一種基于AMBE-2000的語音系統的設計與實現

摘 要:介紹一種基于AMBE-2000的高質量語音系統，該系統使用DVSI公司開發的AMBE-2000語音芯片，可以在低速率下保持聲音自然，語音清晰，并且在選擇語音速率和誤碼率上提供了很高的靈活性。此外，它還具有低成本，低功耗等優點。因此，該系統具有廣泛的應用前景，可以應用于諸如安全通信、話音多路傳輸、衛星通信、多媒體應用、蜂窩電話等多種語音處理的場合。關鍵詞:AMBE-2000; 語音壓縮; 編碼/解碼; 語音速率

中圖分類號:TN911-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)16-0205-03

Design and Implementation of Voice System Based on AMBE-2000

CHEN Yuan

(No. 20th Research Institute， CETC， Xi’an 710068， China)

Abstract: This article introduces a system with superior voice quality based on AMBE-2000.The system circuit makes use of AMBE-2000 voice chip (DVSI)， and it maintains natural voice quality and speech intelligibility at low data rates and provides a high degree flexibility in selecting the speech and FEC(Forward Error Correction) data rates， furthermore it's a low cost ，low power circuit. The system has widely potential application in voice processing aspects， such as secure communication， voice multiplexing， satellite communication， multimedia application and cellular telephony. Keywords:AMBE-2000; speech compression; encode/decode; speech rate

0 引 言

語音通信是數字通信系統中最常用的通信方式之一，優良的語音編解碼算法能夠更加有效地節省帶寬資源，提高頻率利用率。現在語音編碼技術可以廣泛的應用在話音多路傳輸、衛星通信、保密通訊等許多軍事領域[1]。數字語音系統公司(Digital Voice System Inc)所推出的AMBE-2000是一種基于高級多帶激勵(advanced multi-band excitation)語音編碼算法的高性能，低功耗的實時編解碼芯片，其壓縮率在2 000~9 600 b/s可調，具有前向糾錯(FEC)、語音激活檢測(VAD)、雙音多頻(DTMF)信號檢測等多種功能。

1 系統介紹

本語音系統的主要作用是實現數字話音與模擬話音的相互轉換并處理話音數據的編解碼，降低話音數據的傳輸速率，提高系統的頻率資源利用率，此外須滿足信息系統的接口要求。模擬話音部分連接耳機話筒組，數字部分壓縮數據流連接外部處理器，解壓數據流用于遠距離傳輸語音量化信息。整個語音系統的原理框圖見圖1。

發送話音時 話音處理板將送入的模擬話音進行A/D采樣量化后，經語音編解碼芯片壓縮打包通過CPCI總線或LVDS串行總線送入到信息處理器進行后續處理;或者通過高速RS 422串口將遠距離傳輸來的語音量化信息經壓縮后分別通過CPCI總線或者LVDS串行總線送往信息處理器進行后續處理。

接收話音時 通過CPCI總線或者LVDS串行總線收到壓縮數據，經語音編解碼芯片解碼后通過D/A轉換將話音轉換為模擬信號;或者將收到的壓縮數據，經解壓后通過高速RS 422串口遠距離傳出去。

圖1 系統框圖

2 AMBE-2000的功能與特點

AMBE-2000芯片是AMBE-1000的改進產品。與AMBE-1000相比，其語音壓縮算法更優化，語音質量更高，最低編碼速率也由原來的2 400 b/s降低到2 000 b/s。在硬件和接口方面，也做了若干改進，并提高了其壓縮編碼和前向糾錯編碼(FEC)的效率和可靠性。內部計算量小，功耗低。其算法復雜度為 13 MIPS(每秒百萬條指令)，從而可以達到較低的功耗:3.3 V時僅為65 mW，深度睡眠時僅為 0.11 mW。

