碩士論文-基于DSP的網絡會議電話話音終端系統(tǒng)設計.pdf

西南交通大學 碩士學位論文 基于DSP的網絡會議電話話音終端系統(tǒng)設計 姓名 耿滿足 申請學位級別 碩士 專業(yè) 計算機應用技術 指導教師 汪曉寧 20060401 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 頁 第1 章緒論 1 1 l P 電話的發(fā)展背景及概況 1 口電話的發(fā)展背景 電路交換 報文交換和分組交換是目前數據通信領域存在的三大交換技術 1 而歷史最為悠久 目前應用最為廣泛的就是基于電路交換技術的公眾電話網 P S T N 其基本特點為通話雙方固定分配一條具有固定帶寬的通信電路 一次通 信包括建立電路 通話和釋放電路三個過程 公眾電話網有以下三個特點 1 使用信令協(xié)議建立連接 2 同 信息源的所有比特遵循同樣的路徑通過網絡 3 路徑一直占有帶寬 因此 公眾電話網的優(yōu)點是可以保證為用戶提供足夠的帶寬 從而確保低時 延 低失真的實時通信服務質量 Q o S 缺點則是網絡帶寬利用率不高 用戶是否 處于講話狀態(tài) 分配的信道始終被占用 據統(tǒng)計 在正常的通話情況下 大約只 有4 0 的時間為有聲期 其余時間電路均為空占 報文交換技術是采用存儲轉發(fā)機制 以報文作為傳送單元 2 3 1 由于報文長度 差異很大 長報文可能導致很大的時延 并且對每個節(jié)點來說緩沖區(qū)的分配也比 較困難 為了滿足各種長度報文的需要并且達到高效的目的 節(jié)點需要分配不同 大小的緩沖區(qū) 否則就有可能造成數據傳送的失敗 在實際應用中報文交換主要 用于傳輸報文較短 實時性要求較低的通信業(yè)務 如公用電報網 分組交換技術是在報文交換技術的基礎上發(fā)展而來的 4 I 是針對數據通信業(yè) 務的特點而提出的一種交換方式 它的基本特點是面向無連接而采用存儲轉發(fā)的 方式 將需要傳送的數據按照一定的長度分割成許多小段數據 并在數據之前增 加相應的用于對數據進行選路和校驗等功能的頭部字段 作為數據傳送的基本單 元即分組 采用分組交換技術 在通信之前不需要建立連接 每個節(jié)點首先將前 一節(jié)點送來的分組收下并保存在緩沖區(qū)中 然后根據分組頭部中的地址信息選擇 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 頁 適當的鏈路將其發(fā)送至下一個節(jié)點 這樣在通信過程中可以根據用戶的要求和網 絡的能力來動態(tài)分配帶寬 分組交換比電路交換的電路利用率高 但不可避免的 缺點是時延較大 分組交換最適合于數據通信 它不但極大地提高了網絡帶寬的 利用率 而且由于存儲轉發(fā)機制可以根據網絡的實際狀態(tài)動態(tài)地選擇路由 因此 即使某些節(jié)點發(fā)生故障 數據仍然能繞道到達目的地 從而提高了通信的可靠性 傳統(tǒng)的電話網是以電路交換的方式傳輸語音信號的 它需要的基本帶寬為 蹦如 而要在基于口的分組網絡上傳輸語音 就必須對模擬的語音信號進行特 殊的處理 使處理后的信號可以適合在面向無連接的分組網絡上傳輸 相對基于 傳統(tǒng)的P S l N 的語音傳輸 應用分組交換技術進行語音傳輸的優(yōu)點顯而易見 但 是分組交換技術應用于語音通信就并非那么簡單 主要原因有兩點 一是對于語 音信號而言 網絡時延不但要短 而且要穩(wěn)定 但是對于大多數數據網而言 它 們可以使時延盡量低 但是不穩(wěn)定的 二是b t 啪e t 的邛業(yè)務只遵循 盡力而為 的原則 這就使得坤電話無法保證實時通話的語音質量 2 珥電話的發(fā)展概況 瑚c m c t 網的出現給數據傳輸以及語音通信帶來了廣闊的發(fā)展空間 五葉c m e t 網絡是基于腰技術 屬于分組交換技術 采用盡力而為的方式 對每個分組根據 路由信息和網絡情提獨自進行傳輸和選路 b l 鋤e t 網絡主要用來傳送數據業(yè)務 伴隨著I n t 鋤l e l 的巨大成功 已使球技術成為未來信息網絡的支柱技術 基于 T C W 口的網絡技術不僅成為傳送數據業(yè)務的主導技術 而且傳統(tǒng)的電信運營商開 始嘗試使用口技術來傳送話音業(yè)務 b 刀P m 沁o v c r 口 技術的研究始于上世紀七十年代I 刪 當時主要是基于 A 瞻A N E T 網絡 x 西南交通大學碩士研究生學位論文第6 頁 第一章闡述了口電話的發(fā)展背景及概況 本設計思想的優(yōu)點及創(chuàng)新之處 并 簡要介紹了論文的研究內容和完成的工作 第二章介紹了口電話的實現原理 可參考的實現方案 以及通過網絡傳輸語 音數據涉及到的一些關鍵技術 第三章總結了前期的硬件設計過程 主要有最初的系統(tǒng)構建 方案篩選 芯 片資料查閱及選型 外圍電路的搭建 以及在P m 瞄D 口中具體設計的電路原理 圖 P C B 版的制作完成與電氣性能測試 第四章首先介紹了各功能模塊的初期調試 包括時鐘測試 結舍軟件進行遙 信端口的聯合調試 簡單數據的傳輸校正與分析 用示波器對波形進行分析校正 等相關工作 然后介紹了兩個終端之間語音數據通信的整體調試 主要是在各模 塊功能調試成功鴿基礎上 首先要運步完成系統(tǒng)軟件的編寫 然后通過D S P 的仿 真器 下載到目標板運行測試 逐步改進優(yōu)化 達到預期的效果 1 5 本章小結 本蕈首先介紹了V o I P 技術自上世紀七十年代初先后的發(fā)展背景及目前國內 外的發(fā)展概況 包括I P 電話的產生條件和特點 目前的應用實現方式等 然后對 比本設計的網絡語音終端與傳統(tǒng)的電話 