數字對講機中語音編碼的研究與DSP實現

熊 堃， 陳向東， 葛 林

（西南交通大學 信息科學與技術學院，四川 成都 610031）

0 引言

近年來，數字對講機一直是通信業內發展的熱點，其應用領域不斷擴大，在許多工業生產與商業活動中體現著其不可替代的優越性。而無線語音通信作為數字對講機最基本的通信方式，雖然在通信信息中的比重有所下降，但是仍然是無線通信中的主要成分。現根據數字對講機中要求實時性高，抗干擾能力強、頻譜利用率高等特點，設計了一種用于短距離、低功耗、低成本通信的TDD數字對講機系統。

1 系統總體設計方案

在 TDD數字對講機系統的設計中，需要考慮實時性、頻譜利用率、功耗及成本等一系問題，根據 TDD數字對講機的這些設計需要，給出了總體設計方案如圖1所示。

圖1 系統結構框

系統主要由A/D(D/A)轉換模塊、語音處理模塊、單片機控制電路及射頻電路四部分組成。在整個系統設計方案中，采用微處理器MSP430為中心的系統控制模塊來完成數據收發和編/解碼的控制等工作，對語音數據的處理主要由TMS320VC5509A DSP芯片完成，微處理器MSP430只需對數據以 TDD幀方式封裝及控制數據的輸入與輸出的接口以和設置定時器對接收與發送模式轉換進行控制。

在發送過程中，首先由AIC23將模擬語音數字化，輸出的信號為16位的PCM編碼信號，接著信號進入C5509A芯片做語音編碼處理（G.729A編碼），然后輸出數據通過微處理器MSP430加上頭域、尾域、ID域以及命令字節形成數據幀，最后控制射頻芯片（CC1100）將數據發送出去；在接收過程中，首先接收來自射頻芯片（CC1100）的數據，再將接收的數據幀的同步域、尾域、ID域以及命令字節去除后，數據送至C5509A進行解碼處理（G.729A解碼），解碼輸出同樣為16位的脈沖編碼調制（PCM）編碼信號，最后通過AIC23轉化成模擬信號。

2 各模塊具體設計方案

2.1 A/D(D/A)轉換模塊

在信號輸入/輸出端，采用的是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻數模轉換編解碼器（TLV320AIC23），其內置耳機輸出放大器、可編程抗混迭濾波器、開關電容式低通平滑濾波器、sinx/x補償、數據與控制發送串口、輸入和輸出都具有可編程的增益調節功能。AIC23采用先進的Σ一△過采樣技術。可以在8 kHz至96 kHz的采樣率下提供16 bit、20 bit、24 bit和32 bit的采樣數據。ADC和 DAC的輸出信噪比分別可達 90dB和100 dB。同時。TLV320AIC23還具有很低的功耗(回放模式為 23 mW,節電模式為 15 μw)。上述優點使得 AIC23成為一款十分理想的模擬輸入/輸出器件[1]。

在本設計中AIC23通過C5509A提供的多通道帶緩沖的串行接口McBSP來完成數據的傳輸，C5509A通過I2C總線對AIC23進行設置，包括設置數據格式、采樣率，選擇主從模式，控制音量等。AIC23工作在主模式，C5509A工作在從模式，同步時鐘信號FS及移位時鐘SCLK由AIC23產生。

2.2 語音處理模塊

在將模擬信號轉換成16位PCM數字信號后，設計通過DSP芯片對輸入的數字信號進行語音壓縮編碼，其目的是為了在有限的信道內進行更多的信息傳輸，以節約無線信道帶寬，同時又能提高系統的抗干擾能力和無線傳輸距離。

采用的語音壓縮編碼方式是國際電信聯盟 ITU推出的G.729A語音編碼算法。該算法在8 kbps傳輸碼率下實現了較好的話音質量，且時延較短，綜合了波形編碼和參數編碼的優點，以自適應預測編碼技術為基礎，采用了矢量量化、合成分析和感覺加權等技術，能較好的滿足無線語音通信的要求，相對于原G.729編碼方式其具有更低的編碼復雜度，是無線通信中理想的語音壓縮編碼方式[2]。但是若是在C5509A上直接實現ITU-T提供的源代碼，由于編碼相對比較復雜，程序沒得到有效優化，語音處理延遲將在 100 ms以上，是語音通信所不能接受的，故這里對G.729A編碼算法和ITU-T提供的源代碼進行了優化。

