基于PIC的低速率無線語音通信系統

王 萍 ，昂志敏 ，朱良學

（1.合肥工業大學 計算機與信息學院，安徽 合肥230009；2.西河電子科技有限公司，安徽 合肥230088）

在移動電話已經成為人們生活必需品的今天，一種低成本的點對點無線通信系統也在日益發展中。它是警務、保安人員和野外工作人員的必選通信設備，它不同于移動電話，不用根據通話時間計費，不存在網絡擁堵的問題，可以用于重大任務保障的通信和應付各種突發的緊急事件。在設計語音通信系統的過程中，語音信號處理[1]的方法關系到系統的性能，隨著對通信質量要求的提高，人們需要用較少的碼率來獲得盡可能好的合成語音質量[2]。

TETRA系統采用的低速率 ACELP壓縮算法[3]，是一種改進型的 CELP，其碼率被壓縮至 4.567 kb/s，仍能保證高質量的話音服務[4]。近幾年對ACELP算法的研究大部分集中在算法的仿真。本文主要設計了ACELP算法應用的硬件系統。

1 系統概述

Microchip公司推出的dsPICXX器件[5]將高性能16位單片機的控制特點與DSP高速運算的優點相結合，為嵌入式系統設計提供了適合的單芯片、單指令流的解決方案。其獨特的RISC結構精簡指令與傳統的采用CISC結構的單片機相比，可以達到2:1的代碼壓縮，速度提高4倍，使其執行效率大為提高[6]。

在用單個dsPICXX器件實現復雜的算法處理和控制操作時，存在通話質量差，不易擴展等功能，作為改進方案設計了雙單片機結構，如圖1所示。將計算量較大的語音壓縮編碼部分單獨用dsPIC33FJ64GP706實現，用PIC24FJ32GA004作為主控芯片，控制信號之間的同步并處理按鍵信息，CC1100內有快速頻率變動合成器，能夠實現頻率跳躍，通過PIC24FJ32GA004不斷改變CC1100的載波頻率，實現了跳頻通信。

系統包括語音模塊、語音編解碼模塊、控制模塊、RF模塊以及各個模塊的接口。本文設計時將語音編解碼模塊和控制模塊按其功能分別簡寫為DSP模塊和CPU模塊。

1.1 語音模塊

本模塊的作用是將麥克風微弱語音信號放大給A/D，以及將從D/A出來的語音播放出去。在語音輸入A/D電路中，利用運放芯片 LPV321M5，采用單電源3.3 V供電，將輸出的信號送到A/D。在語音輸出A/D電路中，采用LM4673音頻放大器進行語音放大。圖2是AD73311的外圍電路圖。芯片復位之后才能工作，復位時間至少為4個DMCLK周期。

在圖1中，CPU傳出的控制命令(即手持終端機的旋鈕音量控制命令)將作用于AD73311內部集成的可編程增益放大器PGA來實現輸出模擬音量的可控調節。設定AD73311工作在混合模式，控制字可以交叉在DAC數據流中一起傳送，對于語音30 ms為一幀的處理速度，交叉傳輸控制字不會影響語音質量。PGA增益由CRD：4～6三位設定，可實現+6 dB～-15 dB范圍的音量調節。

1.2 時序分配

圖2中AUDIO_MCLK是主時鐘輸入，由外部時鐘信號驅動，DSP中的輸出比較OC模塊將產生供AD73311工作所需的2.048 MHz時序波形，因AD73311是可編程的， 通過設置 CRB:4-6=000、CRB:2-3=00、CRB:0-1=11,分別得到內部主時鐘頻率DMCLK為2.048 MHz，串行時鐘頻率SCLK為256 kHz，串行口的幀同步頻率即采樣頻率 FS為 8 kHz。4個 I/O引腳 AUDIO-SDI、AUDIO-SDO、AUDIO-SDFS、AUDIO-SCLK 與 DCI有關，采用基于DMA控制器的DCI設計，在不需要CPU干預下可完成數據傳輸，DCI接口負責傳輸 16 bit的 A/D、D/A數據和音量控制命令。

DSPIC33工作頻率支持最高40 MHz的工作速度（指令時鐘），為實現實時傳輸信號，要盡可能達到最高工作速度，設計時充分利用了芯片的內部資源——由PIC24的輸出比較模塊OC產生2.048 MHz給DSPIC33，DSPIC33再經內部PLL鎖相環產生38.912 MHz的指令時鐘。PIC24外接7.168 MHz晶振獲得工作時鐘。

