基于DSP的G.723.1数字对讲机基带系统中的应用分析

随着通信技术的发展，传统的模拟对讲机已不能满足人们的需求，对讲机数字化势在必行。信息社会的高速发展使频谱资源变得愈加宝贵，信道利用率成为一项关键因素。如何在有限的信道资源下，通过压缩信源以提高传输效率，已成为当前急需解决的问题之一。DSP数字信号处理器的运算能力越来越强，本设计采用TI公司的通用定点DSP TMS320C5509A作为基带系统的处理器，主要对G.723.1语音压缩编码在频带、DSP资源有限的数字对讲机基带系统中的具体应用进行研究与实现。
　　1 G.723.1语音压缩编码原理
　　G.723.1标准主要用于对语音及其他多媒体声音信号的压缩。该算法是H.324系列标准的一部分，包含2种工作速率：低速率（5.3 kbps）采用代数码本线性激励预测（ACELP），高速率（6.3 kbps）采用多脉冲激励最大似然量化（MP_MLQ）。2种速率的编码器都以帧为处理单位，帧长为30 ms，加上另需7.5 ms的延时，总共37.5 ms的算法延时。编码器原理如图1所示。
　　
　　输入的16位线性PC码流分成长度为240样点的语音帧。每帧信号先通过1个高通滤波器，去除低频成分，再分成4个子帧，每个子帧60个样点。对每个子帧进行10阶LPC预测，将最后1个子帧的LPC参数转化成线谱对LSP参数。用预测分裂矢量量化法（PSVQ）进行量化。为了减少合成端合成语音信号的误差，在分析端对LSP系数解码、插值后，再变为LPC系数。由LPC分析后的LPC系数可得到共振峰加权滤波器的系数。用共振峰加权滤波器对经高通滤波后的语音信号进行共振峰加权滤波，可得到共振峰加权滤波后的语音信号f（n）。由f（n）经基音估计可求出开环基音周期，基音周期的搜索范围为18～142 个样点。对每个子帧的语音信号进行谐波噪声整形、冲击响应计算，然后进行闭环基音搜索，求出闭环基音周期及基音增益，再计算出残差信号。然后根据不同的速率进行激励搜索，求出脉冲位置和幅度参数，打包后形成以帧为单位的编码数据流。
　　2 语音系统的结构及硬件原理图
　　原始的模拟语音首先要经过模数变换，转化为数字信号之后，通过串口输入到DSP中，再进行语音压缩算法。G.723.1标准计算复杂和数据存储量大的问题使得语音编解码方案的实时实现存在很多困难。为了保证该算法处理的实时性，本系统选用 DSP作为主控芯片，用来实现编解码算法。语音系统整体硬件结构如图2所示。
　　
　　3 语音系统的硬件设计
　　本基带系统的核心部件采用CPLD和DSP。DSP负责基带的数字化处理，CPLD用于外围器件的控制。将CPLD和DSP技术相结合，一方面能利用DSP软件控制的灵活性，另一方面又能利用CPLD硬件上的高速、高集成度和可编程性。
　　本系统选用TMS320C5509A（简称C5509A）负责G.723.1标准的算法及后续基带数字化的处理（信道编译码、交织、加扰、CRC、基带调制解调）。该芯片是TMS320C55X系列DSP中的一款，C55X系列的结构见参考文献［1］。
　　CPLD主要用来扩展DSP的外部地址空间，实现地址译码、时序控制，并给DSP提供所需的逻辑和时序控制信号。本系统选用Altera公司 MAX7000系列中的EPM7128，其与DSP的接口电路如图3（a）所示，其中FSX和FSR帧同步信号端的同步信号相同。原始模拟语音信号必须进行数字化处理后，才能在DSP中进行语音压缩编解码算法。系统选用的是ADI公司推出的低成本、低功耗通用模拟前端AD7311L，其与DSP的接口电路如图3（b）所示。由于G．723．1的算法比较复杂，处理时需要大量的存储空间，本设计采用4Mb×16的SDRAM，芯片为MT48LCM16，通过 EMIF接口映射到C5509A的CEO空间。