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(yǔ)音信號(hào),；而數(shù)字電話具有高保密,、可存儲(chǔ),、信號(hào)質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)。模擬電話機(jī)向數(shù)字電話機(jī)的過(guò)渡是電話終端發(fā)展的必然,。本文研制出以美國(guó)TI公司的客戶端數(shù)字信號(hào)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(hào)處理芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采集和輸出,、調(diào)制和解調(diào),、處理和存儲(chǔ)等功能。語(yǔ)音信號(hào)的處理包括回音相消,、自動(dòng)增益調(diào)整(AGC),、自動(dòng)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(jià)格低的特點(diǎn),，可以應(yīng)用于各種保密場(chǎng)合、強(qiáng)噪聲現(xiàn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn),。TMS320C54CST是美國(guó)TI公司最近推出的一款客戶端數(shù)字信號(hào)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(shí)器等片內(nèi)外設(shè),，還具有和客戶端相關(guān)的直接訪問(wèn)設(shè)備(DAA)單元。DAA實(shí)際上是一個(gè)電話終端數(shù)據(jù)收發(fā)模塊,。該模塊提供一個(gè)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(gè)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(guò)緩沖串口2進(jìn)行通信,；DSP提供時(shí)鐘信號(hào)到SI3021模塊。為了與電話時(shí)鐘兼容,，該時(shí)鐘信號(hào)只能是58.9824MHz或者117.9648 MHz,。SI3021模塊對(duì)此時(shí)鐘進(jìn)行分頻，得到串口通信的位同步時(shí)鐘和幀同步時(shí)鐘,，再將這些時(shí)鐘信號(hào)返回到DSP,。DSP為被動(dòng)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(hào),。該信號(hào)可以隨時(shí)復(fù)位SI3021模塊,，如圖1中的DAARESET。DAARESET不是一個(gè)實(shí)際的引腳,，而是DSP內(nèi)部寄存器中的一位,，只能通過(guò)軟件來(lái)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(hào)線通過(guò)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(guò)對(duì)DSP內(nèi)部寄存器的讀寫(xiě)控制,，DAA片內(nèi)設(shè)備SI3021自動(dòng)將這些寄存器的值寫(xiě)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(guò)4個(gè)二極管組成的無(wú)級(jí)性電壓變換，最后通過(guò)三極管連接到SI3016的DC1引腳,，提供電源到SI3016,。但待機(jī)時(shí)，為了降低整機(jī)的功耗,，三極管處于截止?fàn)顟B(tài),，SI3016通過(guò)CIB引腳從DSP，取電,，摘機(jī)時(shí),，DSP控制寄存器將SI3016的QB引腳置高，打開(kāi)三極管,，此時(shí)SI3016將從兩根電話線上取電,。這是因?yàn)椋龣C(jī)時(shí)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(cè)振鈴信號(hào),，RX和Tx引腳用于數(shù)據(jù)的收發(fā)，IGND引腳是一個(gè)虛擬的“地”,，和真實(shí)的“地”使用150pF的電容隔開(kāi),。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
整個(gè)系統(tǒng)由DSP、SI3016,、音頻AD／DA,、液晶、鍵盤(pán)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(yǔ)音信號(hào),，轉(zhuǎn)變成數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)；音頻DA將數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬語(yǔ)音信號(hào),，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(gè)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(hào),；鍵盤(pán)用于撥號(hào)和控制,；液晶顯示來(lái)電號(hào)碼、撥出電話號(hào)碼以及時(shí)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(jì)算機(jī)連接；可收發(fā)計(jì)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(shí)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(pán)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(guò)程中,，設(shè)置鍵盤(pán)掃描時(shí)間,、采樣頻率,、顯示狀態(tài)等。
監(jiān)控模塊隨時(shí)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(pán)中斷,、液晶顯示定時(shí)中斷等。監(jiān)控模塊程序完成查詢以上工作并調(diào)用各個(gè)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(gè)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(guò)程中,，隨時(shí)監(jiān)測(cè)掛機(jī)中斷和對(duì)方狀態(tài),，一旦自身掛機(jī)或者對(duì)方掛機(jī)，將馬上中止通信過(guò)程,。
系統(tǒng)上電后,，總是檢測(cè)有無(wú)中斷產(chǎn)生。中斷包括摘機(jī)中斷,、振鈴中斷,、鍵盤(pán)中斷和顯示定時(shí)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(hào)處理算法
信號(hào)處理算法主要包括回音相消、自動(dòng)增益控制,、數(shù)字濾波等,。
(1)回音相消
回音相消處理過(guò)程如圖6所示?；匾糁饕峭ㄟ^(guò)對(duì)不同端的信號(hào)采集,，得到遠(yuǎn)端回音信號(hào)，作為回音的參考信號(hào),；而帶有回音的混合信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)減法運(yùn)算,，從而將回音從混合信號(hào)中去除。圖中虛線框內(nèi)為回音處理算法,。
(2)自動(dòng)增益控制
語(yǔ)音在采集和傳輸過(guò)程中,，由于語(yǔ)音源的差異,、信道的衰減以及噪聲的干擾，使得信號(hào)的幅度相差較大,，從而需要自動(dòng)增益控制,。模擬信號(hào)中一般很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益，而數(shù)字電話通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)幅度的估計(jì),，調(diào)整信號(hào)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(yǔ)音質(zhì)量,。
(3)數(shù)字濾波
輸入和輸出的模擬信號(hào)都經(jīng)過(guò)一個(gè)具有線性相位的FIR帶通濾波器,。根據(jù)語(yǔ)音信號(hào)的特點(diǎn)，濾波器的通帶在300Hz～3kHz,，阻帶衰減為-60dB,。根據(jù)實(shí)際情況，濾波器的各種參數(shù)可以通過(guò)軟件調(diào)整,。信號(hào)中的直流分量也可以通過(guò)預(yù)估均值去除,，從而進(jìn)一步提高語(yǔ)音質(zhì)量。
結(jié)語(yǔ)
經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證,，基于客戶端DSP的數(shù)字電話系統(tǒng)運(yùn)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(chǎng)合,、強(qiáng)噪聲現(xiàn)場(chǎng)通信以及各種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。