許博浩，郝永生，蘇偉朋

（1.軍械工程學(xué)院 河北 石家莊 050003；2.76327部隊(duì) 湖南 郴州 423000）

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的且具有通信能力的區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前已經(jīng)投入使用的“北斗一號(hào)”衛(wèi)星可以為我國(guó)覆蓋范圍內(nèi)的周邊地區(qū)提供精確的定位、授時(shí)及短報(bào)文通信服務(wù)[1]。隨著“北斗”功能的不斷完善，在各個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在抗震救災(zāi)等惡劣環(huán)境中的作用日益凸顯。在現(xiàn)有短報(bào)文通信基礎(chǔ)上通過(guò)硬件擴(kuò)展及語(yǔ)音壓縮技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸功能，更加豐富了系統(tǒng)功能，使用戶機(jī)可以向指揮中心語(yǔ)音匯報(bào)情況。

北斗衛(wèi)星通信信道較窄 （普通用戶最高傳輸速度為240字節(jié)/次），若要實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信功能需解決通信帶寬小與通信數(shù)據(jù)量大之間的矛盾。 針對(duì)以上問(wèn)題提出基于語(yǔ)音壓縮技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信的“北斗”用戶機(jī)設(shè)計(jì)方法。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由語(yǔ)音采集模塊、語(yǔ)音處理模塊、北斗通信終端及北斗指揮機(jī)構(gòu)成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System overall structure

模擬聲音信號(hào)從外設(shè)話筒輸入，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)濾波經(jīng)DSP的多通道緩沖串口存入DSP的儲(chǔ)存器，DSP對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理壓縮編碼封包后，由北斗通信終端發(fā)送到北斗指揮機(jī)，北斗指揮機(jī)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包、解碼，得到語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

2 語(yǔ)音壓縮設(shè)計(jì)

2.1 CS-ACELP語(yǔ)音壓縮編碼原理

國(guó)際電信聯(lián)盟推出的ITU-TG·729編碼方法采用共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼（CS-ACELP）算法，編碼速率為8 k bit/s具有低延遲和高編碼語(yǔ)音質(zhì)量的特點(diǎn)。輸入的語(yǔ)音信號(hào)的每80點(diǎn)為一個(gè)語(yǔ)音幀并將其分為2個(gè)子幀，經(jīng)分析語(yǔ)音信號(hào)，獲取相關(guān)參數(shù)按照一定的順序?qū)ζ溥M(jìn)行編碼送入信道[2]。CS-ACELP編碼原理如圖2所示。

圖2 CS－ACELP編碼原理圖Fig.2 CS－ACELPcoding principle diagram

編 碼 步 驟 為[3－4]：

1）語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)高通濾波器處理后，以8 kHz的頻率進(jìn)行采樣并量化得到16 bit的PCM信號(hào)進(jìn)入編碼器；

2）每10 ms對(duì)信號(hào)幀用10階線性預(yù)測(cè)作1次短時(shí)分析，然后將得到的LP濾波器系數(shù)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)SP（線譜對(duì)）參數(shù)，LSP參數(shù)用二級(jí)分裂式矢量量化，量化和未被量化的LP參數(shù)構(gòu)成感覺(jué)加權(quán)濾波器與合成濾波器系數(shù)；

3）經(jīng)過(guò)感知加權(quán)的語(yǔ)音信號(hào)減去感知加權(quán)濾波器的零輸入響應(yīng)得到目標(biāo)信號(hào)；

4）在固定碼本和自適應(yīng)碼本中搜索目標(biāo)信號(hào)，分別產(chǎn)生固定碼本激勵(lì)和自適應(yīng)碼本激勵(lì)，與各自激勵(lì)增益相乘后共同激勵(lì)合成濾波器，經(jīng)過(guò)綜合濾波器產(chǎn)生合成語(yǔ)音信號(hào)[5]。不斷重復(fù)步驟 2）～4）進(jìn)行編碼。

G·729解碼是將碼流進(jìn)行解碼，得到相應(yīng)參數(shù)并重建語(yǔ)音，整個(gè)過(guò)程也是按幀進(jìn)行的。如圖3，其步驟為：

