張迎春，倪永婧

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081;

2.河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050000)

0 引言

在數(shù)字通信系統(tǒng)中接入話音是很常見的，話音通信的進程不同，通信系統(tǒng)中就需要產(chǎn)生不同的信令音。信令音的產(chǎn)生是話音通信不可缺少的一部分，信令音能使話音通信的操作員清楚地了解到通信的進展情況，從而根據(jù)通信進展的各個不同階段而做出不同的操作。

在程控交換機、話音郵政等通信設(shè)備中，信令音的產(chǎn)生也是一個獨立且必須的功能組成部分。目前數(shù)字信號處理器(DSP)的發(fā)展使開發(fā)者能快速、準(zhǔn)確實現(xiàn)各種復(fù)雜算法，這就使基于DSP的音頻信令處理模塊得以實現(xiàn)。

1 方案設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

基于DSP的音頻信令處理模塊作為一個獨立的插件，其基本組成框圖如圖1所示。

圖1 音頻信令處理模塊組成框圖

該模塊主要完成音頻信令的檢測及產(chǎn)生，硬件實現(xiàn)簡單，其基本組成框圖如圖1所示。DSP選用電路 TMS320VC5509，復(fù)位管理電路選用IMP809SEUR，電源管理電路選用TPS72116DBVT。

1.2 軟件設(shè)計

音頻信令處理模塊的軟件流程如圖2所示。

圖2 音頻信令處理流程圖

該軟件是以模塊化的方式實現(xiàn)，主要包括初始化模塊、音頻處理模塊、HPI收發(fā)模塊以及McBSPs收發(fā)模塊。各模塊主要功能如下:

①初始化模塊:系統(tǒng)加電初始化、自檢;

②音頻處理模塊:根據(jù)控制接口收到的命令選擇相應(yīng)的音頻信號檢測器，對從多通道緩沖型串行接口(McBSPs)收到的PCM音頻數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波、頻譜分析及能量判決，產(chǎn)生音頻信號報告;選擇音頻信號發(fā)生器，產(chǎn)生相應(yīng)的音頻信號;

③McBSPs收發(fā)模塊:完成PCM音頻數(shù)據(jù)流接收和發(fā)送;

④HPI收發(fā)模塊:完成所在系統(tǒng)的控制器單元與音頻處理單元之間的消息接收和發(fā)送。

2 需解決的問題

2.1 音頻信令檢測器

由于音頻信令處理模塊接收與處理的數(shù)據(jù)流是8 kHz采樣的A律編碼的2 Mbps的PCM數(shù)字碼流，因此整個識別過程就是A律解碼、數(shù)字濾波及雙音多頻/信號音譯碼。

2.1.1 A 律解碼

A律解碼是將A律13折線非線性碼線性化。對于8 bit的A律碼(a1a2a3a4a5a6a7a8)2，其解碼算法如下:判斷a1之值，確定符號;取出a1a2a3，乘以相應(yīng)段落碼起始值得x1;取出a4a5a6a7，乘以相應(yīng)段內(nèi)階梯得x2;將x1與x2相加，并依據(jù)之前所得符號性質(zhì)進行修正，就恢復(fù)出了線性碼。

2.1.2 數(shù)字濾波

數(shù)字濾波是識別雙音多頻/信號音譯碼的核心部分，采用Goertzel算法，其推導(dǎo)如下:

令:

按照該式的變形可以推導(dǎo)出系統(tǒng)函數(shù)的二階遞歸計算流圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)函數(shù)的二階遞歸計算流圖

式中，n=0，1，…，N － 1 ，

由于系數(shù)是實數(shù)，而 －1可以由減法代乘法，所以實現(xiàn)此系統(tǒng)極點只要2次乘法和4次加法。又由于只要求系統(tǒng)所處狀態(tài)能使yk［N］為可計算的，所以實現(xiàn)零點要求的與－WkN相乘的運算不必每步都作，而只要在第N步作一回即可。所以總的計算量為2N次實數(shù)乘法與4N次實數(shù)加法，比起式(4)直接記算的方法效率提高1倍。

