基于客戶端DSP的數(shù)字電話系統(tǒng)

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
通過軟件來復(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。通過對(duì)DSP內(nèi)部寄存器的讀寫控制，DAA片內(nèi)設(shè)備SI3021自動(dòng)將這些寄存器的值寫入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4個(gè)二極管組成的無級(jí)性電壓變換，最后通過三極管連接到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，打開三極管，此時(shí)SI3016將從兩根電話線上取電。這是因?yàn)?，待機(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。

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)；鍵盤用于撥號(hào)和控制；液晶顯示來電號(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。在初始化過程中，設(shè)置鍵盤掃描時(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)，將馬上中止通信過程。
    系統(tǒng)上電后，總是檢測(cè)有無中斷產(chǎn)生。中斷包括摘機(jī)中斷、振鈴中斷、鍵盤中斷和顯示定時(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
    回音相消處理過程如圖6所示。回音主要是通過對(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)可以通過軟件調(diào)整。信號(hào)中的直流分量也可以通過預(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)。