圖3 CS－ACELP解碼原理圖Fig.3 CS－ACELP decoding principle bit

1）解碼器根據(jù)碼流結(jié)構(gòu)提取參數(shù)序號(hào)并解碼，得出參數(shù)序號(hào)對(duì)應(yīng)的10 ms語(yǔ)音幀的編碼參數(shù)；

2）每個(gè)子幀的LSP系數(shù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)P系數(shù)，固定碼本和自適應(yīng)碼本進(jìn)行增益并且二者相加，構(gòu)成語(yǔ)音激勵(lì)信號(hào)；

3）語(yǔ)音激勵(lì)信號(hào)通過(guò)LP合成濾波器得到語(yǔ)音。

2.2 基于硬件的語(yǔ)音編碼

本設(shè)計(jì)方案選用TMS320V C4510 DSP完成語(yǔ)音壓縮編碼，該芯片具有運(yùn)行速度快、功耗低、吞吐能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合用于語(yǔ)音壓縮處理[6]。該硬件系統(tǒng)配置了64 k×16 bit RAM、128 k×8 Flash ROM，分別映射到程序存儲(chǔ)器空間和程序空間。程序啟動(dòng)時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)加載，語(yǔ)音編解碼程序轉(zhuǎn)化成引導(dǎo)程序所能識(shí)別的格式存儲(chǔ)在Flash中，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)導(dǎo)儲(chǔ)存在Flash中的編解碼程序，加載到高速的DARAM和SARAM空間。語(yǔ)音輸入時(shí)，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并送入DSP的多通道緩沖串口，由中斷程序讀入，存放于主程序的緩沖區(qū)。當(dāng)緩沖區(qū)儲(chǔ)存滿則立即調(diào)用語(yǔ)音編碼程序，進(jìn)行編碼處理，DSP與北斗通信終端通過(guò)USB進(jìn)行的數(shù)據(jù)交換，隨后通過(guò)北斗通信終端進(jìn)行傳輸。圖4為基于DSP的CS－ACELP語(yǔ)音壓縮編碼實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖4 CS－ACELP語(yǔ)音編碼在DSP上的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 CS－ACELPvoice coding on the DSP implementation of system structure

輸入的語(yǔ)音在編碼時(shí)，PCM接口電路以8 kHz的頻率對(duì)語(yǔ)音信號(hào)采樣和量化，將得到的16 bit PCM信號(hào)存入緩沖區(qū)并將幀同步信號(hào)提供給DSP。DSP對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼，將編碼后的數(shù)據(jù)以10 B/幀打包，每10 ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)包給北斗通訊終端，待數(shù)據(jù)接收完畢后北斗通訊終端對(duì)數(shù)據(jù)封包發(fā)送至北斗指揮機(jī)。

3 分包傳輸與控制

北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在通訊時(shí)每次傳輸數(shù)量必須限制在240字節(jié)以內(nèi)，因此在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要對(duì)其進(jìn)行分包傳輸[7]。具體就是把大數(shù)據(jù)包拆分為系統(tǒng)所允許傳輸數(shù)據(jù)量的n個(gè)小數(shù)據(jù)包，然后每個(gè)小的數(shù)據(jù)包加上相對(duì)應(yīng)的包頭，包頭中含有數(shù)據(jù)的序列信息，將分包依次發(fā)送出去。接收端部分在接收到各個(gè)數(shù)據(jù)包后，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確認(rèn)所有數(shù)據(jù)包是否完全接收，完全接收的數(shù)據(jù)包合并成分割前的數(shù)據(jù)。

整個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程包括數(shù)據(jù)分包發(fā)送、查詢響應(yīng)信息分析以及補(bǔ)報(bào)流程。待所有家數(shù)據(jù)發(fā)送完之后向接收端發(fā)送查詢命令，查詢命令中包含本次發(fā)送信息一共含有數(shù)據(jù)包數(shù)量，通過(guò)查詢收到數(shù)據(jù)可以得知有無(wú)丟包現(xiàn)象。如果系統(tǒng)丟包則會(huì)重新發(fā)送所丟包，連續(xù)3次發(fā)送失敗怎么繼續(xù)進(jìn)行其他數(shù)據(jù)包發(fā)送，待其他數(shù)據(jù)包發(fā)送完畢后進(jìn)行補(bǔ)報(bào)發(fā)送。圖5為數(shù)據(jù)發(fā)送端工作流程。

