數(shù)字化全雙工語音會(huì)議電路

語音會(huì)議和全雙工語音會(huì)議

“語音會(huì)議”常被稱為“電話會(huì)議”，但電話會(huì)議只是語音會(huì)議的形式之一。實(shí)際上，語音會(huì)議的用戶終端并不限于電話機(jī)，也可以是調(diào)度機(jī)、會(huì)議機(jī)、指揮機(jī)等各種通信設(shè)備的語音終端；語音會(huì)議的通信網(wǎng)絡(luò)也并不限于普通的二線制PSTN電話網(wǎng)絡(luò)，還可以是四線制的語音網(wǎng)絡(luò)、專用的無線通信網(wǎng)絡(luò)或者有線/無線結(jié)合的綜合通信網(wǎng)絡(luò)。

在語音會(huì)議中，每個(gè)與會(huì)者都可以收聽會(huì)議，但不一定能夠發(fā)言。如果與會(huì)者要通過申請(qǐng)才能發(fā)言，那么習(xí)慣上稱其為“半雙工”語音會(huì)議。要申請(qǐng)發(fā)言，并不是一件方便的事。因?yàn)榧热皇前腚p工，與會(huì)者在自己的終端上說話會(huì)議是聽不到的，他要么再用別的通信設(shè)備來向會(huì)議主持者提出他的發(fā)言請(qǐng)求，要么就只能在自己的終端上通過語音以外的方式來發(fā)出申請(qǐng)，如拍打叉簧開關(guān)或按雙音多頻撥號(hào)鍵來發(fā)出信號(hào)等。

如果每個(gè)與會(huì)者除了能夠收聽會(huì)議外，還可以自由發(fā)言，那么就是“全雙工”語音會(huì)議。這里的“自由”是指電路上能夠讓與會(huì)者的語音隨時(shí)發(fā)出供大家收聽，至于會(huì)議規(guī)則是允許或是禁止某個(gè)用戶在某個(gè)時(shí)段發(fā)言則另當(dāng)別論。顯然，全雙工會(huì)議更方便，更有效率。但全雙工會(huì)議的電路要復(fù)雜得多，尤其是較大門次(32門以上)的全雙工語音會(huì)議。

　　語音會(huì)議的實(shí)現(xiàn)方法

無論是哪種語音會(huì)議，主要采用的都是語音求和技術(shù)。實(shí)現(xiàn)方法是把所有發(fā)言者的語音信號(hào)求和后發(fā)送給各個(gè)有權(quán)收聽的與會(huì)者，但每路都不能接收自己發(fā)送的語音，以避免自發(fā)自收的反饋信號(hào)造成回聲嘯叫。在最簡(jiǎn)單的情況下，每個(gè)與會(huì)者的收聽權(quán)是相等的，如果這時(shí)每路的收發(fā)語音已分離(四線制或經(jīng)過了二/四線變換)，那么有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是把除本路以外的n-1路(n為會(huì)議用戶數(shù))發(fā)送語音求和后送給本路接收，用模擬語音電路來實(shí)現(xiàn)時(shí)需要用到n個(gè)n-1路的語音加法器；另一種方法是把全部的發(fā)言都相加后減去某個(gè)用戶的發(fā)言再發(fā)送給這個(gè)用戶，用模擬電路時(shí)需要用到1個(gè)n路的加法器和n個(gè)2路的減法器。每個(gè)加/減法器的模擬電路都可以用運(yùn)算放大器和若干個(gè)電阻來實(shí)現(xiàn)。第二種方法由于求和的路數(shù)少，雖然多用1個(gè)運(yùn)放，卻可少用許多電阻和連線。但用第二種方法時(shí)，如果模擬減法器的增益沒有調(diào)到使本路語音完全被抵消，就會(huì)產(chǎn)生收發(fā)串音。

在模擬式語音會(huì)議電路中，如果需要視情況決定是否接受每個(gè)與會(huì)者的發(fā)言申請(qǐng)，那么還要增加模擬開關(guān)來控制每路語音是否參加求和運(yùn)算。

當(dāng)開關(guān)數(shù)量多時(shí)，還必須加入譯碼電路來分別選通這些開關(guān)。由于不得不使用大量運(yùn)放、電阻、模擬開關(guān)、譯碼器及信號(hào)線和控制線，使得大門次的模擬式語音會(huì)議電路變得十分煩瑣復(fù)雜，集成度低，功耗大。

如果語音會(huì)議系統(tǒng)建立在PCM/TDM(脈沖編碼調(diào)制/時(shí)分多路復(fù)用)數(shù)字交換平臺(tái)上，這時(shí)處理的是數(shù)字化了的語音信號(hào)，一般可用ASIC(特定用途集成電路)器件來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化語音會(huì)議功能， 如Zarlink公司的MT8924、ST公司的M34116等芯片。ASIC器件使用方便、成本低，但通常只能處理1幀PCM信號(hào)中32個(gè)時(shí)隙的語音。如果要實(shí)現(xiàn)大門次的全雙工會(huì)議，就只有把多片這類器件組合起來復(fù)用，為此還得再配上時(shí)隙交換芯片(如MT8980等)來調(diào)整各路信號(hào)的時(shí)隙關(guān)系、增加譯碼電路來分別選通各片器件。這一來電路的復(fù)雜度又增加了，而且功能更改困難。

