摘 要：該設(shè)計在保證傳送話音質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用AMBE_2000TM芯片對語音信號進(jìn)行數(shù)字化壓縮，應(yīng)用動態(tài)時分復(fù)用等技術(shù)實現(xiàn)了裝備間的數(shù)話同傳。并給出了A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路、語音編解碼芯片及單片機的電路設(shè)計。其基本保證了數(shù)話同傳、語音信息和數(shù)據(jù)信息流暢；語音通話質(zhì)量高，縮短了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)反應(yīng)時間，提高了武器裝備作戰(zhàn)性能。

關(guān)鍵詞：數(shù)話同傳；時分復(fù)用；AMBE_2000TM；語音編解碼

中圖分類號：TN912文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)24-166-03

Design of Data-speech-transmission for Antiaircraft Gun System

LI Shengjun1，2，GENG Xiangming1，DUAN Xiusheng2，ZHENG Weiping3

(1.Shanghai Jiaotong University，Shanghai，200240，China;2.Ordance College，Shijiazhuang，050003，China;

3.497 in Chongqing Military Ropresentative Office，Chongqing，400000，China)

Abstract：In this design，to ensure the quality of speech transmission，digital compression for speech signal by using AMBE-2000TM，data-speech transmission between equipments is realized by dynamic time division multiplex teihnology.The circuit design of A/D，D/A conversion，speech compression chip and single chip computer are given.It ensures smoothless of data-speech transmission，speech information and data information，a high quality reduces the response time and improves the performance of combat weapons and equipment.

Keywords：data-speech-transmission;TDMA;AMBE_2000TM;speech codec

1 引 言

某高炮武器系統(tǒng)由指揮中心配屬若干炮車、彈藥車及其他配套車輛組成，指揮中心與所屬車輛之間通過無線電臺和雙絞線傳輸作戰(zhàn)信息及語音通信，如圖1所示。數(shù)據(jù)和語音傳輸通過硬件開關(guān)控制，這種方式雖簡單、易于實現(xiàn)、但是需要人工干預(yù)，數(shù)話不能同時傳輸，導(dǎo)致作戰(zhàn)信息傳輸實時性差，影響作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。本設(shè)計在保證傳送話音質(zhì)量的基礎(chǔ)上，采用AMBE_2000TM芯片對語音信號進(jìn)行數(shù)字化壓縮，應(yīng)用動態(tài)時分復(fù)用等技術(shù)實現(xiàn)了裝備間的數(shù)話同傳。

2 系統(tǒng)的工作原理及硬件組成

系統(tǒng)模型如圖2所示，語音信號經(jīng)過數(shù)字化壓縮，與輸入的數(shù)據(jù)信號同時送的處理器，經(jīng)過軟件處理，采用時分復(fù)用的方式送給發(fā)送端數(shù)傳設(shè)備；再經(jīng)過有線或無線信道送到接收端數(shù)傳設(shè)備，進(jìn)行數(shù)話分離，語音信號經(jīng)過解碼后送到話音輸出設(shè)備，數(shù)據(jù)信號經(jīng)過格式匹配后送給數(shù)據(jù)終端。

數(shù)話同傳模塊主要由數(shù)據(jù)采集單元、語音編解碼單元、主處理單元、數(shù)據(jù)存儲傳輸單元和電源單元等組成，如圖3所示。由話筒送來的模擬語音信號由電壓變換電路將其電壓范圍轉(zhuǎn)換為適合模/數(shù)轉(zhuǎn)換的電壓輸入范圍。為了防止因為頻譜混疊而在接收端恢復(fù)時引起語音失真，對話筒來的語音信號在采樣前進(jìn)行了低通濾波，濾波時采用四階低通濾波器，由2個二階Butterworth低通濾波器串聯(lián)而成。