圖5 發(fā)送端工作流程圖Fig.5 The sender work flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本實(shí)驗(yàn)對(duì)原始語(yǔ)音波形、經(jīng)過(guò)壓縮系統(tǒng)后重建語(yǔ)音波形及經(jīng)北斗發(fā)送后重建語(yǔ)音波形進(jìn)行分析，從仿真結(jié)果及實(shí)際體驗(yàn)可以得出，語(yǔ)音質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。圖6為一段1 s的語(yǔ)音波形，圖7為一段1 s經(jīng)過(guò)壓縮系統(tǒng)后重建語(yǔ)音波形，圖8為一段1 s經(jīng)北斗發(fā)送后重建語(yǔ)音波形。對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)原始語(yǔ)音與壓縮后重建語(yǔ)音波形基本接近，經(jīng)北斗傳輸后語(yǔ)音與壓縮重建語(yǔ)音幾乎完全一致，語(yǔ)音效果達(dá)到了預(yù)想要求。

圖6 原始語(yǔ)音Fig.6 The original voice

圖7 壓縮重建語(yǔ)音Fig.7 Voice compression reconstruction

圖8 傳輸重建語(yǔ)音Fig.8 Voice transmission reconstruction

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行壓縮設(shè)計(jì)，利用北斗通信功能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音傳輸，極大擴(kuò)展了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。但在實(shí)驗(yàn)北斗通信偶爾會(huì)出現(xiàn)丟包、誤碼的情況影響了語(yǔ)音傳輸?shù)馁|(zhì)量，若要廣泛應(yīng)用與各個(gè)領(lǐng)域需要進(jìn)一步加深研究，主要是要解決北斗通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r(shí)間、傳輸速率、丟包及誤碼率的問(wèn)題。隨著研究技術(shù)的不斷進(jìn)步，北斗語(yǔ)音通信功能，將在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

[1]呂偉，朱建軍.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].地礦測(cè)繪，2007，23（3）:29-32.LV Wei，ZHU Jiang-jun.BeiDou satellite navigation system development review[J].Journal of Surveying and Mapping，2007，23（3）:29-32.

[2]洪景新，陳國(guó)伙，劉光增.基于DSP的ITU-T G·729語(yǔ)音編解碼實(shí)現(xiàn)[J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2004，43（3）:335-338.HONG Jing-xin，CHEN Guo-huo，LIU Guang-zeng.ITU-T G·729 speech codec based on DSP implementation[J].Journal of Xiamen University：Natural Science Edition，2004，43（3）:335-338.

[3]劉興云.基于DSP的8 kb/s語(yǔ)音壓縮算法的分析與研究[J].湖北師范學(xué)院學(xué)報(bào)自然科學(xué)版，2005，25（1）:63-65.LIUXing-yun.Analysisand study of 8 KB/sspeech compression algorithmbased on DSP[J].Journal of Hubei Normal University Natural Science Edition，2005，25（1）:63-65.

[4]許紅麗，闞海鷹，余小清，等.G·729 CS-ACELP語(yǔ)音編碼算法的優(yōu)化及其DSP實(shí)現(xiàn)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，7（1）:13-17.XU Gong-li，KAN Hai-ying，YU Xiao-qing，et al.A speech coding algorithm based on G.729 GS-ACELP and itsimplementation[J].Journal of Shanghai University Natural Science Edition，2001，7（1）:13-17.

[5]周昕，苗長(zhǎng)云，歷彥峰，等.CS-ACELP語(yǔ)音編碼算法的優(yōu)化及其在DSP上的實(shí)現(xiàn)[J].工礦自動(dòng)化，2009（12）:69-72.ZHOU Xin，MIAO Chang-yun，LI Yan-feng，et al.CSACELP speech coding algorithm of optimization and its implementation on DSP[J].Journal of Industrial Automation，2009（12）:69-72.

[6]張雄偉，曹鐵勇.DSP芯片的原理與開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[7]成方林，張翼飛，劉佳佳.基于“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的長(zhǎng)報(bào)文通信協(xié)議[J].海洋技術(shù)，2008，1（27）:26-28.CHENGFang-lin，ZHANGYi-fei，LIUJia-jia.Thelongmessage communication protocol based on “BeiDou” satellitenavigation system[J].Marine Technology，2008，1（27）:26-28.