普仕凡

（中國人民解放軍91550部隊(duì)，大連，116023）

海上靶標(biāo)搭載大量的靶載裝備，海上布靶時(shí)，遙控岸站與海上靶標(biāo)需要進(jìn)行對接，確定靶載裝備的工作狀態(tài)，由于海上布靶點(diǎn)無GMS網(wǎng)絡(luò)，無線對講機(jī)無法使用，隨靶出海人員與岸上人員在布靶期間的語音通信一直沒有有效解決。為解決該問題，由靶標(biāo)主管部門出資，以備份的靶載遙控 PDL數(shù)傳電臺為通信手段，研制了岸靶語音通信系統(tǒng)。經(jīng)多次出海試驗(yàn)結(jié)果表明，MBE編碼速率為2.4 kbps時(shí)語音通信效果良好、音質(zhì)自然度較好、可靠性強(qiáng)，可有效解決岸靶語音通信問題。

1 MBE算法分析[1]

岸靶語音通信采用 PDL數(shù)傳電臺為通信手段，電臺最高通信波特率為 19.2 kbps，工作時(shí)通常使用9.6 kbps，無壓縮情況下，8位A/D在8 kHz采樣下的波特率為64 kbps，遠(yuǎn)高于9.6 kbps的電臺通信波特率，為此選用AMBE-2000TM芯片為語音壓縮工具，將語音數(shù)據(jù)壓縮到9.6 kbps以內(nèi)。AMBE-2000TM使用先進(jìn)的多帶激勵(lì)（AMBE-Advanced MBE）編碼。

MBE編碼算法是用基音諧波處的譜抽樣來表示短時(shí)譜，并且在諧波間隔頻段上分別進(jìn)行清/濁音判決。合成端用一組正弦波合成譜，用噪聲譜的傅里葉反變換來合成清音譜。這種算法提出了一種由正弦模型引出的頻域模型：多帶激勵(lì)模型。MBE模型如圖1所示。首先按基音各諧波頻率，將一幀語音的頻譜分成若干個(gè)諧波帶，再以若干個(gè)諧波帶為一組進(jìn)行分帶，分別對各帶進(jìn)行清/濁、（V/U）判決，總的激勵(lì)信號由各帶激勵(lì)信號相加構(gòu)成。對于濁音帶，用基音周期的脈沖系列譜作為激勵(lì)信號譜；對于清音帶，則使用白噪聲譜作為激勵(lì)信號譜。時(shí)變數(shù)字濾波器的作用是確定各諧波帶的相對幅度和相位，起到了將這種混合的激勵(lì)信號譜映射成語音譜的作用。這種模型使合成語音譜同原語音譜在細(xì)致結(jié)構(gòu)上能夠擬合得很好，其合成端的語音質(zhì)量必然較高。

圖1 MBE語音信號產(chǎn)生模型

MBE模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

而在合成端，合成語音信號表示為：

由圖1可知，對于每一幀語音，必須估計(jì)的MBE模型參數(shù)是：基音頻率ω0（基音周期P0= 2π/ω0）、清/濁音判決和譜包絡(luò)參數(shù)Am（實(shí)際是諧波處的譜抽樣）。基音頻率和譜包絡(luò)參數(shù)的估計(jì)是同時(shí)進(jìn)行的。估計(jì)采用搜索算法和最小均方誤差準(zhǔn)則。

MBE合成算法是以MBE模型為依據(jù)，利用分析算法得到的參數(shù)來合成語音的。這里，清音和濁音分別合成，然后再將二者相加得到最終的合成語音。清音合成在頻域進(jìn)行。濁音合成可以用一組基頻ω0及其諧波為振蕩頻率的正弦波在時(shí)域中直接合成。MBE編碼在速率降到2.4 kbps時(shí)，仍能保持相當(dāng)?shù)目啥群妥匀欢取?/p>

2 總體組成及軟硬件實(shí)現(xiàn)途徑

2.1 總體組成

基于AMBE-2000的岸靶語音通信系統(tǒng)由完全相同的兩個(gè)終端構(gòu)成。每個(gè)終端由 PDL數(shù)傳電臺、RS232電路、ATmega128單片機(jī)、AMBE-2000電路、AD73311電路、音頻功放和前置音頻放大電路組成。終端總體框圖如圖2所示。

