引 言
目前，模擬電話機(jī)產(chǎn)品占據(jù)電話終端的主導(dǎo)地位,，但模擬電話只能傳輸語音信號,；而數(shù)字電話具有高保密、可存儲,、信號質(zhì)量好等優(yōu)點,。模擬電話機(jī)向數(shù)字電話機(jī)的過渡是電話終端發(fā)展的必然。本文研制出以美國TI公司的客戶端數(shù)字信號處理器(DSP)為核心的數(shù)字電話系統(tǒng),，配置音頻AD和DA以及電話線側(cè)信號處理芯片,，實現(xiàn)對語音信號的采集和輸出、調(diào)制和解調(diào),、處理和存儲等功能,。語音信號的處理包括回音相消、自動增益調(diào)整(AGC),、自動功率調(diào)整(APC)以及數(shù)字濾波等功能,。該系統(tǒng)具有數(shù)字化、小型化和價格低的特點,，可以應(yīng)用于各種保密場合,、強(qiáng)噪聲現(xiàn)場通信以及各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。
1 客戶端處理芯片
系統(tǒng)的客戶端處理采用TMS320C54CST和SI3016芯片實現(xiàn),。TMS320C54CST是美國TI公司最近推出的一款客戶端數(shù)字信號處理芯片，完全兼容TI公司的C54系列DSP,。C54CST內(nèi)部具有DSP芯片通用的緩沖串口,、HPI接口、定時器等片內(nèi)外設(shè),，還具有和客戶端相關(guān)的直接訪問設(shè)備(DAA)單元,。DAA實際上是一個電話終端數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。該模塊提供一個可編程的接口電路,，該接口電路可以直接與全球的電話線連接,。DAA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。
DAA由兩部分組成：一是DSP片內(nèi)設(shè)備，另一個是與其匹配的片外設(shè)備,。DAA的片內(nèi)設(shè)備是集成在DSP內(nèi)部的SI3021模塊,。該模塊和Silicon公司的SI3021芯片的功能完全相同。DSP同SI3021模塊之間通過緩沖串口2進(jìn)行通信,；DSP提供時鐘信號到SI3021模塊,。為了與電話時鐘兼容，該時鐘信號只能是58.9824MHz或者117.9648 MHz,。SI3021模塊對此時鐘進(jìn)行分頻,，得到串口通信的位同步時鐘和幀同步時鐘，再將這些時鐘信號返回到DSP,。DSP為被動接收方,。用戶惟一可以直接控制SI3021模塊的是DAA的復(fù)位信號。該信號可以隨時復(fù)位SI3021模塊,，如圖1中的DAARESET,。DAARESET不是一個實際的引腳，而是DSP內(nèi)部寄存器中的一位,，只能通過軟件來復(fù)位SI3021模塊,。
DAA的片外設(shè)備選擇Silicon公司的SI3016芯片。SI3016和DSP之間只有一根信號線通過匹配阻容連接,。SI3016的內(nèi)部寄存器全部直接映射到DSP內(nèi)部,。通過對DSP內(nèi)部寄存器的讀寫控制，DAA片內(nèi)設(shè)備SI3021自動將這些寄存器的值寫入SI3016或者從SI3016中讀出,。SI3016和電話線側(cè)的連接如圖2所示,。
圖2中，右下方的RING和TIP是兩根電話線,，通過4個二極管組成的無級性電壓變換,，最后通過三極管連接到SI3016的DC1引腳，提供電源到SI3016,。但待機(jī)時,，為了降低整機(jī)的功耗，三極管處于截止?fàn)顟B(tài),，SI3016通過CIB引腳從DSP,，取電，摘機(jī)時,，DSP控制寄存器將SI3016的QB引腳置高,，打開三極管，此時SI3016將從兩根電話線上取電,。這是因為,，待機(jī)時需要的電壓只要1V左右就可以了,，而摘機(jī)后的電壓需要6V左右。SI3016的RNG1和RNG2引腳用于檢測振鈴信號,，RX和Tx引腳用于數(shù)據(jù)的收發(fā),，IGND引腳是一個虛擬的“地”，和真實的“地”使用150pF的電容隔開,。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