在簡易模型中，AMBE-2000被看作兩個分離原件，編碼器和解碼器。編碼器接收語音量化信息(16-bit線性、8-bit A律或8-bit μ律)并以所期望的速率將壓縮數據流輸出信道。相反地，解碼器接收信道壓縮數據流，合成語音量化信息。對AMBE-2000編/解碼器接口的時間控制是完全異步的。通常語音接口所接的是A/D、D/A 芯片。輸入輸出語音數據流必須是相同的格式(16-bit 線性、8-bit A律，或 8-bit μ律)。本系統采用AMBE-2000并且A/D-D/A芯片采用16-bit線性采樣的AD73311就是為了與原先設計的一套基于AMBE-1000的話音系統保持兼容性[2]。基于AMBE-1000舊式語音系統使用了體積過大，功耗較高的16-bit線性的A/D、D/A 芯片TI32044，并且采用了一系列同樣缺點的外圍芯片，不適用于低功耗，小體積的發展趨勢。

3 AMBE-2000與A/D-D/A芯片的接口設計

A/D-D/A芯片 與AMBE-2000之間的語音數據流格式應當是匹配的，即要有統一的格式(16-bit 線性、8-bit A律，或 8-bit μ律)，一般情況下，建議選用16位線性元件。在本設計中，選用的是AD公司的AD73311。可以通過配置硬件管腳84，85(CODEC_SEL[1-0]=01b)，將AMBE-2000的語音接口設置成專門與AD73311通信。所以AMBE-2000和AD73311配合使用會使得電路設計比較簡單。

AD73311主要特點:

(1) 低功耗的16位A/D-D/A轉換器，輸入/輸出采樣率和增益皆可通過軟件控制，在話帶范圍內可提供70 dB的信噪比。通過串口傳遞語音數據，接收控制命令，簡單高效。

(2) 輸入的模擬音頻信號經過可變增益放大器，A/D轉換器后轉換為數字信號，通過串口輸出;反之來自串口的數字流被轉換為模擬信號后，經過可變增益放大器后輸出。

(3) AD73311的主要工作模式有兩種:編程模式和數據模式。芯片復位之后處于默認的編程模式，這時可以通過串口往控制寄存器寫控制字，來設定工作狀態。這里需要注意的是AD73311在3 V低功耗狀態下(如圖2所示)配置字應置為相應格式[3]。

圖2 芯片接口電路

(4) 上電復位后，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應與AD73311的串行輸入隔離開，并保持365 ms左右，這時，利用FPGA配置AD73311，配置字如下:

0x8113，//將13 寫入AD73311寄存器B

0x8279，//將79 寫入AD73311寄存器C

0x8300，//將00 寫入AD73311寄存器D

0x8001，//將01 寫入AD73311寄存器A

設置完后，寄存器A寫入01，表示進入“數據模式”，AMBE-2000的CODEC_TX_DATA信號應與AD73311的串行輸入接通，可以進行正常的數據傳輸[4]。

4 AMBE-2000與信道的接口設計

AMBE-2000要求每20 ms編碼器被控制器讀取1次。復位后，初始幀準備好則EPR由高變低，之后每隔20 ms 準備好1幀數據，相應地外部控制器也需要每隔20 ms讀取1個數據幀。

EPR脈沖每20 ms出現1次，這也是判斷AMBE-2000是否正常工作的重要依據[5]。整個讀取數據的過程為:

(1) 等待小于20 ms 的時間;

(2) 發送幀同步信號，讀取AMBE-2000一幀串行輸出數據;

(3) 如果接收到的數據不是0x13EC，說明不是數據幀頭，丟棄這一幀并重新執行步驟(2)。

(4) 如果接收到的數據是0x13EC，則讀取本包的剩余23個字。

在該設計中，使用FPGA作外部控制器。FPGA產生輸入/輸出幀同步信號、輸入/輸出時鐘信號以及AMBE-2000的串行輸入數據，并按照AMBE-2000要求的時序關系與AMBE-2000進行數據交換。

