原创 基于DSP的TETRA话音编码设计与实现

摘　要：陆上集群无线电通信（TETRA）系统是欧洲电信标准协会（ETSI）在专用移动通信（PMR）和公共接入移动通信（PAMR）网络领域惟一支持无线数字集群的开放标准，本文主要介绍了该系统中话音编码算法，并讨论了其在DSP上实现的具体流程。
　　
关键词：TETRA；话音编码；ACELP；DSP

1　引　言
　　
　　TETRA是ETSI制定的一种全新的数字集群系统，他可以提供语音和快速数据传输业务。TETRA集成了移动数据终端、PMR调度电话、蜂窝电话和寻呼机的功能，并且可以直接传送Internet协议报文，支持可视电话功能，而语音又是最主要的业务。无线系统中，带宽是影响语音服务质量最关键的因素，为降低语音传输所要求的带宽，TETRA系统采用代数码激励线性预测编码（ACELP）压缩算法，保证了高质量的语音服务，其编码速率为4．567 kb／s。
　　
　　ACELP是一种改进型的CELP，继承了传统CELP的主要优点，并克服了其缺点。传统CELP用固定的随机码本来逼近语音信号的余量信号，缺乏灵活性，不能很好地控制码本的频域特性。ACELP采用代数码本结构，不仅降低了码本的存储量和搜索量，还提供了频域控制函数，从而增强了码字的灵活性和多样性，能更好地逼近余量信号，具体算法可参见TETRA标准ETS395-2。

2　系统设计
　　
　　针对TETRA的话音编码算法实时要求高，运算量 大，核心处理器采用了TI公司的TMS320系列的5409芯片，该芯片主要特点有：速度快，处理能力可达到100 MI／s；低功耗，3 V电压供电，内核电压1．8 V；提供32 kBRAM，16 kBROM；3个多通道自动缓冲串口（McBsp）。
　　
　　A／D转换芯片采用TI公司的AIC20芯片，完成模拟话音与数字话音的转换工作。由于采用了过采样技术，AIC20可提供高分辨率的A／D，D／A 转换；3 V供电，功耗低于30 mW；具有软件可编程寄存器，配置方便，不改变硬件电路，仅改写软件就可满足多种需求。
　　
　　存储芯片选用Atmel公司的AT49LV001，用于存储程序，DSP加电便可从Flash中引导程序运行。AT49LV001读写电压均为3 V，可大大简化电源设计，存储空间为128 kB，足以存储TETRA的话音编码算法。

2．1　硬件设计

2．1．1　时钟电路设计
　　
　　这里为5409提供2种时钟电路设计方法：
　　
　　（1）将晶振产生的外部时钟源直接输入到X2／CLKIN引脚，X1悬空。
　　（2）利用5409内部提供的锁相环（PLL）时钟产生电路将内部时钟倍频或分频得到。
　　
　　在此采用第二种方法，如图1所示。在X1和X2/CLKIN之间接一个16．384 MHz的晶振，同时将CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3通过上拉电阻设置为逻辑0，1，0，即倍频数为5，DSP工作在80 MHz，若需改变DSP的工作频率，可通过软件修改地址0x58的CLKMD寄存器的值设置倍频数。
　


　
2．1．2　DSP与Codec接口设计
　　
　　5409与AIC20接口如图2所示，由DSP的CLKOUT提供MCLK，Codec工作在主模式，SCLK和FS为输出，为DSP提供BCLK和 BFS。值得注意的是，由于AIC20有2个采样通道，在与DSP串口连接时，为配合codec的时序，DSP串口需配置成接收2个通道的采样值（即32 b），但只取一个通道的采样值；串口发送时，也要向2个通道发送数据。McBsp中的部分控制比特位配置如下：



 
　　
　　当AIC20工作在主模式时，FS＝MCLK／（16×P×N×M），通过设置控制寄存器4可改变P，N，M的值。FS＝8 kHz，MCLK＝81．92 MHz，取P＝8，N＝8，M＝10。

2．1．3　DSP与存储器接口设计
　　
　　AT49LV001存储器内部以扇区组织，在对其编程前，必须对相应区域擦除。使用时可根据需要选择扇区擦除或芯片擦除。图3为5409与 AT49LV001的接口示意图，AT49LV001的地址总线和数据总线分别接至5409的地址总线和数据总线，5409的地址总线A22～A18悬空，数据总线D15～D8悬空。DS作为使能信号，XF则控制编程状态。应当注意，AT49LV001为8 b存储器，DSP为16 b处理器，所以每存储一条DSP指令需2个存储单元，且高字节在前。
　　



2．2　软件设计

2．2．1　初始化程序
　　
　　完成DSP的初始化工作，包括设置SWWSR，PMST等寄存器的值；根据需要设置CLKMD寄存器改变倍频数；配置串口。

2．2．2　中断服务程序
　　
　　中断服务程序主要是串口接收和发送中断。接收中断从Codec的DS脚接收采样数据，放入接收缓冲区MicIn，当接收到30 ms的数据（算法要求），启动编码标志SpeechFlag。当解码程序从Acelp码流中解出话音后，放入发送缓冲区Sout中，然后通过串口发送中断发至Codec。MicIn和Sout均为双缓冲区。

2．2．3　算法设计
　　
　　编码程序每30 ms执行一次，将240个采样值编成137 b，传递给解码程序，再将解码合成的话音通过音箱放出。在硬件平台上做自环实验，下面给出部分C代码。
 

 

3　结　语
    本文从软件设计和硬件设计两方面介绍了在TMS320VC5409芯片上实现TETRA话音编码算法的具体步骤。通过标准P．862对算法评测，平均MOS得分为3．474。同时，在做抗噪实验时，本算法在10－2误码率下，仍能保持良好的通信质量。