具體優化步驟如下：

①自適應碼書搜索改進：優化開環基音搜索算法的方法可以將語音數據幀中40個偶數點的相關性替代原來的80個采樣點的相關性；

②固定碼書搜索的改進：碼書搜索可由3個多層循環代替原來包含有8個循環的多重循環來實現；

③程序設計的優化：去除不必要的溢出保護，同時通過宏定義的方式來定義大量的基本運算，大大的提高了程序的執行效率。

在完成上述手工優化后，通過CCS提供的C優化器進行優化，優化編譯后的代碼容量和速度也有相當可觀的提升，語音處理延遲有效的降到10 ms以下。

在 DSP芯片的選擇上，采用的是 TI公司的TMS320VC5509A DSP處理芯片，它是TMS320VC5509的改進版，主要特點有[3]：具有2個乘法器(MAC，17 bit×17 bit)，4個累加器(ACC)，兩個算術邏輯單元(ALU)（40位，16位各一個），速率最高可達400 MIPS，這大大增強了DSP的運算能力；它還具有1個6通道的DMA接口，1個USB2.0全速接口，1個I2C接口，64K Bytes的DARAM和192K Bytes的SARAM；同時芯片提供了3個McBSP多通道緩沖串口，大大提高了芯片間數據的交換效率；除此之外，C5509A還提供了更為高效的外部存儲器接口(EMIF)，實現了與外部設備的無縫連接，可使DSP外部存儲空間擴大到滿足系統要求。基于這款芯片以上的優點，綜合價格和芯片面積的各種因素，最終決定采用這款芯片在 TDD數字對講機上來實現 G.729A語音壓縮編碼。為了能讓語音緩存數據不占用寶貴的片內存儲空間和解決上電復位后的程序加載問題，給C5509A分別擴展了容量為128 K×16 bit的SDRAM和512 K×16 bit的片外FLASH存儲空間，通過外部存儲器接口(EMIF)與C5509A實現無縫連接。DSP程序的流程圖如圖2所示。

圖2 DSP編解碼流程

G.729A語音編碼算法是基于共軛結構代數碼本激勵線性預測（CS-ACELP）的，編碼速率為8 kb/s。在C5509A芯片上實現時，采用如下的方法：首先將A/D轉換后16位的PCM碼通過McBSP0口以DMA方式發送至雙緩沖的接收緩沖區，每接收一個PCM碼就觸發一次DMA操作。當接收到80個采樣點時觸發CPU中斷，將這80個采樣點作為一幀傳至 G.729A主程序經行壓縮編碼，并將編碼后的數據存入McBSP1口得發送緩沖區，與此同時McBSP0口繼續采集數據。當發送緩沖區半滿后，觸發中斷，將數據通過串行口發送出去。解碼過程與編碼過程相反，首先通過McBSP1口以DMA方式接收數據比特流，經過G.729A主程序解碼后，輸出至 McBSP0口的發送緩沖區，再從 McBSP0口發送至D/A，轉換成模擬語音信號。

2.3 MCU控制模塊

MCU控制模塊主要負責控制射頻模塊的數據收發，程序的流程以及對數據 TDD幀結構的封裝等問題。考慮到性能、功耗和價格等多從因素，決定采用的是 TI公司的MSP430F149單片機作為系統的MCU。MSP430系列單片機是16位低功耗、高性能的混合信號處理器。其核心CPU采用的是16位的RISC處理器，單周期指令模式；電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅0.1μA，活動模式耗電250μA/MIPS，I/O口漏電電流最大僅50 nA。同時還配有60 KB的Flash ROM和 2 KB的SRAM，兩通道串行通信接口，可用于異步（UART）或同步（SPI）模式[4]。