表1列舉了AMBE-2000 的信道接口信號的特性，其與外部控制器的數據傳輸方式如圖3，圖4所示。

表1 AMBE-2000 的信道接口信號

管腳符號方向管腳號功能描述

EPROut20編碼器打包準備好

CHAN_RX_DATAIn32串行輸入數據

CHAN_RX_CLKIn28串行輸入時鐘

CHAN_RX_STRBIn30串行輸入幀同步信號

CHAN_TX_DATAOut42串行輸出數據

CHAN_TX_CLKIn34串行輸出時鐘

CHAN_TX_STRBIn38串行輸出幀同步信號

圖3 AMBE-2000接收串行數據時序

圖4 AMBE-2000發送串行數據時序

5 系統的外圍接口設計

該系統的外圍接口包括:CPCI接口電路;LVTTL與標準LVDS電平信號之間的轉換電路;LVTTL與標準RS 422電平信號之間的轉換電路;模擬電路。

5.1 CPCI接口電路

使用CPCI專用的橋接芯片可以避開復雜的PCI協議，快速地開發出產品。因此，采用了PLX公司的高性能專用橋接芯片PCI9054實現CPCI接口設計。利用FPGA內部IP核生成雙口并建立與CPCI部分的粘合邏輯，完成CPCI接口設計。

5.2 LVTTL與標準LVDS電平之間的轉換電路

在本系統內除了標準CPCI總線形式實現數字部分壓縮數據流與外部通信設備的數據交換外，還備用了LVDS串行總線方式傳輸，要求傳輸速率可達100 Mb/s。該系統使用MAX9129和MAX9122總線低壓差分信號驅動器作為LVTTL與標準LVDS電平信號轉換電路的驅動器。

5.3 LVTTL與標準RS 422電平之間的轉換電路

解壓縮后的語音數據流與外部數字音頻設備數據交換以標準RS 422串行總線方式傳輸，要求傳輸速率可達5 Mb/s。本系統用MAX3491低功耗RS 485/RS 422收發器作為LVTTL與標準RS 422電平信號轉換電路的驅動器，用于進行較遠距離的數據傳輸。MAX3491每一個芯片內包含1個驅動器和1個接收器，最高傳輸速率可達10 Mb/s。

5.4 模擬電路

模擬放大電路包括運放及一些組容器件。主要作用是采用高性能低噪聲的放大器，通過電位器或適當的比例電阻來調整輸入/輸出語音信號的增益。

該設計的音頻接口電路采用有源平衡式輸入/輸出語音傳輸方式，這種方式起到了差模放大，共模抑制的作用，提高了抗干擾能力。在音頻制作的初期，人們經常使用變壓器用于校正不同設備間的接地電位差并取消電纜線路中產生的電噪聲。它還可以將內部具有不平衡高阻抗特性的有源設備和具有較低阻抗特性的平衡傳輸線相連接。但變壓器提高了成本，增加了系統重量，變壓器有時還會帶來系統失真。因此，設計者不斷尋求去掉變壓器的方法，結果就找到了有源平衡式輸入/輸出電路[6]。

6 結 語[7-8]

該話音系統結構采用6U CPCI標準板卡，半雙工工作方式，在300-3400Hz的話音帶寬內，經測試話音字可懂度大于等于90%，語音句可懂度達100%，語調自然，發音清晰，是一款高質量的語音系統。

參考文獻

[1]王炳錫.語音編碼[M].西安:西安電子科技大學出版社，2002.

[2]Digital Voice SystemsInc.. AMBE-2000 Vocoder Chip User′s Manual Version 3.0[M]. [S.l.]. Digital Voice Systems Inc. 1999.

[3]Analog Devices Inc.. Low Cost， Low Power CMOS General Purpose Analog Front End AD73311[M].[S.l.]:Analog DevicesInc.， 2000.

[4]趙葉星，韋志棉.基于AMBE-2000的數字語音傳輸系統[J].測控遙感與導航定位，2007，34(7):30-31.

[5]邊會坤，苗杰光，正喜鳳，等.AMBE-2000聲碼器芯片在語音通信系統中的應用[J].微計算信息，2005，21(21):69-71.

[6]WHITAKER J C.數字音頻技術寶典[M].張雪英，劉建霞，譯.北京:科學出版社，2004.

[7]牛芳琳，郭延鋒，蔡希彪.AMBE-1000芯片的研究與應用[J].現代電子技術，2007，30(10):7-8，12.

[8]牟京燕，陳樹新.基于ARM控制的電臺語音編碼單元設計與實現[J].現代電子技術，2006，29(21):75-77.