摘  要： 提出一種以2塊title="TMS320VC54x">TMS320VC54x DSP為核心處理器的IP分組語音通信解決方案，并著重說明了語音處理模塊與以太網接口模塊的設計思路及2模塊的集成方法。
　　關鍵詞： 分組語音通信  DSP  CODEC  以太網接口  HPI

 　　分組語音通信是當前網絡技術發展的一個熱點。雖然PC機早已可以通過軟件實現IP網絡通話，但是用戶卻需要像電話一樣小巧而方便的終端。嵌入式技術的不斷進步讓用戶的這個需求變成了現實。通常的IP分組語音通信解決方案是采用1塊MCU芯片作為系統主控CPU，用1塊DSP芯片進行語音信號處理、壓縮編解碼，再用CODEC、以太網接口和存儲器等構成外圍電路。此外也有將MCU和DSP集成在一起的芯片，如TI生產的OMAP平臺DSP就采用了ARM＋DSP構架。集成化不僅可以降低成本，還可以降低功耗并提高可靠性。筆者在設計中使用了2塊DSP，分別作為主控和語音處理，同樣實現了IP的分組語音通信。
1 IP分組語音通信
　　分組語音技術是指將語音信號轉化為一定長度的數字化語音包，采用存儲－轉發的方式，以IP包的形式進行交換和傳輸的技術。傳統的電話網以電路交換的方式傳輸語音，它需要的基本帶寬為64Kbps，而在面向無連接的分組網絡上傳輸的分組語音需要的帶寬僅為10Kbps左右。由于互聯網并不能對傳輸帶寬提供保證，因此語音包在傳輸過程中就會產生延遲、抖動、包丟失等影響語音質量的因素。近年來由于低速率編解碼算法的出現和軟硬件性能的提高，人們開始注意到分組語音技術的商業價值。
　　分組語音信道模型如圖1所示。發送端語音在經過模擬信號、數字信號、語音包的處理過程后，再經過網絡傳輸，在接收端對語音包進行相反的處理，還原出語音。

2 語音處理模塊設計
　　該模塊實現了語音信號的驅動放大，A/D、D/A變換，壓縮編解碼等信號處理功能。
2.1 模塊硬件設計
　　語音處理模塊硬件框圖如圖2所示。該模塊的核心是TMS320VC5402(以下簡稱C5402)數字信號處理器。TLC320AD50是模/數接口芯片，采用Σ-Δ調制方式，為DSP提供語音CODEC接口。TLC2272和LM386分別作為TLC320AD50的輸入前置放大和輸出驅動。在發送端，TLC2272運算放大器對輸入語音信號進行放大，TLC320AD50模擬接口芯片對模擬信號進行A/D變換，使之成為數字信號，C5402對數字信號進行壓縮編碼，得到低速率的語音數據，并送給作為主控制器的另一塊DSP。在接收端，語音處理模塊從主控DSP處得到壓縮的低速率語音數據，由DSP進行解碼，TLC320AD50進行 D/A變換，LM386進行信號放大后驅動揚聲器，還原出模擬語音信號。