2.1 A/D，D/A轉(zhuǎn)換電路

模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路選用AD73311，該芯片用起來非常靈活，內(nèi)部共有5個控制寄存器組(CRA，CRB，CRC，CRD，CRE)，其中CRA用以設(shè)置AD73311的上作模式(5種)、芯片級連個數(shù)(1~8個)和軟件重置RESET；CRB用以設(shè)置主時鐘分頻因子和串行時鐘分頻因子；CRC用以設(shè)置內(nèi)部參考電壓的電源管理；CRD用以設(shè)置輸入/輸出可編程放大器的增益；CRE用以設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換通道的群延時。AD73311具有諸多優(yōu)良性能，如內(nèi)含16 b信噪比為75 dB的A/D轉(zhuǎn)換器和信噪比為70 dB的D/A轉(zhuǎn)換器，采樣頻率和輸入/輸出增益均可程控，自帶參考電壓和低功耗以及串行輸入/輸出接口等。A/D轉(zhuǎn)換編碼通道包括可編程增益放大器、模擬Σ-Δ調(diào)制器、反混疊數(shù)字濾波抽取器。輸入放大器提供0~38 dB的增益，這樣在小信號輸入時，就可省去外部的放大器，簡化了電路設(shè)計。Σ-Δ調(diào)制器采用了過采樣和噪聲形成技術(shù)。采用過采樣技術(shù)降低了輸入反混迭濾波器的要求，使量化噪聲分布在更寬的范圍內(nèi)(0~1/2過采樣率)，這樣語音通帶內(nèi)的噪聲分量就相對減少。反混疊數(shù)字濾波抽取器實際上包括反混疊數(shù)字濾波器和(32∶1)抽取器，反混疊數(shù)字濾波器用以消除高頻噪聲，濾波抽取器的作用是提高A/D轉(zhuǎn)換的分頻率和降低采樣率。D/A轉(zhuǎn)換解碼通道的構(gòu)成和工作原理與A/D轉(zhuǎn)換編碼通道相似，它包括反鏡像數(shù)字濾波內(nèi)插器、數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器，1 b D/A轉(zhuǎn)換器、低通濾波器和帶差分輸出端的可編程增益放大器。數(shù)字Σ-Δ調(diào)制器的作用是將語音通帶內(nèi)的噪聲轉(zhuǎn)移到語音通帶之外。輸出可編程放大器是將數(shù)模轉(zhuǎn)換后的模擬信號放大輸出，它的增益在＋6~－15 dB之間可調(diào)，由內(nèi)部控制寄存器D中的3位(CRD:4~6 )控制。

2.2 語音編解碼電路

人類語音頻帶基本上在10~10 000 Hz之間，其中80％的能量集中在300~3 400 Hz之間。直接傳送語音信號會占用較多的帶寬，因此，采用DVSI(Digital Voice Systems Ins)公司推出的AMBE_2000單片聲碼器芯片對語音進(jìn)行壓縮和解壓。該芯片是一款適應(yīng)性強、高性能、低功耗的單片實時全雙工語音壓縮解壓芯片，采用改進(jìn)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。MBE編碼方式在頻域中按基音各諧波頻率，將1幀語音的頻譜劃分為多個頻帶，對每個頻帶做清、濁音(U/V)判決。對濁音帶，以基音為周期的脈沖序列作為激勵信號；對清音帶，則以白噪聲作為激勵信號?？偟募钚盘栍筛鲙Ъ钚盘栂嗉訕?gòu)成。用該激勵信號激勵聲道濾波器，最終合成出具有較高自然度的語音。MBE模型使合成語音譜與原語音譜在細(xì)致結(jié)構(gòu)上能擬合得很好，因此在低比特率的情況下，其合成語音的音質(zhì)依然能保持較高的自然度。最低編碼速率可到2.0 kb/s?？偟脕碚fAMBE_2000具備功能特點為：

速率多，語音音質(zhì)高:具有2.0 kb/s，2.4 kb/s，3.6 kb/s，4.0 kb/s，4.8 kb/s，6.4 kb/s，8.0 kb/s和 9.6 kb/s八種壓縮速率當(dāng)速率在4.0 kb/s以上時，可得到接近長途電話的話音質(zhì)量;當(dāng)速率為2.0 kb/s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)。