圖2 總體框圖

終端的工作過程為：發(fā)送時(shí)AMBE-2000電路讀取 AD73311電路采集的語音信號，將數(shù)據(jù)通過AMBE編碼壓縮，大約每20 ms生產(chǎn)一個(gè)壓縮數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包生成后，其EPR引腳會(huì)輸出一個(gè)短的負(fù)脈沖通知ATmega128單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。ATmega128單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后，通過數(shù)據(jù)幀格式中的幀起始數(shù)據(jù)來定位有效的語音壓縮數(shù)據(jù)并將之取出，如果終端的PPT鍵按下則通過數(shù)傳電臺將壓縮數(shù)據(jù)傳送出去。接收時(shí)ATmega128單片機(jī)收到PDL數(shù)傳電臺傳送來的壓縮數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包按照有格式數(shù)據(jù)打包送給 AMBE-2000電路解碼，解碼后的數(shù)據(jù)經(jīng)過AD73311電路的D/A變換后送給音頻功放推動(dòng)揚(yáng)聲器播放語音。

2.2 AMBE-2000外圍電路設(shè)計(jì)

AMBE-2000內(nèi)部原理如圖3所示[2]，它可以分為編碼器和解碼器兩部分。編碼器從語音串行接口接收語音數(shù)據(jù)，從信道串行接口輸出壓縮數(shù)據(jù)；反之，解碼器把從信道串行接口接收到的壓縮數(shù)據(jù)還原為語音數(shù)據(jù)，從語音串行接口輸出。編碼器和解碼器是完全異步的。

圖3 AMBE-2000內(nèi)部原理

語音串行接口和信道串行接口通常分別接A/D、D/A轉(zhuǎn)換器和微處理器，這里分別選用AD73311[3]和ATmega128單片機(jī)，它們與AMBE-2000的接口電路如圖4所示[1]。

圖4 AMBE-2000外圍電路

由圖4可知，單片機(jī)通過PA0、PA1、PA2、PA3和PA4對AMBE-2000的壓縮編碼波特率進(jìn)行選擇，本系統(tǒng)初始化時(shí)設(shè)置5位波特率選擇引腳為“10110”，選擇壓縮編碼波特率為2400 bps，F(xiàn)EC為0 bps；單片機(jī)通過PA5和PA6控制AMBE-2000的無格式語音數(shù)據(jù)位選擇端，設(shè)置使用有格式語音數(shù)據(jù)，設(shè)置PA5和PA6為“00”；單片機(jī)通過PC0和PC1控制AMBE-2000的通道軟件接口，設(shè)置PC0和PC1為“00”使用主動(dòng)有格式數(shù)據(jù)接口；單片機(jī)通過 PC2和 PC3控制AMBE-2000的A/D/A接口配置，系統(tǒng)設(shè)置PC2和PC3為“01”選擇使用AD73311芯片[4]；單片機(jī)通過PA7控制 AMBE-2000的復(fù)位引腳，通過 PC4控制AD73311的復(fù)位引腳。單片機(jī)通過PC4控制AD73311的串口使能位，初始化時(shí)PC4必須設(shè)置為“1”；單片機(jī)PE7接到按鍵PPT上，PPT用于控制語音傳送。

單片機(jī)的外中斷4與AMBE-2000的EPR引腳相連，通過外中斷4讀取AMBE-2000的編碼數(shù)據(jù)，由于AMBE-2000工作在主動(dòng)有格式狀態(tài)，因此解碼時(shí)，AMBE-2000大約每20 ms生產(chǎn)一個(gè)壓縮數(shù)據(jù)包[5]，這個(gè)數(shù)據(jù)包共有24個(gè)字節(jié)組成，數(shù)據(jù)包生成后，其EPR引腳會(huì)輸出一個(gè)短的負(fù)脈沖指示[6]，依次來決定對數(shù)據(jù)包的處理。單片機(jī)的外中斷4（INT4）設(shè)置成下跳沿觸發(fā), EPR每輸出一個(gè)下跳沿單片機(jī)就轉(zhuǎn)到外中斷4子程序去執(zhí)行，讀取一個(gè)數(shù)據(jù)包。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