　　C5402利用多通道緩沖串行口(Multichannel Buffered Serial Port，McBSP)和TLC320AD50連接。TLC320AD50工作在主機模式下，它提供與C5402進行串行通信的8kHz的幀同步信號FS＃和8.192MHz的移位時鐘信號SCLK。C5402的BFS和BCLK設為輸入狀態。TLC320AD50每125ns輸出1幀16位的數據，并以DMA方式與C5402交換數據，以減少CPU資源的占有。
2.2 壓縮編解碼算法
　　壓縮編碼方式的標準由ITU-T統一制定，分為波形編碼和參數編碼二類。常用的波形編碼標準有G.711和G.726，其中G.711是PSTN電話網廣為使用的64Kbps的PCM編碼，G.726采用32Kbps的ADPCM方式。常用的參數編碼標準有G.728、G.729、G.729A和G.723.1。本文采用的是G.723.1標準，它是H.323協議標準缺省的語音編碼方式。
　　G.723.1是目前分組語音通信中常用的壓縮比最高的編碼方式。它使用雙速率LPAS聲碼器，其低速率采用代數碼本激勵線性預測(ACELP)，編碼速率為5.3Kbps，高速率(6.3Kbps)采用多脈沖最大似然量化(MP-MLQ)激勵。G.723.1標準基于碼激勵線性預測(Code Excited Linear Prediction，CELP)編碼模型對語音進行編碼。線性預測采用前饋型前向自適應，并使用預視。其輸入數據是經 8kHz采樣的16位線性 PCM語音信號，幀長為30ms(240個樣點)，分為4個子幀，即每個子幀含有60個抽樣信號，預視7.5ms。編碼端對原始語音進行分析，提取出CELP參數（LSP參數、碼本索引和增益等），并將這些參數編碼傳輸。在解碼端，再用這些參數構造激勵信號和合成濾波器，將激勵信號通過合成濾波器重建語音信號。G.723.1需要40MIPS以上的DSP才能保證語音編解碼的質量。C5402運算能力可以達到100MIPS，完全可滿足系統要求。
3  以太網接口模塊設計
　　該模塊由主控DSP直接控制以太網接口芯片，進行IP語音數據包的收發。以太網驅動芯片采用的是RTL8019AS，它是臺灣Realtek公司生產的一款兼容NE2000的8/16位網卡適配器，支持ISA總線結構。由于其性能優良，價格低廉，因此在10Mbps網卡市場中占有相當大的份額。RTL8019AS有16KB的RAM用于數據收發緩存，分成64頁，每頁256B，每頁存儲1幀以太網數據包。它內部有4頁寄存器，對應著偏移量為0x00~0x0F的16個輸入/輸出地址，控制器通過讀寫這些寄存器，控制數據的收發。此外，0x10～0x17是遠程DMA讀寫端口地址，0x18~0x1F是復位端口地址。RTL8019AS中主要的寄存器如下。
　　CR：控制以太網驅動器操作，同時用于選擇寄存器頁。
　　PSTART：接收緩沖區的起始頁地址。
　　PSTOP：接收緩沖區的結束頁地址。
　　TPSR：發送緩沖區的起始頁地址。
　　BNRY：指向最后一個已讀取頁地址。
　　CURR：指向當前的接收頁地址。
　　ISR：中斷狀態寄存器。
　　RCR：接收參數配置。
　　TCR：發送參數配置。
　　DCR：數據參數配置。
　　IMR：中斷屏蔽寄存器。
　　RSAR0、RSAR1：遠程DMA起始地址。
　　RBCR0、RBCR1：遠程DMA字節計數器。
　　PAR0～PAR5：設置本地MAC地址。
　　MAR0～MAR7：用于設置多點播送的參數。
3.1 模塊硬件設計
　　主控C5402的I/O資源豐富，可以很容易地將RTL8019AS映射為它的I/O空間。DSP與RTL8019AS的硬件連接如圖3所示。RTL8019AS的I/O電壓為5V，而DSP的I/O電壓是3.3V，二者連接時需要轉換電平。本設計選用SN74LVTH16244作為地址總線緩沖器，選用SN74LVTH16245雙向總線收發器作為數據總線緩沖器。