2.1.3 雙音多頻/信號音譯碼

信號音有 450 Hz、1 100 Hz、2 100 Hz可能出現(xiàn)的頻率點，檢測時用上述算法依次檢測信號中這3個頻率分量的幅值，選擇一定的門限對單音所在頻帶能量進行判斷，如果超過門限即判其為單音。

雙音多頻信號中有8個可能出現(xiàn)的頻率點，每次檢測時用上述算法依次檢測信號中這8個頻率分量的幅值，并根據(jù)其大小判斷信號存在的2個頻率分量，進行查表就可以完成譯碼。

2.2 音頻信令發(fā)生器

2.2.1 雙音多頻發(fā)生器

雙音多頻(DTMF)發(fā)生器主要是通過2個可編程的二階數(shù)字正弦振蕩器組成，其中一個是行振蕩器，另一個是列振蕩器，這樣的2個振蕩器就代替了8個振蕩器。對于每個DTMF數(shù)字編碼，只要給2個振蕩器賦予相應(yīng)的系數(shù)和初始條件，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，通過8 kHz采樣輸出。

2.2.2 信號音發(fā)生器

信號音的產(chǎn)生依賴于正弦信號的產(chǎn)生，每一個音頻信號的產(chǎn)生都可由二階正弦波數(shù)字振蕩器完成。為適應(yīng)不同頻率的單音的產(chǎn)生，信號音發(fā)生器設(shè)計為一個可編程數(shù)字正弦振蕩器，根據(jù)所要產(chǎn)生的信號音，賦予合適的系數(shù)和初始條件，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，通過8 kHz采樣輸出。

2.2.3 2FSK 發(fā)生器

2FSK發(fā)生器主要是通過2個可編程的數(shù)字正弦振蕩器組成，賦予相應(yīng)的系數(shù)和初始條件，產(chǎn)生相應(yīng)的頻率，通過8 kHz采樣，根據(jù)調(diào)制數(shù)據(jù)“1”、“0”，接通相應(yīng)的正弦振蕩器輸出。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)字信號處理器配置

數(shù)字信號處理器外接10 MHz的晶振，通過配置時鐘模式選擇管腳配置成10倍的倍頻，提高軟件的運算速度。

模擬的音頻信號經(jīng)過系統(tǒng)的A/D變換模塊后變成數(shù)字信號，音頻信令模塊接收該數(shù)字信號經(jīng)DSP處理后把運算解碼后的結(jié)果通McBSPs送給D/A變換模塊，再把變換后的音頻信號送給音頻設(shè)備。該設(shè)計只使用第1路McBSPs，McBSPs硬件工作條件是:

①串口接收時鐘(BCLKR0)、串口發(fā)送時鐘(BCLKX0)配置成輸入方式，時鐘頻率為2.048 MHz;

②接收幀同步脈沖(BFSR0)、發(fā)送幀同步脈沖(BFSX0)頻率為8 kHz;

③McBSPs在BCLKR0的下降沿對串口輸入數(shù)據(jù)(BDR0)進行采集，在BCLKX0的上升沿輸出數(shù)據(jù)(BDX0);

④McBSPs工作在中斷方式。

3.2 McBSPs采樣時序

McBSPs接口的各管腳邏輯必須嚴(yán)格遵循一定的對應(yīng)關(guān)系才可以做到無誤碼地接收和發(fā)送PCM音頻數(shù)據(jù)碼流，從而才可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)音頻信令檢測和DTMF檢測。

與音頻信令檢測模塊連接的音頻PCM編解碼設(shè)備遵循的采用時序也要與音頻信令檢測模塊McBSPs接口的采用時序相同。

4 結(jié)束語

基于DSP的音頻信令處理模塊能產(chǎn)生滿足YDN065-1997《郵電部電話交換設(shè)備總技術(shù)規(guī)范書》標(biāo)準(zhǔn)的信令音，同時能對滿足該標(biāo)準(zhǔn)的DTMF和信令音進行檢測。

在實際的話音應(yīng)用系統(tǒng)中，有時電話交換設(shè)備產(chǎn)生的信令音的頻率有偏差，只需對該設(shè)計中DSP的軟件算法的參數(shù)進行修改即可實現(xiàn)。

該模塊體積小，只需以單排插針即可接入應(yīng)用的目標(biāo)系統(tǒng)，使用非常方便。

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