硬件連接上C5509A與MSP430間采用SPI方式通信，C5509A的McBSP1接MSP430的USART1，工作方式采用SPI方式，MSP430工作在主模式，C5509A工作在從模式。主從模式是通過控制寄存器UCTL的MM位來選取。軟件設計上，發送過程中MSP430通過串行通信模塊USART1接收來自C5509A的語音壓縮編碼，以80 bit的數據為一幀，加上TDD的頭域、尾域、ID域以及命令字節形成98 bit的數據幀，然后通過串行通信模塊USART1送至射頻模塊；接收過程與發射過程相反，去除無用的幀頭和幀尾后將數據發送至C5509A解碼。

2.4 射頻發射及功放模塊

射頻收發單元選用Chipcon公司的CC1100射頻芯片。該芯片是Chipcon公司推出的單片UHF無線發射芯片，芯片體積小，功耗低，數據速率支持1.2～500 kb/s的可編程控制，可以工作在915 MHz、868 MHz、433 MHz、315 MHz四個波段，在所有頻段提供-30～10 dBm輸出功率，同時支持FSK、GFSK、ASK/OOK和MSK調制方法。CC1100集成了一個高度可配置的調制解調器，支持不同的調制格式,其數據傳輸率最高可達500 kb/s。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項,能使性能得到提升。在發射狀態下，其發射功率可編程調節，其最大發射功率達到10 dBm[5]。MSP430F149與CC1100采用SPI方式通信，MSP430F149工作在主模式，使用USART1模塊，CC1100工作在從模式，工作頻段為403～425MHz，CC1100的外圍電路采用推薦的外圍電路配置。

3 結語

以 TMS320VC5509A（DSP）為平臺，結合微處理芯片MSP430和射頻芯片CC1100，提出了一種TDD數字對講機的結構設計方案。該系統借助TMS320VC5509A強大的計算功能和豐富的片內外設，實現了語音的壓縮編解碼功能，同時又方便了芯片間的連接與初始化。整個系統可實現低功耗，高信噪比的短距離無線語音傳輸，具有成本低，通用性強，可擴展性和可移植性強等特點，因而可以應用到需要短距離無線語音通信的各個領域。

[1] 龔利衡,盛玉霞,唐昆. 數字對講機語音編解碼算法改進與優化[J].通信技術,2009,42(05)：77-79.

[2] 柴曉東,袁曉. 基于 DSP的多路數據采集系統的設計[J]. 通信技術,2009,42(07)：172-174.

[3] 閆瑞軍,高航. TMS320VC5509A在數字對講機基帶系統中的應用[J].大眾科技,2008(05)：63-64.

[4] 王光. 基于MSP430的在線遠程監測的數據采集系統設計[J]. 通信技術,2009,42(08)：144-147.

[5] 李麗軍,王代華,祖靜. 基于 CC1100的無線數據傳輸系統設計[J].研究與開發,2007,26(12)：42-45.

Web安全問答（7）

問：什么叫網站掛馬

答：“掛馬” 就是黑客入侵了一些網站后，將自己編寫的網頁木馬嵌入被黑網站的主頁中，當訪問者瀏覽被掛馬頁面時，將會被植入木馬，黑客便可通過遠程控制來實現不可告人的目的。網頁木馬就是將木馬和網頁結合在一起，打開網頁的同時也會運行木馬。最初的網頁木馬原理是利用IE瀏覽器的ActiveX控件，運行網頁木馬后會彈出一個控件下載提示，只有點擊確認后才會運行其中的木馬。這種網頁木馬在當時網絡安全意識普遍不高的情況下還是有一點使用價值的，但是其缺點是顯而易見的，就是會出現ActiveX控件下載提示。當然現在很少會有人去點擊那莫名其妙的ActiveX控件下載確認窗口。在這種情況下，新的網頁木馬誕生了。這類網頁木馬通常利用了IE瀏覽器的漏洞，在運行的時候沒有絲毫提示，因此隱蔽性極高。

問：如何發現網站掛馬

答：服務器被掛馬，通常情況下，若出現諸如“彈出頁面”，則可以比較容易發現，發現防病毒軟件告警之類，則可以發現服務器被掛馬；由于漏洞不斷更新，掛馬種類時刻都在變換，通過客戶端的反映來發現服務器是否被掛馬往往疏漏較大；正確的做法是經常性的檢查服務器日志，發現異常信息；經常檢查網站代碼，借助于專業的檢測工具來發現網頁木馬會大大提高工作效率和準確度。