　　DSP采用查詢方式和RTL8019AS通信。DSP的XF為RTL8019AS提供硬件復位脈沖，通過A4～A0共5根地址線來訪問RTL8019AS的0x00～0x1F寄存器和端口空間，以太網驅動器的基地址由A19～A5確定，其值是0x300。RTL8019AS的讀寫控制信號由DSP的IOSTRB#、R/W#及A15通過圖中所示的邏輯提供。很顯然，RTL8019AS被映射到了DSP低32K字的I/O空間。
3.2 模塊軟件設計
　　模塊采用以太網的封裝格式協議(兼容IEEE802.3)、IP協議和UDP協議作為系統的通信協議。該部分軟件包括2部分：以太網驅動器的初始化和收發數據處理。
　　RTL8019AS硬件或軟件復位后即進行初始化工作，包括設置接收緩沖區和發送緩沖區，設置本地MAC地址，配置接收參數、發送參數和數據參數，給寫入頁指針和讀取頁指針賦初值，清除中斷狀態位等。
　　數據發送前，要將語音數據封裝成以太網幀，就是在語音數據前依次加上UDP包頭、IP包頭和以太網包頭；對接收到的數據包，要用相反的過程解包，依次去掉各種包頭后，取出語音數據。
　　以太網接口模塊數據收發軟件流程如圖4所示。發送時，DSP首先將語音數據封裝打包，然后用遠程DMA方式寫入RTL8019AS的發送緩沖區，并將數據包傳到網上。接收時，通過查詢ISR確定是否收到數據，如果收到，則以遠程DMA方式逐頁讀出接收緩沖區中的數據幀，并去掉包頭，恢復出語音數據。每讀1幀，將BNRY指向下一頁緩沖區，如此反復，直到讀出RTL8019AS接收緩沖區中的所有數據幀。

4  系統集成和測試
　　對上述2個模塊測試成功后，要將這2個模塊集成為1個端機系統，實現局域網環境下點到點的實時雙向分組語音通信。
主從DSP的硬件連接如圖5所示。主控DSP與語音處理模塊DSP通過8位增強型HPI接口(Host-Port Interface)進行通信。C5402的HPI由1個8位數據總線和一組控制信號組成，通過HPI地址寄存器（HPIA）、HPI數據寄存器（HPID）、HPI控制寄存器（HPIC）和主機建立通信連接。

　　主控DSP的A1、A2與HPI寄存器選擇信號HCNTL0，1相連。當A2A1=00b時，選擇HPIC寄存器；當A2A1=01b時，選擇HPIA寄存器；當A2A1=10b時，選擇HPID寄存器，且每次讀寫時HPIA加1；當A2A1=11b時，選擇HPID寄存器，讀寫不影響HPIA。主控DSP的A0用于選擇通信的高或低字節；IOSTRB#、A15、IS#按照圖示的邏輯關系組成數據傳輸的片選，此時從DSP位于主DSP高32K字的I/O空間，避開了RTL8019AS的空間；HR/W#和主DSP的R/W#直接連接；HINT#和HRDY用于向主DSP的發送中斷請求和準備好狀態信號。
　　語音處理模塊的DSP按照G.723.1進行壓縮編碼，每30ms生成1幀語音數據，放入編碼緩存區，產生1次HPI中斷。主DSP得到該中斷請求后，先將接收到的語音數據幀通過HPI口寫入從DSP的解碼緩存區供其解碼，然后主DSP將從DSP編碼緩存區中待發送的數據讀出，封裝后發送到網上。從DSP在30ms的時間間隔內，一方面要壓縮編碼TLC320AD50傳輸過來的語音數據，另一方面要將主機送來的數據進行擴展解碼，然后送給TLC320AD50，恢復出模擬的語音信號。
　　經過實驗測試，語音處理模塊和以太網接口模塊協調工作，在局域網上2臺終端通信的話音質量良好，達到了預期的效果。
5  結束語
　　本文采用2塊C5402 DSP作為系統核心，加上CODEC和NIC等外圍電路，實現了局域網上的IP分組語音通信，是一個全新的VOIP解決方案。筆者認為，采用更高運算能力的DSP，有望實現單DSP方案的分組語音通信。
參考文獻
1   Texas Instruments.TMS320VC54x DSP Reference Set.1999
2   Realtek.RTL8019AS Datasheet.2000
3   張雄偉，曹鐵勇.DSP 芯片的原理與開發應用(第2版).北京：電子工業出版社，2000
4   糜正琨.IP網絡電話技術.北京：人民郵電出版社，2000