相比之下，F(xiàn)PGA技術(shù)能夠提供一個(gè)集成度更高、更靈活的解決方案。FPGA的優(yōu)勢(shì)在于，能夠輕易地在其芯片內(nèi)設(shè)計(jì)和配置出大量并行工作的加/減法器，來處理多路語音信號(hào)。FPGA片內(nèi)的加/減法器是純硬件結(jié)構(gòu)，能夠相當(dāng)精確地設(shè)計(jì)其語音輸出入信號(hào)的時(shí)序關(guān)系，并可通過EDA軟件準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和仿真電路的實(shí)時(shí)特性。這對(duì)于語音之類實(shí)時(shí)性要求很高的信號(hào)來說是十分重要的。FPGA成本低廉，用來實(shí)現(xiàn)全雙工語音會(huì)議功能時(shí)，除配置芯片外不需要再加其它外圍芯片，十分接近于單芯片的解決方案。

　　基于FPGA的全雙工語音會(huì)議電路

圖1即為基于FPGA的數(shù)字化全雙工語音會(huì)議電路的原理框圖。

圖1中間框內(nèi)的電路全部由一片F(xiàn)PGA芯片來實(shí)現(xiàn)。模擬語音信號(hào)通過PCM編碼器成為串行數(shù)字語音信號(hào)送入FPGA芯片。PCM語音編碼以32個(gè)時(shí)隙組成1幀，每路語音占用1個(gè)時(shí)隙。為了發(fā)揮FPGA并行處理信號(hào)的長(zhǎng)處，把輸入語音信號(hào)每32路作為1組，經(jīng)編碼后成為1幀PCM信號(hào)，F(xiàn)PGA對(duì)各幀信號(hào)進(jìn)行并行處理。例如輸入是128路語音時(shí)，F(xiàn)PGA就同時(shí)處理4幀PCM信號(hào)。經(jīng)FPGA處理后的信號(hào)最終仍然分幀輸出，經(jīng)PCM解碼器后還原為模擬語音。圖中為了說明信號(hào)流程把PCM編碼器和解碼器分開來畫，實(shí)際上編解碼器是集成于同一芯片內(nèi)的。

以下簡(jiǎn)要說明FPGA內(nèi)各電路模塊的功能：

串行/并行轉(zhuǎn)換電路

輸入到FPGA的串行PCM信號(hào)通過該電路將每時(shí)隙8比特的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成8位的并行信號(hào)，然后暫存在用FPGA片內(nèi)RAM資源設(shè)計(jì)成的雙端口存儲(chǔ)器中。雙端口存儲(chǔ)器的另一端按要求的時(shí)序依次輸出各并行數(shù)據(jù)，供后續(xù)處理。

A律碼/線性碼轉(zhuǎn)換電路

本部分電路完成8位A律PCM碼到13位線性碼的轉(zhuǎn)換，以便隨后對(duì)語音進(jìn)行線性運(yùn)算。轉(zhuǎn)換電路用AHDL語言編寫。在每幀的125μs時(shí)間內(nèi)32路PCM語音信號(hào)分時(shí)使用本電路，因此每32路可共用1個(gè)碼型轉(zhuǎn)換電路。

靜噪門限控制電路

全雙工會(huì)議的發(fā)言通道向每個(gè)與會(huì)者敞開，雖然同時(shí)發(fā)言的用戶總是少數(shù)，但任何一路即使不發(fā)言也會(huì)產(chǎn)生噪聲。如果所有的輸入噪聲都被迭加求和后放出，將嚴(yán)重影響會(huì)議效果。因此，必須對(duì)每路輸入語音實(shí)施靜態(tài)噪聲控制。噪聲控制的原理是設(shè)置一個(gè)門限值，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度低于門限值則認(rèn)為是噪聲拒絕其通過，高于門限則認(rèn)為是語音而放行。但某些突發(fā)噪聲也可能在短時(shí)間的幅度高于門限值，語音中也會(huì)有幅度比噪聲更小的有用信號(hào)或短暫的無聲停頓。因此，靜噪門限電路還應(yīng)該具有“前延時(shí)”功能以阻擋短促的突發(fā)噪聲，具有“后延時(shí)”功能以防止話音斷續(xù)。

幀加法器

通過前面電路的處理，每幀PCM信號(hào)已經(jīng)轉(zhuǎn)換成了32路分時(shí)的13位并行線性碼，每路信號(hào)的持續(xù)時(shí)間是3.9μs。幀加法器的作用是累加這32路信號(hào)，其單元電路如圖2。

