；(2)：6杨行峻，迟惠生语音信号数字处理，北京：电子工业出版社，1995为8 kbits，压缩比为1
15、6：1。本系统采用FPGA，使系统所需元件大量减少，电路板面积也有所减少。另外，同单片机相比，FPGA所采用的技术比较简单。DigitalTelephone7 Motorola IncDSP56F826827 Users Mariaal8 Motorola IncDSP56F800 Family Manual9U-T Recommendation G729 Annex A Reduced complexity 8kbit S CSACELP speech codecSystem Based on DSPHUANGFU，Xin-Xin(Hunan University，Changsha 4100
16、82，PRChina)AbstractAdigital telephonesystem based on DSP is designed with TMS320C5402，a product of TIThroughthe DSPS operation，it can convert analog signals to digital signals while it can convert digital signals to analog sig nals，SO the signals can be transmitted through the telephony lineThus it
17、has been carried out that the digital signals transmission of point to poinTo improve the quality of communication，the software of system use the algorithm ofautogaincontrol(AGC)and digitai filter(FIR)Key wordsDSPdigital telephoneCELPG729FPGA万方数据基于DSP的数字电话系统作者：皇甫忻忻， HUANGFU,Xin-Xin作者单位：湖南大学,长沙,41008
18、2刊名：科学技术与工程英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING年，卷(期)：2007,7(5)被引用次数：2次参考文献(9条)1.ITU-T Recommendation G.729 Annex A Reduced complexity 8kbit /s CS-ACELP speech codec2.Motorola Inc DSP56F800 Family Manual3.Motorola Inc DSP56F826 -827 Users Manual4.杨行峻;迟惠生 语音信号数字处理 19955.李锦宇;罗鑫;王仁华 ITU-TG.729算法及其实时
19、实现期刊论文-电子技术应用 2000(02)6.李镐炜;黄芝平 CELP语音编码与TMS320C54X期刊论文-电声技术 1999(12)7.Silicon Laboratories Si3016 DS044 Datasheet 20028.Spirit Corp TMS320C54CST Client Side Telephony DSP 20039.汪安民 TMS320C54xxDSP实用技术 2002引证文献(2条)1.孙亚伟.曹乃森.蒋国峰 DSP处理器在复杂低频信号合成中的应用期刊论文-计算机工程与设计 2009(15)2.孙亚伟.黄家成.元洪波 采用DSP处理器的甚高频全向信标/仪表着陆系统标准信号源期刊论文-电光与控制 2009(7)本文链接：http:/