指出本設計兼具目前I P 電話的優(yōu)點又有 創(chuàng)新之處 最后簡要說明了本論文的主要工作 西南交通大學碩士研究生學位論文第7 頁 第2 章網絡會議電話系統(tǒng)的原理及關鍵技術 2 1 語音終端的實現原理 在實現語音采集 數據包的傳輸方面 網絡會議電話系統(tǒng)與傳統(tǒng)的I P 電話的 基本技術原理相似 都是通過I n t e r n e t 網絡來傳輸語音信號 o I P 的通信系統(tǒng) 該系統(tǒng)包括終端設備 網關 多點接入控制單元 M c u 和網絡管理者等部分 工作 原理是 通過語音壓縮算法對語音信號進行壓縮編碼處理 然后把這些語音信號按 T c P I P 協(xié)議進行打包 經過I n t e r n e t 把數據包送至接收地 在接收地再把這些 語音數據包串起來 經過解壓 解碼處理后 恢復成原來的語音信號 從而達到 由I n t e r n e t 傳輸語音信號的目的 2 1 1 語音終端的錄入系統(tǒng) 語音錄入系統(tǒng)框圖如圖2 1 所示 圈2 1 語音終端的錄入系統(tǒng) 語音錄入系統(tǒng)處理流程 1 將模擬語音信號轉換為數字信號 并對其進行進入緩沖器前的量化數據 處理 模擬語音信號首先經過模擬運算放大器的放大 然后將放大的語音信號送 入模數轉換器 A D c 經艦采樣后量化為二進制數碼 最后送入緩沖區(qū) 2 將采樣后的數字語音信號進行適當的語音編碼 采樣后的數字語音信號 組成語音塊 也稱為幀 由編碼器對幀進行編碼 3 將經過編碼的語音信號進行T c P I P 協(xié)議打包 由網絡處理器為語音包添 加包頭 時標和其它信息后通過I n t e r n e t 傳輸出去 2 1 2 語音終端的輸出系統(tǒng) 語音輸出系統(tǒng)框圖如圖2 2 所示 語音輸出系統(tǒng)框圖如圖2 2 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第8 頁 圖2 2 語音終端的輸出系統(tǒng) 語音輸出系統(tǒng)處理流程 1 將經過I n t e r n e t 傳輸過來的語音包進行T c P I P 協(xié)議的拆包處理 由網 絡處理器為傳送來的T c P I P 包進行去包頭 時標和其它信息后還原為原來的語音 編碼信號 Z 將還原的語音包進行語音解碼 將還原的語音包送入語音解碼器 進行 語音解碼 還原為原始的數字語音信號 3 將數字語音信號轉換為模擬語音輸出 將解碼后的語音信號送入數模轉 換器 D A c 轉換為模擬信號 再經過模擬運算放大器后由輸出系統(tǒng)輸出 一個完 整的I P 電話系統(tǒng)應該既包括語音錄入系統(tǒng) 又包括語音輸出系統(tǒng) 2 2IP 電話的主要技術 1 話音編碼技術 I P 電話技術的基礎是話音編碼技術 1 0 1 語音編碼的主要性能指標有比特率 時延 復雜度和話音質量 在具體實現中 這些指標往往是有矛盾的 必須根據 實際應用進行取舍 對各個指標提出折衷的要求 從而確定合適的編碼方法 在上述的幾個性能指標中 降低比特率是話音編碼的首要目標 它直接關系 到傳輸資源的有效利用和網絡容量的提高 根據比特率和輸入話音的關系可將編 碼器分兩類 固定比特率和可交比特率編碼器 現在大部分編碼標準都是固定比特 率編碼 可變比特率編碼是近年來出現的新技術 復雜度不僅決定了編碼器硬件的成本和功耗 還和編碼器討延共同影響語音 傳送的實時性 直接影響到話音還原的質量 目前的語音編碼技術可以分成三類 波形編碼 參量編碼和混合編碼 其中 波形編碼和參量編碼是兩種基本類型 西南交通大學碩士研究生學位論文第9 頁 1 波形編碼 波形編碼是將時間域信號直接變換為數字代碼 力圖使重建語音波形保持原 語音信號的波形形狀 波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬語音按一定的速 率抽樣 然后將幅度樣本分層量化 并用代碼表示 解碼是其反過程 將收到的 數字序列經過解碼瓤濾波恢復成模擬信號 著名救P 蕊績I 碼就晨于波形編碼 它 包括三個過程 抽樣 量化和編碼 P c I l 編碼具有適應能力強 語音質量好等優(yōu)點 但所用的編碼速率高 在對 信號帶寬要求不太嚴格的通信中褥到應用 雨對頻率資源相對緊張韻移動通信來 說 這種編碼方式顯然不合適 2 參量編碼 與波形綴碼不圊 參量編碼又稱失聲源編碼 是將信源信號在頻率域或其它 正交變換域提取特征參量 并將其變換成數字代碼進行傳輸 解碼為其反過程 將收到的數字序列經變換恢復特征參量 再根據特征參量重建語音信號 參數編碼根據對聲音形成杌理的分析 著碾子構造話音生成模型 該模型以 一定精度模擬說話者的發(fā)聲聲道 接收端根據該模型還原生成說話者的音素 在 頻率域上該模型就對應為具有一定零極點分布的數字濾波囂 編碼器發(fā)送的主要 信息就是該模型的參數 相當予話音的主要特征 而并非具體的話音波形幅值 而且由于話音信號變化是緩慢的 一個音素要持續(xù)相當長一段時間 相對于抽樣周 期而言 因此模型參數的更新頻率較低 不但可以利用抽樣值間的相關性 還可 以充分利用幀與幀之間的信息冗余性以及更長時間段中的音源信息冗余性 有效 地降低編碼比特率 3 混合編碼 混合編碼產生于8 0 年代 它將波形編碼和參量編碼組合起來 克服了原有 波形編碼和參量編碼的弱點 結合各自的長處 力圖保持波形編碼的高質量和參 量編碼的低速率 在4 一1 6 K b i t s 速率上能夠得到高質量的合成語音 多脈沖激勵 線性預測編碼 M P L P c 規(guī)劃脈沖激勵線性預測編碼 K P E L P c 碼本激勵線性預 