由圖4可知，AMBE-2000壓縮語音信號的讀寫通過ATMEGA128單片機(jī)的SPI接口實(shí)現(xiàn)，由于文章篇幅的關(guān)系，PDL與單片機(jī)的接口電路沒有給出，本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)通過UART1經(jīng)RS232接口與數(shù)傳電臺連接。岸靶語音通信程序采用C語音編寫，可讀性強(qiáng)，存于單片機(jī)內(nèi)部的FLASH存儲器中，SPI接口和UART1接口的設(shè)置程序如下：

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

單片機(jī)上電初始化的內(nèi)容有：設(shè)置波特率選擇引腳為“10110”，即壓縮編碼波特率為2400 bps；設(shè)置使用有格式語音數(shù)據(jù)；設(shè)置使用主動(dòng)有格式數(shù)據(jù)接口；設(shè)置選擇使用AD73311芯片作為A/D、D/A芯片；設(shè)置 SPI工作在主機(jī)模式，速率為 fosc /64；設(shè)置UART1波特率為9600、8位數(shù)據(jù)、1位停止位；設(shè)置外中斷INT4、INT7工作在下降沿觸發(fā)模式。

程序正常工作過程中，時(shí)刻監(jiān)測外中斷INT7和UART1的接收中斷數(shù)據(jù)，如果外中斷INT7出現(xiàn)下降沿觸發(fā)并始終為低電平，程序轉(zhuǎn)到外中斷7執(zhí)行，循環(huán)讀取語音壓縮數(shù)據(jù)并通過數(shù)傳電臺發(fā)送，直到INT7為高電平；程序正常工作過程中如果UART1接收到有效的語音壓縮數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)根據(jù)AMBE-2000的編碼數(shù)據(jù)包的格式打包，通過 SPI接口發(fā)送給AMBE-2000芯片播放。

在設(shè)計(jì)SPI讀取AMBE-2000的編碼數(shù)據(jù)程序中，當(dāng)INT4中斷到來時(shí)，通過讀取幀頭字節(jié)0x13、0x EC來定位有效數(shù)據(jù)的位置。另外，第2～6個(gè)字為壓縮數(shù)據(jù)率特征字，在特定的數(shù)據(jù)率下，這5個(gè)字也是確定的。所以可以采用多幀頭匹配的方法來提高有效數(shù)據(jù)定位的可靠性。第12～23 byte為語音壓縮數(shù)據(jù)，壓縮率為 2400 bps時(shí)，有效的壓縮語音數(shù)據(jù)位數(shù)為：2400/50=48位，48/8＝6 byte。也就是說只有 6 byte語音壓縮數(shù)據(jù)，其它數(shù)據(jù)位為0。程序設(shè)計(jì)時(shí)，單片機(jī)的UART1接口只傳輸有用的數(shù)據(jù)，數(shù)傳電臺發(fā)送的數(shù)據(jù)格式見表1。

表1 發(fā)送數(shù)據(jù)格式

3 結(jié)束語

岸靶語音通信系統(tǒng)研制過程中，進(jìn)行了拉距試驗(yàn)，從大連老鐵山361高地至營口耗山，海圖測量其距離為48.1 n mile，即89 km。岸站和靶載兩端語音通話正常，并獲得了較高的語音通話質(zhì)量。岸靶語音通信系統(tǒng)研制完成后，多次出隨任務(wù)出海使用，使用中系統(tǒng)通話穩(wěn)定可靠。MBE編碼速率為2.4 kbps時(shí)語音可清晰識別，音質(zhì)自然度較好。

使用PDL數(shù)傳電臺和AMBE-2000芯片相結(jié)合實(shí)現(xiàn)語音通信的技術(shù)，可以應(yīng)用到需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離無線通信的場合，而且 PDL數(shù)傳電臺的數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定性好，可以使用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)話同傳功能。

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[4] 張歆奕, 盧敦陸, 張有為. AD73311通用模擬前端的原理及其在語音處理中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用, 1999, (8): 53-55.

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