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基于AMBE-2000的多速率語音通信終端模塊
摘要：介紹一種基于AMBE-2000和DSP芯片的語音通信終端模塊的原理與實現方案。該終端模塊具有設計簡便、語音編碼速率可變、音質優、性價比高、功耗小等諸多優點，可廣泛應用于衛星通信、短波、微波通信和軍用保密通信等場合。關鍵詞：聲碼器AMBE前向糾錯編碼（FEC）
ＡＭＢＥ－２０００是ＤＶＳＩ（ＤｉｇｉｔａｌＶｏｉｃｅＳｙｓｔｅｍＩｎｃ．）公司推出的單片聲碼器芯片。該芯片采用改進的多帶激勵（ＭＢＥ）算法，能實現可變速率低比特率、高語音音質的語音壓縮編碼。本文基于ＡＭＢＥ－２０００，設計并實現了一種語音通信終端模塊。該模塊具有設計簡便、語音編碼速率可變、音質優、接口靈活、工作電壓低、功耗小等諸多優點，可廣泛應用于衛星通信、短波、微波通信和保密通信等場合，具有很高的實用價值。
１ＡＭＢＥ－２０００功能概述
１．１ＭＢＥ算法介紹
ＭＢＥ（Ｍｕｌｔｉ－ＢａｎｄＥｘｃｉｔａｔｉｏｎ）語音編碼技術是上世紀８０年代末提出的一種具有高語音質量和強魯棒性的低速率語音編解碼技術。其改進的ＩＭＢＥ算法成為國際移動衛星組織（ＩＮＭＡＲＳＡＴ）和ＡＵＳＡＴ移動衛星通信的語音編碼標準。ＥＩＡ／ＴＩＡ也選擇了ＭＢＥ作為北美陸地移動通信系統的編碼標準。ＭＢＥ語音編解碼算法因其在低速率（＜４．８ｋｂｐｓ）上的優越性能，在衛星通信、數字話音存儲和保密通信等領域得到廣泛應用。
ＭＢＥ編碼方式在頻域中按基音各諧波頻率，將一幀語音的頻譜劃分為多個頻帶，對每個頻帶作清、濁音（Ｕ／Ｖ）判決。對濁音帶，以基音為周期的脈沖序列作為激勵信號；對清音帶，則以白噪聲作為激勵信號。總的激勵信號由各帶激勵信號相加構成。用該激勵信號激勵聲道濾波器，最終合成出具有較高自然度的語音。ＭＢＥ模型使合成語音譜與原語音譜在細致結構上能擬合得很好，因此在低比特率的情況下，其合成語音的音質依然能保持較高的自然度。
１．２ＡＭＢＥ－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２．４ｋｂｐｓ降低到２．０ｋｂｐｓ；在硬件和接口方面，也作了若干改進，并提高了其壓縮編碼和前向糾錯編碼（ＦＥＣ）的效率和可靠性。ＡＭＢＥ－２０００主要具有以下一些特點：
（１）速率多，語音音質高：具有２．０ｋ、２．４ｋ、３．６ｋ、４．０ｋ、４．８ｋ、６．４ｋ、８．０ｋ和９．６ｋｂｐｓ八種壓縮速率。當速率在４．０ｋｂｐｓ以上時，可得到接近長途電話的話音質量；當速率為２．０ｋｂｐｓ時，仍然具有較高的可懂度和自然度。
（２）可變速的ＦＥＣ功能：可根據信道情況，靈活地選擇ＦＥＣ的速率。語音和ＦＥＣ的速率選擇既可以通過硬件管腳設置，也可通過軟件方式設置。
（３）芯片內集成卷積編碼器和Ｖｉｔｅｒｂｉ譯碼器。
（４）低功耗、低復雜度。
（５）能產生和識別雙音多頻（ＤＴＭＦ）信號。
（６）具有語音激活檢測（ＶｏｉｃｅＡｃｔｉｖｉｔｙＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）功能、回波抵消（ＥｃｈｏＣａｎｃｅｌｌｉｎｇ）功能和舒適噪聲（ＣｏｍｆｏｒｔａｂｌｅＮｏｉｓｅ）產生功能等。
（７）串行信道接口可設置為主動和被動方式，傳輸數據可設置成幀結構或非幀結構。