西南交通大學碩士研究生學位論文第1 0 頁 測編碼 C E L P 等都是屬予混合編碼技術 很顯然 混合編碼是適合于數字移動 通信的語音編碼技術 2 分組語音技術 無論對實時的應用 如I P 電話 還是非實時的應用 如語音郵件 發(fā)送端語 音都要經過模擬信號 數字信號一語音包的處理過程 并在接收端對語音包進行 相反處理 從而得到與輸入端相同的語音信號 所以可將分組語音的處理流程分 為發(fā)送端處理流程和接收端處理流程 1 發(fā)送端處理流程 首先 把模擬信號轉換為數宇信號 并對其進行進入 緩沖器前的量化數據處理 先對模擬信號進行8 位或1 6 位量化 然后再送入緩沖 區(qū) 再由編碼器對語音塊 也被稱為幀 進行編碼 典型幀為1 0 3 0 眥 考慮到傳 輸過程中的代價 語啻包遭紫由6 0 1 2 0 或者2 4 0 玨s 長的語音數據組成 然后把 語音包按照特定的幀長進行編碼 大部分的編碼器都有特定的幀尺寸 若一個編 碼器使用1 5 m s 的幀 則把第一級來的包分成8 幀 并按順序進行編碼 每個幀合 1 2 0 個語音樣點 抽樣頻率為8 姐z 編碼后 將8 個壓縮的幀合成一個壓縮的語 音包送入網絡處理器 最后網絡處理器為語音包添加包頭 時標和其它信息后遙 過網絡傳送出去 2 接收端處理流程 首先 網絡提供一個可變長度的緩沖區(qū) 用來調節(jié)網 絡產生的抖動 緩沖區(qū)可容納許多語音包 用戶可選擇緩沖區(qū)的大小 大的緩沖 區(qū)能調節(jié)大的抖動 但產生延遲較大 小的緩沖區(qū)產生延遲較小 但不能調節(jié)大 的抖動 然后 解碼器將接收到的語音包進行解壓縮產生新的語音包 這里也可 按幀進行操作 完全和編碼器的長度相同 若幀長為1 5 m s 則1 2 0 m s 的語音包被 分成8 幀 然后被解碼還原成1 2 0 m s 的語音數據流送入解碼緩沖區(qū) 最后 緩沖 區(qū)中的語音樣點被播放驅動器取出送入語音還原芯片 通過揚聲器按預定的頻率 如8l H z 播出 3 靜噪抑制技術 所謂靜噪抑制技術 是指檢測到通話過程或傳真過程中的安靜時段 并在這 西南交通大拳 硪士研究生學位論文第11 頁 些安靜時候停止發(fā)送語音包 大量的研究表明 在一路全雙工電話交談中 只有 3 6 4 0 的信號是活動的或有效的 當一方在講話時 另一方在聽 而且講話 過程中有大量顯著的停頓 通過靜噪抑制技術 大量的網絡帶寬節(jié)省下來用于其 他話音或數據通信 這一技術的關鍵就是如何檢測說話者處于不發(fā)聲狀態(tài) 檢測 的基本原理是判斷話音信號能量 當低于一定門限值就認為是安靜狀態(tài) 靜音檢 測有兩個技術難點 一是如何在噪聲較大的環(huán)境中檢測靜音 二是 剪音 問題 所謂剪音就是話音還原時有一部分被剪切掉 使人感到失真 其原因是通話者從 說話到靜音以及從靜音到說話的檢測都有一定時圓和一定判斷門限韻 因此當通 話者從靜默剛剛轉為說話時 開始一段微弱話音就可能被作為靜默丟棄了 4 分組丟失補償 在I P 贈絡中分組丟失是不可避免彀 丟失韻原醫(yī)可能是線路誤碼或嗣絡酪由 故障 更常見的原因則是傳輸時延過長或網絡擁塞導致分組丟失 由于低比特率 聲碼器都是基于線性預測編碼原理 其當前值是通過前歷史值線性組合而得 因 l 藝通過內疆的方法不難得到丟失分綴的近似估計值 實際試驗表萌 如果I n t e r n e t 電話話音分組丟失兩個以上 則可能此時網絡連接狀態(tài)根差 將會有一大堆分組 丟失 所以I n t e r n e t 電話分組丟失補償以處理一個分組丟失為主要目的 所幸的 是 話音透信對分組丟失的容忍性遠比數據通信強 一般不會影響通話的可值度 5 回聲消除技術 在I P 電話的應用中 人們若使用揚聲器和麥克風就可能出現回聲現象 因為 本地揚聲囂輸出的模擬語音信號可能又被話筒接收 當信號被傳回到源端時 就 會產生不必要的回聲 在因特網中 呼叫必須經過多個路由器和網關 其相當長 的延遲又會造成回聲問題的進一步惡化 當回聲返回時間超過1 0 m s 時 人耳就可 聽到明顯的回聲了 為了防止回聲 一般需要回聲消除技術 在處理器中有特殊 的軟件代碼監(jiān)聽回聲信號 并將它從聽話人的語音信號中消除 對于I P 電話設備 回聲消除技術是十分重要的 因為一般I P 網絡的時延很容易就達到4 0 5 0 皿s 西南交通大學碩士研究生學位論文第12 頁 2 3T C P l P 網絡協(xié)議簡介 基于他P I P 的鼴絡體系緒梅是對國際標準化組織提出的開放系統(tǒng)互連參考模 型 0 S I 剛 的簡化f 1 1 塒 其分層關系如圖2 3 所示 O s I 參考模型T l Z 皿參考模型 應用層 表示層 應用層 會話層 J 7 傳輸層 k p 傳輸層 網絡層 網絡互聯層 數據鏈路層 仝 主帆到兩絡層 物理層 j 圖2 3 珊彈網絡體系結構圖 數據段 數據包 數據幀 比特 在T c P I P 模型中存在兩個重要的分界線 一個是協(xié)議地址分界線 它區(qū)分出 高層與低層尋址操作 另一個是操作系統(tǒng)分界線 它把系統(tǒng)與應用程序區(qū)分開來 應用程序和在I n t e r n e t 層之上的所有協(xié)議軟件只使用I P 地址 而網絡接口層處 理的是物理地址 在此主要介紹I n t e r n e t 層和運輸層協(xié)議 1 I n t e r n e t 層協(xié)議 I n t e r n e t 層中的協(xié)議稱為I n t e r n e t 協(xié)議 它是一種不可靠 無連接投遞機 制的協(xié)議 I P 提供了三個重要的定義 第一 I P 定義了在整個T C P I P 