基于CMX618的數(shù)字語音通信系統(tǒng)

0 引 言

近年來，通信事業(yè)發(fā)展迅速，各種新技術(shù)相繼出現(xiàn)，使人們對通信質(zhì)量的要求更為苛刻，以致頻譜資源越來越緊張。在保證良好通信質(zhì)量的情況下，如何提高頻譜利用率，已經(jīng)成為一個難題。通信系統(tǒng)中，語音編碼技術(shù)是移動通信數(shù)字化的基礎(chǔ)，語音編碼決定了接收的語音質(zhì)量和系統(tǒng)容量。低比特率語音編碼提供了解決該問題的一種方法，在編碼器能夠傳送高質(zhì)量語音的前提下，語音編解碼比特率越低，就可以在一定的帶寬內(nèi)容納更多的語音通道。因此，人們不斷地尋求新的編碼方法，以求在低比特率的前提下，提供較高的語音質(zhì)量。

英國CML公司推出的語音編解碼芯片CMX618，能夠以較低的比特率進行編解碼處理，并保證很高的語音質(zhì)量。在此基于CMX618設(shè)計實現(xiàn)了一個數(shù)字語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但功能強大，而且它的工作電壓很低，功耗很小，非常適合通信領(lǐng)域開發(fā)使用。

l CMX618功能與特點

1．1 RALCWI算法

CMX618是接近長話級的半雙工語音編解碼芯片，通過一種新的數(shù)據(jù)速率算法技術(shù)——RALCWI技術(shù)，對語音進行編解碼處理。RALCWI是一種魯棒的先進的復(fù)雜性波形插入技術(shù)，與其他語音編解碼技術(shù)不同，它使用獨有的信號分解和參數(shù)編碼方法，可確保在較高的壓縮率下有很好的語音質(zhì)量。在聲碼器中，采用RALCWI技術(shù)實現(xiàn)的語音質(zhì)量與編碼位速率在4 Kb／s以上的標準聲碼器話音質(zhì)量基本相符。它的MOS(平均意見得分)處于3．5～3．6之間，而且表現(xiàn)相當優(yōu)秀。

RALCWI聲碼器以幀一幀為基礎(chǔ)進行傳輸。在8 kHz的采樣速率下，對語音信號進行分幀處理，每幀語音包含160個采樣點，形成20 ms的元語音幀。語音編碼器以較高的計時分辨率(8次／幀)進行語音分析，對每一個語音段都會生成一系列的評估參數(shù)。然后，使用不同的矢量量化(VQ)方法，這些估算參數(shù)被量化生成41 b，48 b或55 b的幀。值得一提的是，這些向量量化值是以多語言語音為基礎(chǔ)進行混合編排的，包含了東西方多種語言的語音采樣值。

1.2 芯片主要功能及特點

CMX618語音編解碼芯片體積小，性能高，功耗低，其具體特點如下：

(1)編碼時，有三種位速率可供選擇(2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s)。在選擇前向糾錯編碼(FEC)的情況下，可通過信道編碼和交織處理形成3 600 b／s的位數(shù)據(jù)流(60 ms／216 b的數(shù)據(jù)包或80 ms／288 b數(shù)據(jù)包)。

(2)解碼時，可選擇前向糾錯(FEC)解碼器對輸入編碼后的語音位流(216 b／60 ms或者288 b／80 ms的數(shù)據(jù)包)進行解交織和信道解碼，生成糾錯后的編碼語音位速率為2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s，速率依據(jù)所選的模塊而定。當使用FEC解碼器時，可利用“軟決策”方法增強解碼功能，減小誤碼的產(chǎn)生。

