基于CMX618的数字语音通信系统

0 引 言
     近年来，通信事业发展迅速，各种新技术相继出现，使人们对通信质量的要求更为苛刻，以致频谱资源越来越紧张。在保证良好通信质量的情况下，如何提高频谱利用率，已经成为一个难题。通信系统中，语音编码技术是移动通信数字化的基础，语音编码决定了接收的语音质量和系统容量。低比特率语音编码提供了解决该问题的一种方法，在编码器能够传送高质量语音的前提下，语音编解码比特率越低，就可以在一定的带宽内容纳更多的语音通道。因此，人们不断地寻求新的编码方法，以求在低比特率的前提下，提供较高的语音质量。
     英国CML公司推出的语音编解码芯片CMX618，能够以较低的比特率进行编解码处理，并保证很高的语音质量。在此基于CMX618设计实现了一个数字语音通信系统，该系统结构简单，但功能强大，而且它的工作电压很低，功耗很小，非常适合通信领域开发使用。
   l CMX618功能与特点
1．1 RALCWI算法
     CMX618是接近长话级的半双工语音编解码芯片，通过一种新的数据速率算法技术--RALCWI技术，对语音进行编解码处理。RALCWI是一种鲁棒的先进的复杂性波形插入技术，与其他语音编解码技术不同，它使用独有的信号分解和参数编码方法，可确保在较高的压缩率下有很好的语音质量。在声码器中，采用RALCWI技术实现的语音质量与编码位速率在4 Kb／s以上的标准声码器话音质量基本相符。它的MOS(平均意见得分)处于3．5～3．6之间，而且表现相当优秀。
     RALCWI声码器以帧一帧为基础进行传输。在8 kHz的采样速率下，对语音信号进行分帧处理，每帧语音包含160个采样点，形成20 ms的元语音帧。语音编码器以较高的计时分辨率(8次／帧)进行语音分析，对每一个语音段都会生成一系列的评估参数。然后，使用不同的矢量量化(VQ)方法，这些估算参数被量化生成41 b，48 b或55 b的帧。值得一提的是，这些向量量化值是以多语言语音为基础进行混合编排的，包含了东西方多种语言的语音采样值。
1.2 芯片主要功能及特点
     CMX618语音编解码芯片体积小，性能高，功耗低，其具体特点如下：
     (1)编码时，有三种位速率可供选择(2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s)。在选择前向纠错编码(FEC)的情况下，可通过信道编码和交织处理形成3 600 b／s的位数据流(60 ms／216 b的数据包或80 ms／288 b数据包)。
     (2)解码时，可选择前向纠错(FEC)解码器对输入编码后的语音位流(216 b／60 ms或者288 b／80 ms的数据包)进行解交织和信道解码，生成纠错后的编码语音位速率为2 050 b／s，2 400 b／s或者2 750 b／s，速率依据所选的模块而定。当使用FEC解码器时，可利用“软决策”方法增强解码功能，减小误码的产生。
     (3)内部含有一个集成的语音压缩／解压器(CODEC)，实现模拟语音到低位速率编码的压缩／解压过程。
     (4)芯片大部分功能，均可通过软件编程的方式，配置内部的寄存器来实现，简单方便。
     (5)具有非连续发送检测(DTX)、舒适噪声生成器(CNG)、语音激活检测(VAD)和双音多频信号检测(DTMF)的检测和产生等辅助功能，使语音性能达到最佳。
1．3 CMX618工作原理
     CMX618内部结构图如图1所示。
   
       由结构图可以看出，CMX618主要由音频压缩／解压器(CODEC)、RALCWI编解码器、前向纠错编解码器和其他特殊功能模块几部分组成。
     编码时，输入的模拟语音首先要经过音频压缩／解压器(CODEC)模块，进行调节增益、A／D转换、滤波和压缩处理，然后进入编码器中开始编码。编码后，如果选择使用前向纠错(FEC)功能，则会对编码进行纠错处理，尽量消除误码。这样，编码后的语音数据，按选择的位速率和帧的结构生成数据包，利用C-BUS串行总线，传输到微控制器LPC2138中。
     解码是编码的逆处理过程。经C-BUS串行总线传输的数字语音，进入解码器(可选择FEC功能)开始解码，然后经过解压、滤波、D／A转换、调节增益等处理后，就成为可以听到的模拟语音。另外，在编码和解码期间，如果选择一些辅助功能，例如非连续发送检测(DTX)、语音激活检测(VAD)或双音多频信号检测(DTMF)时则需另行处理。
   2 系统设计实现
2．1 微控制器
     ARM微控制器具有内核耗电少，功能强，成本低等优点，现在多应用于无线通信、GPS、智能手机开发等诸多领域。这里选用PHILIPS公司的LPC2138作为数字语音通信模块的主控制器。LPC2138是一个基于支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-SCPU的微控制器芯片，较小的封装和很低的功耗使LPC2138特别适用于小型系统中。此外，由于LPC2138片内集成了ROM，RAM，A／D和多个外设模块，如通用I／O口、定时器、串行口等，因此非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像等场合，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。
2．2 系统的硬件设计与实现
     基于CMX618的语音通信模块主要由语音编解码器CMX618和LPC2138组成，如图2所示。
   