互連網上數 據傳輸所用的基本單元I n t e 功e t 數據報 d a t a g r 鯽 因此 規(guī)定了互連網上傳輸 數據的確切格式 第二 I P 軟件完成路由選擇的功能 選擇一個數據發(fā)送的路 徑 第三 除了數據格式和路由選擇的精確而正式的定義以外 I P 還包括了一組 嵌入了不可靠分組投遞思想的規(guī)則 2 運輸層協(xié)議 西南交通大學碩士研究生學位論文第13 頁 運輸層協(xié)議包括兩個協(xié)議 一個是不可靠的無連接傳輸協(xié)議 即用戶數據報 協(xié)議 u D P 另一個是可靠的數據流傳輸協(xié)議 即傳輸控制協(xié)議 T c P 1 用戶數據報協(xié)議 U D P 在T c P I P 協(xié)議族中 用戶數據報協(xié)議u D P 提供應用程序之問傳送數據報的 基本機制 u D P 提供的協(xié)議端口能夠區(qū)分在一臺機器上運行的多個程序 每個U D P 報文不僅傳送用戶數據 還包括發(fā)送方和接收方的協(xié)議端口 這使得接收方的U D P 軟件能夠把報文送到正確的接收進程 而接收進程也能回送應答報文 U D P 使用 底層的互連網絡協(xié)議來傳送報文 提供和I P 一樣的不可靠的無連接數據報傳輸服 務 它不使用確認信息對報文的到達進行確認 不對收到的報文進行排序 也不 提供反饋信息來控制機器之間傳輸的信息流量 所以 u D P 報文可能會出現丟失 重復 亂序的現象 U D P 報文也分為U D P 首部和U D P 數據區(qū) 為了計算校驗和 u D P 另外把偽首部引入到數據報中 2 傳輸控制協(xié)議 T c P 在T c P I P 協(xié)議族中 T c P 協(xié)議提供了可靠的數據流運輸服務 確保了在機器 之間進行沒有重復和丟失的數據流的投遞 應用程序與T c P I P 可靠傳輸服務之間 的接口可以用五個特征來表示 面向數據流 當兩個應用程序 用戶進程 傳輸大量數據時 將這些數據當 做一個可劃分為八位組的比特流 虛電路連接 數據流的傳輸與打電話類似 在傳輸開始之前 接收應用程 序和發(fā)送應用程序都要與操作系統(tǒng)進行交互 通知它們需要進行數據流傳輸 有緩沖的傳送 使用虛電路服務來發(fā)送數據流的應用程序不斷地向協(xié)議軟 件遞交數據八位組 在傳輸數據時 每個應用程序使用各種大小的數據片 在接 收端 協(xié)議軟件所收到的由數據流投遞服務的八位組與其發(fā)送順序完全相同 八 位組到達之后經過校驗就立即送交相應的接收應用程序 無結構的數據流 T c P I P 協(xié)議并未區(qū)分結構化的數據流 所以使用數據流 服務的應用程序必須在開始連接之前就了解數據流的內容并對其格式進行協(xié)商 西南變通大學碩士研究生學位論文第16 頁 理核心算法進行功能驗證 性能評價和優(yōu)化 以確定最好的信號處理方法 3 選擇具體的D s P 芯片 以及其他備功能模塊的系統(tǒng)組件 根據自己的經 驗和理解 在進行硬件選型時 首先要考慮的是芯片性能 各芯片之間的通信接 口問題以及電氣性能的兼容性 然后是價格 體積 貨源提供等 4 硬件設計和調試 在這一時期的工作中 首先要查閱足夠的硬件資料 對所選的主要芯片有一個系統(tǒng)的掌握和功能理解 然后使用P r D t e l 或其他相關應 用軟件建立電路原理圖 得到確切的元器件封裝后 設計制作P c B 最后完成元 器件的焊接和電氣性能濺斌 5 軟件設計和測試 D s P 開發(fā)系統(tǒng)既支持匯編語言 也支持基于D S P 的C c 語言 以及兩種語言的互相嵌套 在完成軟件的編寫后 可以直接在C C s t u d i o 中 通過軟傳仿真器 s i 瑤u l a t o r 進行編譯調試 或者透過硬件仿真器 E 舢1 B t o r 將程 序下載到D S P 的R 枷內運行調試 6 系統(tǒng)測試 集成 將系統(tǒng)軟件加載到硬件中運行 并通過D S P 硬件仿真 囂等弱試手段檢查其運行是否正常 穩(wěn)定 是否達到預期結采 2 5 本章小結 一個完整的I P 電話語音終端要同時完成語音采樣錄入和語音還原輸出兩部 分工作流程 這樣才能同時實現雙向的話音通信 本章首先說明了網絡語音終端 語音錄入和輸出的基本實現原理 然后介紹了一個成熟的I P 電話要涉及的T c P I P 網絡協(xié)議以及主要的技術 如話音編碼 分組語音及靜噪抑制等技術 最后介紹 了D s P 芯片的結構特點 并結合經驗總結了網絡會議電話語音終端系統(tǒng)的設計思 路和開發(fā)過程 另外 由于我的論文設計以硬件為主 而且時間有限 目前軟件還沒有實現 T c P I P 協(xié)議 分組丟失補償 回聲消除 靜噪抑制幾個部分的功能 但在硬件調 試成功的基礎上 可以將這些技術作為今后的軟件擴展方向逐步完善 西南交通大學碩士研究生學位論文第17 頁 第3 章系統(tǒng)硬件設計 根據礴絡會議系統(tǒng)語音終端韻功能需求 將系統(tǒng)黝分為語音處理 兩絡接口 按鍵信號識別以及D S P 主控芯片四個模塊 如圖3 1 所示 圖3 1 語音終端系統(tǒng)結構圖 其中各模塊的功能說明如下 1 D S P 模塊 對采集的語音數據打包并送至網絡接口模塊發(fā)送 對收到的數 據包進行解包并送至語音處理芯片輸出 另外還要控制其他三個模塊的初始化配 置 啟動 停止工作 中斷響應和處理等 2 鍵盤控制模塊 實現D s P 對其他芯片控制信號的邏輯轉換 按鍵信號的 采集分析 控制8 段數碼管的動態(tài)顯示 將按鍵信號傳給D s P 等 包括會議電話 的分組選擇 該終端所處分組的選擇 3 