1.3 SPI串行接口模塊

SDI、SDO、SCK、SS 是 SPI串行接口的 4 個引腳，CPU內部集成著兩塊SPI模塊，其中與DSP相連的SPI1模塊工作在SPI主/幀主模式，相應的DSP中的SPIx模塊工作在SPI從/幀從模式。配置為主模塊的CPU為從器件DSP提供SPI串行時鐘和同步信號。

當CPU通過SPI向DSP發送數據時，DSP中的數據也會傳遞過來，此時無論數據是否寫入SPIBUF，只要接收到幀同步脈沖時都將啟動發送，所以在接收幀同步脈沖前，必須保證DSP中裝入了正確的發送數據。在DSP的實現過程中，當語音壓縮完畢后，會通過UART發送握手信號，表明數據已經準備好。所以，當CPU成功接收到合成語音參數，并且接收到握手信號后，才可以向DSP發送數據。本系統中UART只進行簡單的數據傳輸，兩芯片間的連接較為簡單，只需將收發引腳交替連接就可以了。

射頻收發 CC1100芯片通過 4線 SPI兼容接口 SI、SO、SCLK、CSn實現配置，如圖3所示，這個接口同時用作寫和讀緩存數據，接口上的數據頭字節包含一個讀/寫位，一個突發訪問位和一個6位地址，突發訪問位表明數據是否連續，若連續，寄存器的地址將自動加1。在CPU發送數據之前，CPU必須先完成對CC1100的配置，可以設置調制方式、信道帶寬、是否進行糾錯編碼，還可以對數據包結構進行設置。本系統采用的跳頻方式較為簡單，頻率每 30 ms（一幀語音的時間）改變一次。信道的中心頻率由 432 MHz～434 MHz按照遞增的方式進行跳變，公差為 20 kHz，當中心頻率到達434 MHz后，中心頻率再按照遞減的方式進行跳變，公差不變。

2 軟件設計

2.1 DSP模塊的軟件實現過程

程序主要由主程序和中斷程序組成，在初始化時進行如下設定：DCI接口工作在多通道幀同步模式下，字長16，緩沖區接收1個數據后觸發中斷，DCI數據傳輸時采用DMA通道，且數據傳輸的串行時鐘和幀同步都由AD73311提供；SPI工作在從/幀從模式下。在主程序中，設置好3個接口，然后不斷檢測相關的標志位并進行相應的處理，中斷程序包括DMA、SPI和UART接收緩沖區滿中斷。主程序的流程圖如圖4所示。

2.2 CPU模塊的軟件實現過程

PIC24是整個系統的控制芯片，實現對輸入按鍵信息的處理、發送音量調節命令、配制CC1100、產生跳頻圖案、控制數據發送時機等功能。向CC1100發送數據進行同步控制，主要是為了通信終端以時分復用的方式占用信道，具體是在一個語音幀內（30 ms），信道被分配給終端A 10 ms,空閑5 ms作為保護時隙，再分配給終端B 10 ms，留5 ms的保護時隙，這樣在一幀語音的時間內，可以完成數據的發送和接收，實現兩臺終端的同步對話。通信終端在發送數據時分為主叫方和被叫方兩種模式，圖5給出了CPU主叫模式的流程圖。

本文設計的系統中豐富的PIC外設資源和靈活的外圍接口電路可以為語音信號處理的其他算法研究和實時實現提供一個通用平臺，也為進一步處理噪聲抑制和回聲控制奠定了硬件基礎。總之，ACELP算法是一種很有前途的低速率語音壓縮混合編碼技術，隨著對其研究的不斷深入，將會帶動國內TETRA無線電數字集群系統的廣泛應用。

[1]楊行峻.語音信號數字處理[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2]鮑長春.低比特率數字語音編碼基礎[M].北京:北京工業大學出版社，2001.

[3]ETSIETS 300 395-2 Edition2，Terrestrial Trunked Radio(TETRA)；Speech Codec for Full-rate Traffic Channel；Part 2：TETRA codec(S).

[4]李偉，劉魯新，林孝康.TETRA中的ACELP語音壓縮編碼[J].電聲技術，2004(2):46-49.

[5]Microchip Technology Inc.dsPIC33FJXXXGPX06/X08/X10 Data Sheet[EB/OL].http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en024667，2007.

[6]楊圣.PIC系列單片機的原理與實踐[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2003.