整個系統(tǒng)由DSP,、SI3016、音頻AD／DA,、液晶,、鍵盤以及Flash組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示,。圖3中,，DSP是核心控制單元；音頻AD用于采集話筒的模擬語音信號,，轉(zhuǎn)變成數(shù)字語音信號,；音頻DA將數(shù)字語音信號轉(zhuǎn)換成模擬語音信號，輸出到耳機(jī)或者音箱,。音頻AD和DA的前端與后端都有放大和濾波電路,。一般情況下，音頻AD和DA集成到一個芯片上,。本系統(tǒng)中使用了TI公司的TLV320AIC10,。
SI3016用于收發(fā)電話線上的信號；鍵盤用于撥號和控制,；液晶顯示來電號碼,、撥出電話號碼以及時間等信息；Flash保存DSP所需要的程序,，供DSP上電調(diào)用,；JTAG是DSP的仿真接口。DSP還提供HPI口,。該接口可與計算機(jī)連接,；可收發(fā)計算機(jī)的數(shù)據(jù)文件；將系統(tǒng)的功能進(jìn)一步擴(kuò)展,，可輕易地實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示,。軟件結(jié)構(gòu)中的初始化模塊包括系統(tǒng)的初始化,、鍵盤監(jiān)控的初始化、液晶顯示的初始化,、通信模塊的初始化,。在初始化過程中,，設(shè)置鍵盤掃描時間、采樣頻率,、顯示狀態(tài)等,。
監(jiān)控模塊隨時判斷各種中斷是否到達(dá)。其中包括摘機(jī)中斷,、掛機(jī)中斷,、振鈴中斷、鍵盤中斷,、液晶顯示定時中斷等,。監(jiān)控模塊程序完成查詢以上工作并調(diào)用各個相應(yīng)的處理子程序。
系統(tǒng)的程序流程如圖5所示,。在整個程序中,，掛機(jī)中斷具有最高優(yōu)先權(quán)，只要發(fā)生掛機(jī)中斷,，程序都將返回到監(jiān)控狀態(tài),。尤其是在通話過程中，隨時監(jiān)測掛機(jī)中斷和對方狀態(tài),，一旦自身掛機(jī)或者對方掛機(jī),，將馬上中止通信過程。
系統(tǒng)上電后,，總是檢測有無中斷產(chǎn)生,。中斷包括摘機(jī)中斷、振鈴中斷,、鍵盤中斷和顯示定時中斷,。中斷產(chǎn)生，系統(tǒng)將進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序,。
4 信號處理算法
信號處理算法主要包括回音相消,、自動增益控制、數(shù)字濾波等,。
(1)回音相消
回音相消處理過程如圖6所示,。回音主要是通過對不同端的信號采集,，得到遠(yuǎn)端回音信號,，作為回音的參考信號；而帶有回音的混合信號和參考信號進(jìn)行自適應(yīng)減法運算,，從而將回音從混合信號中去除,。圖中虛線框內(nèi)為回音處理算法。
(2)自動增益控制
語音在采集和傳輸過程中,，由于語音源的差異,、信道的衰減以及噪聲的干擾,，使得信號的幅度相差較大，從而需要自動增益控制,。模擬信號中一般很難實現(xiàn)自動增益,，而數(shù)字電話通過對數(shù)字信號幅度的估計，調(diào)整信號增益參數(shù),，均可以保證在任何情況輸出最大幅度,，達(dá)到最佳的語音質(zhì)量。
(3)數(shù)字濾波
輸入和輸出的模擬信號都經(jīng)過一個具有線性相位的FIR帶通濾波器,。根據(jù)語音信號的特點,，濾波器的通帶在300Hz～3kHz，阻帶衰減為-60dB,。根據(jù)實際情況,，濾波器的各種參數(shù)可以通過軟件調(diào)整。信號中的直流分量也可以通過預(yù)估均值去除,，從而進(jìn)一步提高語音質(zhì)量,。
結(jié)語
經(jīng)實際驗證，基于客戶端DSP的數(shù)字電話系統(tǒng)運行可靠,，是一種比較好的數(shù)字電話的解決方案,。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于各種保密場合、強(qiáng)噪聲現(xiàn)場通信以及各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。