圖2 中加法器add_sub在每幀起始時(shí)被frame信號(hào)清零。隨后在第1個(gè)3.9μs時(shí)間內(nèi)，第1路線性碼的低12位數(shù)據(jù)l[11..0]送入加法器，符號(hào)位l12則用來控制加或減。加法器的輸出ds[11..0]反饋回來，在第2個(gè)3.9μs周期里和第2路信號(hào)相加，其和再反饋回來和第3路信號(hào)相加。如此在1幀時(shí)間里完成全幀32路語音信號(hào)的求和運(yùn)算。

在多路語音信號(hào)相加時(shí)，如果求和所得信號(hào)溢出，語音將產(chǎn)生限幅失真。為解決這一問題，用雙向計(jì)數(shù)器carry_counter來擴(kuò)展“和”的動(dòng)態(tài)范圍。用a/c_clock信號(hào)的上升沿執(zhí)行加/減法操作、下降沿執(zhí)行進(jìn)/退位操作。采用這一技術(shù)比簡(jiǎn)單地增加加法器的數(shù)據(jù)寬度節(jié)省芯片的邏輯資源。通常carry_counter用4位計(jì)數(shù)器就夠了。

summing_enable信號(hào)用來允許/禁止某路語音參加求和。如果要禁止某路發(fā)言，當(dāng)加法器對(duì)該路數(shù)據(jù)求和時(shí)，使summing_enable為低即可。

求和后的線性碼ds[11..0]和進(jìn)/退位信號(hào)ds[15..12]在每幀結(jié)束時(shí)被sum_latch信號(hào)鎖存，然后在sum_out信號(hào)有效時(shí)輸出。

全局加法器

來自各個(gè)幀加法器的輸出分時(shí)選通三態(tài)總線，相繼送入全局加法器，在全局加法器里累加所有各幀的信號(hào)。從全局加法器輸出的“和”信號(hào)就包括了所有與會(huì)者的發(fā)言。全局加法器的電路設(shè)計(jì)類似于幀加法器。

本路減法器和延時(shí)電路

本路減法器由32路信號(hào)分時(shí)共用，從全部“和”信號(hào)中減去一路信號(hào)再輸出到該路，這路就收到了除自己以外的所有其它與會(huì)者的發(fā)言。但是由于兩次累加過程，“和”信號(hào)已經(jīng)產(chǎn)生了兩幀時(shí)間的延遲，因此必須把擬減去的本路信號(hào)先做相同的延時(shí)，然后再相減。只要在前面的累加過程中沒有產(chǎn)生限幅失真，本路信號(hào)就能夠被精確地減除掉。

線性碼/A律碼轉(zhuǎn)換電路

從本路減法器輸出的仍是線性碼，通過本模塊轉(zhuǎn)換回A律編碼。該轉(zhuǎn)換電路也是1幀32路信號(hào)分時(shí)共用的。

并行/串行轉(zhuǎn)換電路

最后把運(yùn)算完畢的并行信號(hào)轉(zhuǎn)換成符合PCM時(shí)序要求的串行信號(hào)，即可輸出給PCM解碼器，得到供各用戶收聽的語音會(huì)議信號(hào)。

時(shí)序發(fā)生器

時(shí)序發(fā)生器外接16.384MHz的有源晶振，導(dǎo)出3組同步的時(shí)鐘信號(hào)：FPGA內(nèi)各邏輯處理電路的時(shí)序信號(hào)、FPGA和外部處理器接口的時(shí)序信號(hào)、PCM編解碼器的時(shí)鐘信號(hào)。

外部處理器接口

　　本接口通過地址、數(shù)據(jù)、控制三組總線連接到FPGA片外的單片機(jī)或嵌入式計(jì)算機(jī)。通過本接口，外部處理器可以設(shè)定和選擇FPGA的功能，如禁止某路發(fā)言或收聽等。

如把數(shù)據(jù)和控制總線設(shè)計(jì)成雙向的，還可以讀取到FPGA內(nèi)各路用戶的語音狀態(tài)信息。

　　設(shè)計(jì)結(jié)果

以上電路用Altera公司的QuartusⅡ 5.1版軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真和下載編程，選用的FPGA是Altera公司Cyclone系列的EP1C6 T144芯片。本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是各路信號(hào)處理流程中的時(shí)序關(guān)系必須嚴(yán)格符合PCM信號(hào)的時(shí)序要求，否則會(huì)影響語音質(zhì)量。為此要認(rèn)真進(jìn)行電路波形的仿真，還要保證所有波形去除掉“毛刺”使電路能穩(wěn)定工作。設(shè)計(jì)完成后對(duì)32路、128路等全雙工語音會(huì)議進(jìn)行了實(shí)際電路的制作和實(shí)驗(yàn)，試聽語音會(huì)議的音質(zhì)優(yōu)良，效果完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

依據(jù)上述設(shè)計(jì)原理，對(duì)電路做些改變，還能夠進(jìn)一步擴(kuò)展語音會(huì)議的功能，如分組會(huì)議、調(diào)度會(huì)議、通播會(huì)議等。

作者：上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 陳演平 來源：電子產(chǎn)品世界