網絡接口模塊 接收來自D s P 的語音數據包 通過R J 4 5 接口發(fā)送出去 同 時將接收到的數據包存放在緩沖區(qū)中 并配合D s P 讀取有效的語音數據 4 語音處理模塊 采集語音數據 完成A D 轉換 然后將數據傳送繪必P 圊 西南交通大學碩士研究生學位論文第18 頁 時對接收到的語音數據完成D A 轉換 還原成模擬語音信號輸出 3 1D S P 資源規(guī)劃及模塊間接口設計 在硬件選型時 D s P 芯片采用T I 公司的T M S 3 2 0 v c 5 4 0 9 1 B 以下簡稱v c 5 4 0 9 數字處理芯片 其功能模塊如圖3 2 所示 圖3 21 M s 3 2 d V c 5 4 0 9 資源及功能模塊框圖 l 存儲器空間的分配 V c 5 4 0 9 可尋址程序空間 數據空間和I O 空間三個獨立的存儲空間 在具體 對菜個空閶訪問時 需要存儲器控制信號P S B s I s 以及黼l i B I 鯽R B 的協(xié)調 工作 V c 5 4 0 9 片內提供了3 2 K 1 6 b i t 的雙存取R 川和1 6 K 1 6 b i t 的R 叫 在方 案設計中 考慮到以后的程序增加 擴展了一片S s T 3 9 V F 4 0 0 作為程序存儲空間 可以將運行程序在e c s t u d i o 編譯環(huán)壤中 通過硬件仿真器直接燒寫到擴展的 西南交通大學磺士研究生學位論文第19 頁 F L A S H 中 然后在硬件復位時由D s P 內的B o o t l o a d e r 調入內存中運行 2 D S P 與語音處理模塊的通信接口 語音處理模塊的主芯片選用采用T I 公司的T L v 3 2 0 A I c 2 3 1 9 以下簡稱A I c 2 3 該芯片支持D S P 的多通道緩沖串口 M c B S P 所以與v c 5 4 0 9 有很好的兼容性 v c 5 4 0 9 提供了3 緞多通道緩沖串口 設計中使用齷c B s P l 用于D s P 氨氏I c z 3 發(fā)送 控制字 因此該組串口的數據流向是單向的 M c B S P 0 是兩個芯片間的語音數據傳 送通道 A I C 2 3 一方面受把采集到的語音數據通過 B s P 0 傳給D S P 另一方面D S P 要把來自網絡接口模塊的數據包解包后 通過妣B s P O 傳送給A I c 2 3 還原成模擬話 音信號輸出 連接示意圖如圈3 3 所示 岱j F 跚 嗣 刪 B 蹦l S C l 置 B a U 0 0 B c L K B a L J 口 姝日踟 U r 加R O L R C 掰 B R 0 U t 0 D V T B F S R D J C 2 3 V C 5 4 0 9 圖3 3A l C 2 3 與D S P 的連接示意圖 由于M c B S P 接口的支持 D s P 與 I c 2 3 之間的接口沒有復雜的控制信號 因 此在設計時只要串口問連線正確 就易于調試成功 3 D s P 與網絡控制模塊的通信接口 該部分通信接口原理如圖3 4 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 1 頁 哺二 7 弋 二二 兩3 二二二二 圖3 5D S P 對I 0 空間的讀數據時序圖 I a l R I s I o s T R B R W 3 1 I O R D I S I O S T R B 旆 3 2 其中 加號代表邏輯或 由于I s I O S T R B I 傭R 和I O R D 均為低電平有效 所以該公式正好體現了D S P 的讀寫時序圖中I O s T R B 為R 1 和I S 的真子集的關系 并在后期的調試過程中驗證了其正確性 4 D s P 與F L A s H 的通信接口 設計中選用s s T 公司的S s T 3 9 v F 4 0 0 1 2 1 F L A s H 作為擴展的程序存儲器 該芯片 提供2 5 6 K 1 6 b i t 的程序存儲空間 最快讀取速度約8 0 n s 并且支持方便的在線 編程 D S P 復位時 如果檢測到好 M c 引腳為低電平 則將從片內R O l I 的F F 8 0 h 位置開始執(zhí)行程序 該位置包含一個分支指令 用來啟動自舉加載器程序 使用 并行引導方式從數據空間讀取用戶代碼 將其寫入到程序空間的片內R 塒中 然 后程序指針跳轉到用戶代碼的入口處開始運行程序 D s P 與F L A s H 之問的連接如圖3 6 所示 相關的輸出控制信號主要有三個 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 2 頁 圖3 6D 與F I 柵連接示意圖 數據空間選擇信號D s 存儲器選通信號M S T R B 和讀寫控制信號R w 經過一定的 邏輯轉換后 得到三個信號分別連到P L A S H 的0 E C E 和1 E 三個引腳上 這里同樣以D S P 對數據空間的讀數據時序圖3 7 為例進行分析 由圖3 7 可 以看出 在存儲空間選通信號煅T R B 變低有效后 經過T a m s t r b l 的周期后 數 據總線上開始出現有效酌數據 并保持一段時間供c P u 讀取 也就是數據的讀取 是在R 用 D S 都有效的同時 再以M s T 髓的脈沖下降沿作為嚴格的時序參考點的 再參考F 1 S H 的讀時序圖分析可以得出 控制信號的邏輯轉換關系如公式 3 3 3 4 和 3 5 所示 C E D S 3 3 W B D S M S T R B R 胛 3 4 0 E D S M S T R B 可可 3 5 其中 加號代表邏輯或 由于D S M s T f u 3 W E 和0 E 均為低電平有效 所以 