在本系統(tǒng)中，AMBE_2000和AD73311的工作頻率都使用16.384 MHz，晶振采用有源晶振，壓縮速率選用4.8 kHz。與主處理單元的接口采用主動模式，數(shù)據(jù)格式采用有幀格式。

2.3 主處理單元

主處理單元采用Atmel公司的單片機AT89C52。AT89C52單片機具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:8 kB FLASH閃速存儲器，256 B內(nèi)部RAM，32個I/O口線，3個16位定時/計數(shù)器，1個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，1個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。采用12 MHz的晶體振蕩器，Timer0工作于模式1，每隔50 ms產(chǎn)生中斷調(diào)用看門狗子程序，防止程序跑飛；Timer2工作于自動重裝載方式，它控制著整個系統(tǒng)有序、協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作，實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)判斷，數(shù)據(jù)語音傳輸時序控制等。

傳輸信道，有線信道采用485串行通信，無線信道采用DSSS直接序列擴(kuò)頻。有效通信距離≥5 km。

主要芯片連接關(guān)系如圖4所示。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

AD73311、AMBE_2000通電后先后復(fù)位，AMBE_2000對AD73311自動進(jìn)行初始化。AMBE_2000依次發(fā)送0x8113， Ox82f9， 0x8300及0x8001。前面3個控制字設(shè)置AD73311進(jìn)入以下工作狀態(tài)：DMCLK（設(shè)備內(nèi)部主時鐘)＝MCLK（外部主時鐘)/2=8.046 MHz，SCLK(串口時鐘)＝MCLK/116＝1.024 MHz；Sample rats（采樣頻率)＝MCLK/512=32 kHz。這些數(shù)值都可在AD73311的相應(yīng)管腳測得。最后1個控制字標(biāo)志著控制字設(shè)置的結(jié)束，令A(yù)D73311進(jìn)入收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)。

在無話音數(shù)據(jù)傳輸時，AT89C52將從串口接收的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)送給數(shù)傳設(shè)備，數(shù)傳設(shè)備對傳過來的數(shù)據(jù)增加前向糾錯(FEC)、循環(huán)兀余校驗(CRC)位后，按Mobitex標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交織和擾碼處理，再附上比特同步和幀同步字節(jié)后，把數(shù)據(jù)包送到有線或無線，送到接收端。當(dāng)有話音數(shù)據(jù)傳輸時，經(jīng)過AMBE_2000壓縮后，輸出4.8 kb/s的壓縮話音數(shù)據(jù)，這些話音數(shù)據(jù)經(jīng)單片機AT89C52除包延時處理后與串口接收的外部數(shù)據(jù)一起打包送到數(shù)傳設(shè)備，在經(jīng)有線或無線信道采用9.6 kb/s傳送到接收端，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音的同時傳輸。

在數(shù)據(jù)接收時，數(shù)傳設(shè)備經(jīng)檢錯和撤包處理后，將數(shù)據(jù)傳送給主處理單元進(jìn)行判斷處理，如果是數(shù)據(jù)信號則通過格式匹配后直接送到輸出端，如果是語音信號則送到AMBE_2000進(jìn)行解壓處理，再經(jīng)AD73311輸出給喇叭。軟件流程如圖5所示。

4 結(jié) 語

該數(shù)話同傳系統(tǒng)已在某武器系統(tǒng)中得到應(yīng)用，在使用過程中操作方便，基本保證了數(shù)話同傳，語音信息和數(shù)據(jù)信息流暢，語音通話質(zhì)量高，縮短了武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)反應(yīng)時間，提高了武器裝備作戰(zhàn)性能。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介 李勝軍 男，1976年出生，男，河北冀州人，講師，碩士研究生。主要從事電氣工程方面的教學(xué)及研究工作。

耿相銘 男，1965年出生，高級工程師，碩士生導(dǎo)師。主要從事數(shù)字信號處理系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計可靠性等方面的研究工作。

段修生 男，1960年出生，河北石家莊人，副教授。主要從事武器系統(tǒng)電子測量、自動測試等方面的教學(xué)及研究工作。