(3)內(nèi)部含有一個集成的語音壓縮／解壓器(CODEC)，實現(xiàn)模擬語音到低位速率編碼的壓縮／解壓過程。

(4)芯片大部分功能，均可通過軟件編程的方式，配置內(nèi)部的寄存器來實現(xiàn)，簡單方便。

(5)具有非連續(xù)發(fā)送檢測(DTX)、舒適噪聲生成器(CNG)、語音激活檢測(VAD)和雙音多頻信號檢測(DTMF)的檢測和產(chǎn)生等輔助功能，使語音性能達到最佳。

1．3 CMX618工作原理

CMX618內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由結(jié)構(gòu)圖可以看出，CMX618主要由音頻壓縮／解壓器(CODEC)、RALCWI編解碼器、前向糾錯編解碼器和其他特殊功能模塊幾部分組成。

編碼時，輸入的模擬語音首先要經(jīng)過音頻壓縮／解壓器(CODEC)模塊，進行調(diào)節(jié)增益、A／D轉(zhuǎn)換、濾波和壓縮處理，然后進入編碼器中開始編碼。編碼后，如果選擇使用前向糾錯(FEC)功能，則會對編碼進行糾錯處理，盡量消除誤碼。這樣，編碼后的語音數(shù)據(jù)，按選擇的位速率和幀的結(jié)構(gòu)生成數(shù)據(jù)包，利用C-BUS串行總線，傳輸?shù)轿⒖刂破鱈PC2138中。

解碼是編碼的逆處理過程。經(jīng)C-BUS串行總線傳輸?shù)臄?shù)字語音，進入解碼器(可選擇FEC功能)開始解碼，然后經(jīng)過解壓、濾波、D／A轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)增益等處理后，就成為可以聽到的模擬語音。另外，在編碼和解碼期間，如果選擇一些輔助功能，例如非連續(xù)發(fā)送檢測(DTX)、語音激活檢測(VAD)或雙音多頻信號檢測(DTMF)時則需另行處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)

2．1 微控制器

ARM微控制器具有內(nèi)核耗電少，功能強，成本低等優(yōu)點，現(xiàn)在多應(yīng)用于無線通信、GPS、智能手機開發(fā)等諸多領(lǐng)域。這里選用PHILIPS公司的LPC2138作為數(shù)字語音通信模塊的主控制器。LPC2138是一個基于支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器芯片，較小的封裝和很低的功耗使LPC2138特別適用于小型系統(tǒng)中。此外，由于LPC2138片內(nèi)集成了ROM，RAM，A／D和多個外設(shè)模塊，如通用I／O口、定時器、串行口等，因此非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語音識別、低端成像等場合，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能。

2．2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)

基于CMX618的語音通信模塊主要由語音編解碼器CMX618和LPC2138組成，如圖2所示。

該語音通信系統(tǒng)使用CMX618內(nèi)置的CODEC模塊，其內(nèi)部集成了A／D和D／A轉(zhuǎn)換、通道濾波、增益調(diào)節(jié)等功能，足以滿足對模擬語音的抽樣、量化等操作的指標要求。因此，無需再外接芯片，也節(jié)省了大量的物理空間，這在實際的開發(fā)設(shè)計中是十分重要的。

微控制器LPC2138通過C-BUS串行總線與CMX618連接。C-BuS是一個四線中斷一驅(qū)動串行系統(tǒng)，可在主控制器和CMX618內(nèi)部寄存器間進行數(shù)據(jù)傳輸、控制或狀態(tài)信息的發(fā)送。

2．3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要是編寫CMX618的驅(qū)動程序，以及對主控制器LPC2138進行編程實現(xiàn)對CMX618的控制。在上電后，首先應(yīng)初始化CMX618和LPC2138。對語音編解碼芯片，要配置其中的一些功能寄存器，這包括設(shè)置編解碼位速率、組幀結(jié)構(gòu)、增益大小、輔助功能選用以及開啟中斷標志位等；對主控制芯片，則要配置接口方式、中斷條件和傳輸速率等。

作者：柴政，謝曉明，李 博 來源：現(xiàn)代電子技術(shù)