ＡＭＢＥ－２０００芯片主要管腳的功能如表１所示。ＡＭＢＥ－２０００的工作頻率建議使用１６．３８４ＭＨｚ，它與晶體有兩種連接方式，如圖１和圖２所示，分別是與有源晶體和無源晶體的連接方法。
表1AMBE-2000主要管腳功能
管腳
功能RATE_SEL[4～0]用于選擇編碼速率和FEC速率CHANN_SEL[1～0]選擇信道接口方式（主動、被動、幀結構、非幀結構等）CHAN_RX_DATA,
CHAN_TX_DATA,
CHAN_RX_CLK,
CHAN_TX_CLK,
CHAN_RX_STRB,
CHAN_TX_STRB串行信道接口引腳，分別為信道接收和發送數據、接收時鐘和發送時鐘、接收和發送幀同步脈沖CODEC_SEL[1～0]A/D接口方式選擇（如16its線性量化、A率或μ率量化等）CODEC_RX_DATA，
CODEC_TX_DATA，
CODEC_RX_CLK，
CODEC_TX_CLK，
CODEC_RX_STRB，
CODEC_TX_STRB與A/D芯片的接口引腳，分別是數據接收和數據發送、接收時鐘和發送時鐘、接收和發送幀同步信號EPR在芯片復位后，該引腳有一個跳沿產生，表示第1個編碼幀已準備好，一幀將在20ms后產生ECHOCAN_EN回波抵消使能，高電平有效VAD_ENVAD使能，高電平有效SLEEP_EN標準睡眠方式使能，高電平有效X2/CLKIN時鐘輸入（16.384MHz）RESETN復位，低電平有效
這兩種方式都可以采用，主要看所用的晶體是有源還是無源。
２系統硬件設計與實現
２．１系統框圖與原理
圖３是基于ＡＭＢＥ－２０００的語音通信終端模塊的框圖。該通信終端模塊由微控制電路、ＡＭＢＥ－２０００、Ｆｌａｓｈ、時序產生電路、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ電路等構成。控制電路采用ＴＩ公司的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２?眼２?演，用于控制和讀寫ＡＭＢＥ－２０００，并與外部交換數據；Ｆｌａｓｈ為一片Ｉｎｔｅｌ公司生產的ＴＥ２８Ｆ００８，構成１Ｍ×８ｂｉｔｓ的存儲空間，用于存儲程序及初始化數據；時序產生電路由可編程邏輯器件ＥＰＭ３０３２Ｓ完成，用于產生系統所需的各種時序；Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ電路則由ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０及其外圍電路構成。全部器件均工作于３．３Ｖ電壓。
Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片與ＡＭＢＥ－２０００的ＣＯＤＥＣ接口相連，進行ＰＣＭ數據的交換。ＡＭＢＥ－２０００的串口則與ＶＣ５４０２的多通道自動緩沖串行口ＭｃＢＳＰ（ＭｕｌｔｉｃｈａｎｎｅｌＢｕｆｆｅｒｅｄＳｅｒｉａｌＰｏｒｔ）相連，進行編碼數據的交換；ＶＣ５４０２與外界通過ＨＰＩ（ＨｏｓｔＰｏｒｔＩｎｔｅｒｆａｃｅ）口連接，作為可選方案也可以通過異步串口（ＸＦ，ＢＩＯ）進行數據的交換；ＶＣ５４０２與Ｆｌａｓｈ器件間采用外部并行８位ＢＯＯＴ方式進行程序的裝載。
圖3基于AMBE-2000的語音通信終端模塊框圖
２．２硬件設計
作為微控制器的ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２是ＴＩ公司的低功耗、高性能定點ＤＳＰ芯片，其主要特點包括：