       该语音通信系统使用CMX618内置的CODEC模块，其内部集成了A／D和D／A转换、通道滤波、增益调节等功能，足以满足对模拟语音的抽样、量化等操作的指标要求。因此，无需再外接芯片，也节省了大量的物理空间，这在实际的开发设计中是十分重要的。
     微控制器LPC2138通过C-BUS串行总线与CMX618连接。C-BuS是一个四线中断一驱动串行系统，可在主控制器和CMX618内部寄存器间进行数据传输、控制或状态信息的发送。
2．3 系统的软件设计与实现
     系统的软件设计主要是编写CMX618的驱动程序，以及对主控制器LPC2138进行编程实现对CMX618的控制。在上电后，首先应初始化CMX618和LPC2138。对语音编解码芯片，要配置其中的一些功能寄存器，这包括设置编解码位速率、组帧结构、增益大小、辅助功能选用以及开启中断标志位等；对主控制芯片，则要配置接口方式、中断条件和传输速率等。
     实际应用中，为使编解码过程中的纠错能力达到最佳，在使用前向纠错(FEC)编码器处理语音编码时。可选择声码器帧以3×20 ms或4×20 ms的形式进行数据包传输。这种把多帧数据进行封装、打包传输的形式，更有效地抑制了误码的产生。
     这里，要注意CMX618语音编解码芯片的状态(state)寄存器(地址为MYM40)。编码和解码操作在状态寄存器中都有对应的标志位，当采用中断方式编解码时，每次要先读出状态寄存器中对应标志位的值，只有当对应标志位的值为“1”时，才会产生中断，执行相应的操作，如图3所示。
   
       其中，在状态(state)寄存器(地址为MYM40)中对应的状态标志有VDA，VDW，RDY。其中，VDA为编码标志位；VDW为解码标志位；RDY为等待配置标志位。
2．4 关键问题
     (1)采用RALCWI算法时，由于存在算法抖动，会使编码每一帧时花费的时间不同，这使微处理器对输出数据的时间不好掌握。为解决此问题，在编码时，会给微处理器一条指令，只要编码可行，就会进行数据传输；在解码时，则会增加一个初始延迟时间，避免CODEC因无采样数据而产生时间空隙。
     (2)为了提高微控制器LPC2138与CMX618间的传输速率，使用C-BUS串行总线读／写寄存器时，可采用“数据流”的方法传输数据，即只需要一个地址／指令，就可以传输多个数据字节。具体实例如图4和图5所示。
   
       利用C-BUS串行总线，写入CMX618内部寄存器的过程中，从主控制器传过来的数据，首个字节为CMX618寄存器的地址，然后，数据就会源源不断地传人此寄存器中；同样，从CMX618内部寄存器读出数据时，首先也要写入寄存器的地址，确定位置，然后就可以从此寄存器中读出数据了，直到传输完为止。
   3 应 用
     该语音通信模块已经成功应用于900 MHz数字无中心对讲机中，图6为900 MHz数字无中心对讲机各功能模块的结构简图，图中的语音模块与微控制器部分即为涉及的内容。如今，民用对讲机逐步数字化已是大势所趋，国内外众多机构已经投入了大量的人力、物力进行研究和开发，故此系统有着广阔的发展空间。
   
   4 结语
       研究了CMX618在语音通信系统中的应用，虽然CMX618刚刚研发出来，很多人还不了解，但它的诸多优越性能已足以受到广大设计者的青睐。基于该芯片设计的数字语音通信系统，有很好的清晰度和稳定性，在通信产业迅猛发展的今天，必将有着广阔的应用前景。