該公式也體現了D S P 的讀寫時序圖中M S T I l B 為R W 和D s 的真子集的關系 在后期 的調試過程中發(fā)現 如果在w B 和O E 的邏輯或關系式中去掉D s 改為公式 3 7 和 3 8 表示 西南交通大掌碩士研究生學位論文第2 3 頁 髓 M s T f u 3 R I 0 E M S T R B 夏麗 3 7 3 8 得到的控制信號一樣可以順利的實現對F L A S H 的讀寫 從時序圖的理論分析 來看 這一點也是成立的 扭2 m 珥1 S 潮 強 二二 圖3 7D s P 對存儲器的讀數據時序圖 3 2 各模塊芯片選型及原理圖實現 3 2 1D s P 模塊原理圈設計 綜合考慮語音終端系統(tǒng)對所需D S P 處理器的處理性能 外設資源 貨源 成本 西南交通大學碩士研究生掌位論文第2 4 頁 等因素 本設計中的D s P 芯片選用美國T I 公司的T 蟠3 2 0 v C 5 4 0 9 籃 2 町 該芯片是T I 公司推出的定點數字信號處理器 它采用修正的哈佛總線結構 由C P u 內核 在片 存儲器和在片外圍電路三部分組成 加上高度專業(yè)化的指令系統(tǒng) 使得該芯片具 有功耗小 高度并行等優(yōu)點 可以滿足電信等眾多領域實時處理數據的需求 該芯片支持多種標準的串 并口通信 其中多通道緩沖串疆 強c B s P 是一種 全雙工的串行通信機制 可與1 2 8 個通道進行收發(fā) 提供雙緩存的發(fā)送寄存器和三 緩存的接收寄存器 允許進行連續(xù)的數據傳輸 v c 5 4 0 9 的最高時鐘頻率可達 1 0 0 棚z 單指令周期為1 0 n s 最大處理能力可達l O 蝕I P S 該部分主要的外圍電路 擴展F L A s H 一片 用于數據下載的J T A G 口 5 0 v 3 3 v 電平轉換電路 采用T P s 7 1 3 3 閻 5 0 v 1 8 v 電平轉換電路 采用T P S 7 6 7 D 3 1 8 p 田 對鐘脈沖產生電路 橋式整流等 現將主要外雖電路原理圖介紹如下 l J T A G 接口電路圖 圖3 8 腳接口原理圈 如圖3 8 所示 V c 5 4 0 9 支持標準的1 4 鐘J T A G 下載接口 其中使用的共有T C K T M S T D I T D o T R s T E 刪0 和E M U l 共7 個引腳信號 D S P 通過該接口與仿真器引腳 對應連接 可以方便地實現和P c 杌之圓的數據通信以及在線編程 將J T A G 接口設計在電路板上時 應注意以下三點 1 E 州0 和E M U l 是D S P 的仿真中斷引腳 通常應注意將這兩個引腳通過4 7 K 的電阻上拉 關于這一點的原理 我查閱的資料中沒有找到詳細說明 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 5 頁 2 J T A G 接口在P c B 板上不應離D S P 芯片太遠 同樣 在自制下載電纜時 電 纜的長度一般不要超過6 英寸 當大于6 英寸時 應將T 螨 T D I 兩個引腳也通過上 拉電阻拉高p 1 1 3 注意接口中有些引腳雖然沒用到 但規(guī)定必須接地 不應懸空 2 電源轉換電躊圖 7 圈3 9T P S 7 1 3 3 芯片電路原理圖 圖3 1 0 口s 7 6 7 D 3 1 8 芯片電路原理圖 V c 5 4 0 9 內部的采用3 3 V 和1 8 V 兩種電源供電 其中I 0 采用3 3 v 電源供電 而 芯片內核采用1 8 V 電源供電 為了將通常的5 V 電源轉換成D S P 所霈的電源 這里分 別采用了T P S 7 1 3 3 和T P S 7 6 7 D 3 1 8 兩種芯片 分別轉換后得到3 3 V 和1 8 V 電源 圖3 9 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 6 頁 和圖3 1 0 是具體實現原理圖 3 F L A S H 部分電路圖 F L A S H 存儲芯片選用S S T 3 9 1 I F 4 0 0 該芯片有以下主要特點 1 支持單電源操作 簡化了系統(tǒng)的電源要求 2 最快的讀取速度為8 0n s 采用嘞S 工藝 具有1 0 0 0 0 0 次寫入 擦寫壽 命 內部數據保存時間長 不易丟失 3 低功耗 工作電流僅2 0 m A 自動休眠電流只有3 I IA 4 靈活的塊結梅 支持整片擦除 塊擦除 5 具有塊保護功能 可以防止對任何區(qū)段進行編輯或擦除的硬件保護機制 如圖3 1 1 所示 F L A S H 與D s P 的連接線較多 所以在原理圖的設計中采用網絡 標號酶連接方式 使圖紙一目了然 雷串的地址總線 C O 1 7 和數據總線D O 1 5 通過網絡標號分別和D S P 的總線一一對應相連 W E o E c E 三個引腳接連自c P L D 是D S P 輸出 經過邏輯轉換后的信號 U I 衄 霧 0 囂 萋 弦蕊 沓 塞露 磐弘豪 豁 熬 一 童 a 口D C 9 S V 謅 圖3 1 lF 吣H 芯片電路原理圖 3 2 2 語音處理模塊原理圖設計 在語音處理都分 采用專用的語音處理蕊片T L v 3 2 0 A I C 2 3 這樣便于實現 而 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 7 頁 且可以達到更好的效果 A I c 2 3 是T I 公司生產的一敖高性能的立體聲音頻C o d e c 芯 片 片上集成了耳機輸出放大器 支持話筒 M I c 和線形輸入 L i n e i n 兩種輸入 方式 且對輸入和輸出都具有可編程增益調節(jié) A I c 2 3 