（１）速度快，功能強。
（２）具有優化的ＣＰＵ結構，內部有３２Ｋ字節的片內ＲＡＭ。ＶＣ５４０２既可用于實現復雜的ＤＳＰ算法和運算，也可用作微控制器，進行智能化控制。
（３）工作電壓低、功耗小。可以在３．３Ｖ或２．７Ｖ電壓下工作，在低功耗方式（ＩＤＬＥ１、ＩＤＬＥ２和ＩＤＬＥ３）下可降低功耗，特別適于無線移動設備。
（４）智能外設。提供多通道自動緩沖串行口ＭｃＢＳＰ、與外部設備通信的ＨＰＩ接口等智能外設。ＭｃＢＳＰ口提供２Ｋ字節數據緩沖的讀寫能力，可以降低處理器的額外開銷。指令周期為２０ｎｓ時，ＭｃＢＳＰ的最大數據吞吐量為５０Ｍｂｐｓ，即使在ＩＤＬＥ方式下，ＭｃＢＳＰ也可以全速工作。
ＶＣ５４０２除作為微控制器外，還可用于完成其他一些功能，例如信道編譯碼、加密和解密等，根據系統的具體要求可以靈活地添加。ＡＭＢＥ－２０００可與多種Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片接口，選用不同的Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片，管腳ＣＯＤＥＣ＿ＳＥＬ需要進行不同的設置，具體如表２所示。
表2A/D、D/A類型設置
A/D、D/A類型CODEC_SEL[1～0]普通16位線性，8kHz00A/D芯片73311，32kHz01普通μ率，8kHz10普通A率，8kHz11
本系統中，Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ芯片采用ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０。ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０是ＴＩ公司的線性ＰＣＭ編解碼芯片，芯片內部具有ＡＤＣ模擬抗混迭濾波器和數字ＦＩＲ濾波器，有良好的抗混迭和抗噪聲能力，具有可編程的輸入輸出增益控制、可編程的ＡＤＣ和ＤＡＣ轉換速率控制，工作電壓為３．３Ｖ～５Ｖ，還具有低功耗工作模式。
ＡＭＢＥ－２０００與ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的連接如圖４所示。ＣＯＤＥＣ＿ＳＥＬ?眼１～０?演在硬件上接地，設置Ａ／Ｄ方式為１６位線性ＰＣＭ，其晶體頻率采用１６．３８４ＭＨｚ，幀同步時鐘和位同步時鐘均由ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０產生，并提供給ＡＭＢＥ－２０００。
可編程邏輯器件ＥＰＭ３０３２Ｓ用于產生系統所需的其他各種時序（如ＡＭＢＥ－２０００的信道串口時序等）以及片選信號等，ＥＰＭ３０３２Ｓ是基于Ｅ２ＰＲＯＭ工藝的ＰＬＤ器件，器件的規模為２０００門左右，具有在系統可編程（ＩＳＰ，Ｉｎ－ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ）能力，使用方便。在設計時，應預留下載接口。
２８Ｆ００８是Ｉｎｔｅｌ公司的１Ｍ字節的Ｆｌａｓｈ存儲器，用于存儲ＶＣ５４０２的程序及初始化數據。２８Ｆ００８與ＶＣ５４０２的連接?眼３?演如圖５所示。圖中，２８Ｆ００８作為ＶＣ５４０２的外部數據存儲器，地址總線和數據總線接至ＶＣ５４０２的外部總線，ＣＥ接至ＶＣ５４０２的ＤＳ引腳，Ｒ／Ｗ引腳與ＭＳＴＲＢ相或后接至ＷＥ，ＯＥ引腳接至一個跳線，跳線接低時，Ｆｌａｓｈ處于讀狀態，跳線接高時，Ｆｌａｓｈ可擦或可編程，此時可向Ｆｌａｓｈ中寫入程序。
３軟件編程
整個系統的工作過程如下：系統加電、ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２復位后，由其內部固化的自引導程序（ＢＯＯＴ）將存于Ｆｌａｓｈ（２８Ｆ００８）中的程序和數據搬移至內部ＲＡＭ；然后ＶＣ５４０２復位ＡＭＢＥ－２０００芯片，開始進行語音編解碼。ＡＭＢＥ－２０００每２０ｍｓ完成一幀語音數據的編解碼運算，并與ＶＣ５４０２交換一次數據。ＶＣ５４０２將編碼后的語音輸出，同時將從信道或其他設備得到的數據送到ＡＭＢＥ－２０００進行解碼。
軟件編程主要是對ＴＭＳ３２０ＶＣ５４０２進行編程，程序分為主程序模塊、與ＡＭＢＥ－２０００間的通信和控制模塊、與外界數據通信模塊以及ＢＯＯＴ程序加載模塊等。
主程序模塊。該模塊執行程序的初始化，包括對ＶＣ５４０２的接口和寄存器的初始化；對ＡＭＢＥ－２０００的復位和速率設置，對話音激活檢測、回波抵消功能的設置；對ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的初始化等，此外還提供對中斷服務程序的調度控制。對ＴＬＶ３２０ＡＩＣ１０的初始化主要是設置它的４個控制寄存器，其中控制寄存器１的作用是使能運算放大器，使能或旁路ＡＤＣ模擬抗混迭濾波器，使能或旁路數字ＦＩＲ濾波器，激活軟件復位等；控制寄存器２的作用是低功耗模式控制，分頻寄存器控制（決定濾波器的時鐘頻率和取樣周期）；控制寄存器３的作用是選擇模擬信號自環和數字信號自環，控制連續數據傳輸模式等；控制寄存器４的作用是控制輸入和輸出增益（通過控制輸入和輸出可編程增益放大器來實現）。
ＶＣ５４０２與ＡＭＢＥ－２０００間交換數據以標準串行方式進行。ＶＣ５４０２的ＭｃＢＳＰ接口在結構上可分為一個數據通道和一個控制通道。數據通道完成數據的發送和接收；控制通道完成通道的選擇與控制等功能。在編寫串行通信子程序時，采用中斷方式。每來一次中斷，執行一次數據發送和接收。
ＶＣ５４０２與外界通過ＨＰＩ口連接。ＨＰＩ為８位并行口，通過它可完成ＶＣ５４０２與外部設備的數據交換，可以采用８位并行方式，也可以采用１６位并行方式。ＨＰＩ接口主要通過三個寄存器，包括控制寄存器、數據寄存器和地址寄存器實現數據的搬移，程序編寫比較方便。另外作為一種備選方案，也可以通過異步串口，只通過ＸＦ和ＢＩＯ兩根線實現與外部設備的數據交換。
ＶＣ５４０２與Ｆｌａｓｈ器件采用外部并行８位ＢＯＯＴ方式進行程序的裝載。ＶＣ５４０２提供了多種ＢＯＯＴ方法，包括：并行Ｉ／Ｏ口ＢＯＯＴ、串行口ＢＯＯＴ、ＨＰＩ口ＢＯＯＴ、外部并行ＢＯＯＴ等。這些不同的ＢＯＯＴ方式可以滿足用戶不同的應用場合。在編寫ＢＯＯＴ程序時，需要將ＶＣ５４０２設置為微計算機工作方式（ＭＰ／ＭＣ＼引腳置低）。這樣ＤＳＰ復位后，程序就從內部ＲＯＭ開始運行ＢＯＯＴ程序，將存儲于Ｆｌａｓｈ器件中的程序搬移至內部ＲＡＭ中執行。
４系統實現
ＡＭＢＥ－２０００的速率設置采用軟件方式，由ＶＣ５４０２通過串行接口發送命令字設置。按本設計方案實現了系統在將語音速率設置為２．４ｋｂｐｓ、ＦＥＣ設置為１．２ｋｂｐｓ時，系統能穩定地工作于信道誤碼率為４％的環境中，而且系統能根據需要很方便地對語音速率和ＦＥＣ速率進行改變，實現變速率語音通信。
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