的模數轉換 D 和數模轉 換 D A 部件集成在芯片內部 在8 K 到9 6 K 的頻率范圍內提供1 6 b i t 2 0b i t 2 4b i t 和3 2b i t 的采樣 A D c 和D A c 的輸出信嗓比分另4 可以達到9 0 d B 和1 0 0 d B 電路設計部分說明如下 l 語音輸入選用麥克風輸入 M I C 線性輸入引腳置空不用 語音輸出暫選 左聲道輸出 2 外部選用1 2 姍z 晶振 在內部經過分頻后 得到3 蛐z 時鐘用于串口通信 3 圖3 1 2 中 C S S D I N 和S C L K 為A I C 2 3 的控制字端口 接D S P 的M c B S P l B C L K D I N D U T L 瞄I 4 和L R 跚是A I c 2 3 酌語音數據傳輸端口 接D S P 的 c B s P o 圈3 1 2A l c 2 3 及外圍電路圈 3 2 3 網絡接口模塊原理圖設計 舨8 8 7 9 6 是臺灣A s i x 公司推出的N E 2 0 0 0 兼容快速以太網控制器 其內部集成有 1 0 1 0 0M b s 自適應的物理層收發(fā)器和8 Kx1 6 位的s R 心 支持既s 一5 1 系歹i j 8 0 1 8 6 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 8 頁 系列以及M c 6 8 K 系歹l I 等多種c P U 總線類型 A x 8 8 7 9 6 執(zhí)行基于I E E E 8 0 2 3 1 I E E E 8 0 2 3 u 局域網標準的1 0 M b s 和1 0 0 M b s 以太網控制功能 此外 缸8 8 7 9 6 還提供可選用的 標準打印接口 可用于連接打印設備或用作通用I 0 端口 A x 8 8 7 9 8 的地址總線s A 9 0 與數據總線s D 1 5 0 分別與C P U 的地址 數據總 線相連 C P u 通過I O 讀寫N E 2 0 0 0 寄存囂來控制A 8 8 7 9 6 的工作狀態(tài) 通過遠程D 姒 F I F O s 與A x 8 8 7 9 6 的內部緩存R A 破掛行數據交換 R A I I 與M A c 核之間進行L o c a lD 姒將 數據發(fā)送至姒c 層 再經由內部的P H Y 層發(fā)送至R J 4 5 接口 該芯片的外圍電路主要有信號電平轉換 采用芯片H R 6 0 1 6 8 1 時鐘脈沖產 生電路 R J 4 5 接口部分 工作狀態(tài)指示燈L E D 電路 手動復位信號電路等 具體 實現見圖3 13 圖3 1 3A 8 8 7 9 6 及外圍電路圖 西南交通大學碩士研究生學位論文第2 9 頁 3 2 4C P L D 模塊原理圖設計 該模塊最初用于設計實現人機交互的功能 即用戶根據網絡會議的系統(tǒng)需求 通過按鍵輸入分組選擇 要呼叫的I P 地址等信息 通過c P L D 傳送給D S P 同時驅動 八段數碼管顯示相應的信息 但在后面的調試中 因為系統(tǒng)需要 主要用來實現 D s P 對F L A S H A X 8 8 7 9 6 控制信號的邏輯轉換關系 核心芯片E P M 7 1 2 8 s L C 8 4 1 5 是A l t e r a 公司推出的M A 7 0 0 0 s 系列C P L D c o m 口1 e x P r o g r a 姍a b l eL o g i cD e v i c e 采用c 們SE E P R o M 工藝 傳輸延遲僅為5 n s 內部 具有豐富的資源 1 2 8 個觸發(fā)器 2 5 0 0 個用戶可編程門 而且提供6 4 個可用的I 0 引腳 為系統(tǒng)定義輸入 輸出和雙向口提供了極大的方便 為了比較適合混合電 壓系統(tǒng) 通過配置 輸入引腳可以兼容3 3 V 5 V 邏輯電平 輸出可以配置為3 3 v 5 v 邏輯電平輸出 E P M 7 1 2 8 同時還提供了J T A G 接口 P c 機在M A x P L U s l I 平臺下 通過 并口下載線連至該接口 就可以輕松實現程序的下載燒寫 對該芯片進行外圍電路設計時 應該注意以下三點 1 當c P L D 芯片運行時序電路時 引腳G c L K l 可以用作系統(tǒng)時鐘的輸入端口 但E P M 7 1 2 8 芯片內部沒有振蕩器 所以晶振必須經過C D 4 0 6 0 B 芯片振蕩分頻后才能 輸入到G C L K l 否則不能起振 2 通常來說 v C c I N T 引腳應當接到s O V 電源 這樣可以兼容3 3 v 或5 0 v 的I 0 端口輸入 如果V c c l 0 接5 0 V 電源 輸出端口僅支持5 o v 電平邏輯 如果v c c I O 接 3 3 V 電源 輸出端口為3 3 V 電平邏輯 這樣既可以作為其他3 3 v 系統(tǒng)的輸入 也 可以作為5 0 V 系統(tǒng)的輸入 3 在軟件的系統(tǒng)設計時要考慮到對硬件資源的優(yōu)化利用 比如 用靜態(tài)顯示 的方式驅動4 只八段數碼管 需要用至I J 4 9 3 6 個I O 端口 但如累采月動態(tài)顯示 烈 用人的視覺停留的特性 分時顯示 只占用了C P L D1 2 個I 0 端口 有效地節(jié)省了 系統(tǒng)資源 該模塊具體實現如圖3 1 4 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 0 頁 圈3 1 4a 哩D 模塊電路原理圖 3 3P C 8 板的制作與電氣性能測試 3 3 1 P C B 板的制作與實現 在前期設計的電路原理圖整體設計完成且檢查無誤的條件下 既可以開始P C B 扳的設計割作 該部分的工作和前面電路原理圖的設計都使用P r o t e lD x P 開發(fā)工 具來完成的f 3 2 3 明 P C B 板從開始設計到原件焊接完畢的過程中 主要涉及到以下 工作內容 1 建立原件封裝庫 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 1 頁 確定每一個芯片 器件的正確封裝是十分關鍵的 P r o t e lD P 環(huán)境中雖然提 供了很多元器件的型號封裝 但對比市場上可買到的器件規(guī)格形狀 常會發(fā)現很 大的差異 尤其像V c 5 4 0 9 A 娼8 7 9 6 這樣的精密器件 根本找不到現成的封裝形 式 只有先把所有的元器件買齊 然后用游標卡尺測量得到具體的規(guī)格參數 一 一創(chuàng)建封裝庫 2 元件布局與走線 本設計主要考慮以下內容 1 降低電磁干擾 系統(tǒng)中D s P 的最高工作頻率可達1 0 0 娜z 雨且P c B 板只 設計為兩層板 因此如何有效地抑制電磁干擾從而使得系統(tǒng)得以正常運行 是一 個非常重要的問題 對于電磁干擾的抑制 要在P c B 設計過程中嚴格遵守抑制電 磁干擾的設計準則進行布線和相應的處理 如盡量使高頻數字信號遠離模擬信號 數字地與模擬地分開 在一點通過電感或磁珠連通 在電源換層和芯片電源引腳 處加適當大小的溏波電容等 2 縮短時鐘源等高頻信號的布線長度 使品振盡量靠近芯片 這樣便于提 供鐘穩(wěn)定的時鐘脈沖信號 3 降低并行信號線問的串擾 串擾的產生主要是由于信號線之間的間距太 小 從而導致信號之間的相互耦合 信號線的間距遵守驪規(guī)則 線的中心點到相 鄰線的中心的距離為線寬的3 倍 能夠有效地避免串擾 4 總板 子板的設計方式 在硬件設計過程中 由于所用到芯片管腳多為貼 片式 管腳細小密集 一旦焊接到P c B 板上就很難修改 重用的可能性小 為了 便于后續(xù)的調試工作 節(jié)約成本 我們對貼片式元件在焊接方法上進行了更改 增加了自制的P c B 直插式的底座 如圖3 1 5 所示 而且對一些直插式芯片我們采 用插槽焊接 進一步提高了所設計的P c B 板的靈活性和重用性 有效降低了成本 3 元器件的焊接 設計中 總板及子板的所有元器件焊接都是自己獨立完成 完整的電路板如 圖3 1 6 所示 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 2 頁 圖3 1 5D S P A x 8 8 7 9 6 及F L A s H 子叛實物圖 匿3 璩系統(tǒng)電路板實物圈 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 3 頁 3 3 2P 板的電氣性能測試 電氣性能測試主要是檢查在電路板印制和焊接過程中是否造成電氣連接錯 誤 主要檢查以下部分 1 據電路原理圖檢查芯片的電源引腳及接地引腳是否連接正常 其它的重要 引腳是否被誤接地線或電源線 加電后測試芯片電源輸入端電平是否正常 這一 步檢查無誤為了確保加電后芯片可以正常啟動 2 加電盾用示波器檢測各個晶振的引腳 能否得到預期的時鐘波形 波形的 電平范圍及周期是否正常 輸入到芯片時鐘引腳的信號是否有明顯衰減 3 加電后密切注意各個主要茄片的溫度是否正常 各L E D 燈 極管 電解 電容等器件電源極性是否正確 在確定這些基本的電氣性能測試無誤后 才能進入下一步 安全放心地對各 模塊功能進行調試 3 4 本章小結 本章是對前期硬件設計過程的總結 首先給出了網絡語音終端的系統(tǒng)結構圖 并對所捌分的各個子模塊功能作了簡要說明 然后重點介紹了系統(tǒng)設計中D S P 資 源的科用 各個模塊與D s P 之間通信接口的設計 這也是初期系統(tǒng)設計規(guī)趙靜難 點之一 最后給出了各個主要芯片具體的外圍電路設計圖和部分說明 以及P c B 的制作完成和基本的電氣性能瀾試 西南交通大學碩士研究生學位論文第3 4 頁 第4 章系統(tǒng)軟硬件調試 針對第3 章中所述語音終端功能模塊的劃分 本設計系統(tǒng)的軟硬件調試主要 分以下幾個階段步驟進行 1 熟悉D s P 的集成開發(fā)環(huán)境c c S c o d ec o p o s e r 乳u d i o 掌握D S P 工程文 件的組成結構及屬性 主要包括存儲囂配置文件 中斷向量表等 2 D S P 的初始化功能調試 主要包括D s P 時鐘的控制 與工作相關寄存器的 初始化 多通道緩沖串口M c B s P l M c B S P O 的初始化 3 在I l A x P L U S 設計軟件中實現c P L D 內控制邏輯信號的編程 調試及硬件 燒寫 4 D S P 對語音處理芯片A I c 2 3 的寫控制字初始化 D s P 與A I c 2 3 的語音數據 通信接口調試 5 D s P 對網絡接口芯片A x 8 8 7 9 6 的寫控制字初始化 D s P 與A x 8 8 7 9 6 的通信 接口調試 4 1D s P 模塊的功能調試 4 1 1 集成開發(fā)環(huán)境c c s 簡介 C C S 是一個完整的D s P 集成開發(fā)環(huán)境 提供了配置 建立 調試 跟蹤和分 析程序女呱具 它便乇實時 嵌入式信號處理程序的編制和測試 不僅使用方便 而且加速了軟件開發(fā)進程 是目前最流行 最優(yōu)秀的D S P 開發(fā)軟件之一I 強刪 該 軟件支持軟件仿真器 S i m u l a t o r 以及多種硬件仿真器 本系統(tǒng)中軟件設計使用版 本是C C S 2 0 具有以下特點 l 集成