話音和數(shù)據(jù)同傳有多種方案，這些方案大都先將話音信號數(shù)字化，經(jīng)過壓縮后與外部數(shù)據(jù)一起打包傳輸。主要區(qū)別在于發(fā)送一包話音數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)的占用時(shí)間，以及話音數(shù)據(jù)與外部數(shù)據(jù)在包內(nèi)的分割時(shí)長。常見的有兩種方案[1]。一是日本救護(hù)車所用的數(shù)話同傳方案，可將病人的身體狀況的檢測數(shù)據(jù)與話音同傳。在這一方案中，以625ms為一個(gè)話音壓縮周期，其中187.5ms用于傳送數(shù)據(jù)，437.5ms用于傳送話音，外部數(shù)據(jù)時(shí)隙占整個(gè)信道時(shí)間的30％，數(shù)話同傳時(shí)話音延遲約為200ms。另一種是UIC建議的數(shù)話同傳方案。這個(gè)方案以1040ms為一個(gè)周期，其中260ms用于傳輸數(shù)據(jù)，780ms用于傳輸壓縮話音，數(shù)據(jù)時(shí)隙占整個(gè)信道的時(shí)間為25％。這一方案由于數(shù)據(jù)占用的時(shí)間較短，因此可以提供較好的通話質(zhì)量，但話音延遲260ms，在雙工通話時(shí)會使人感到不適，數(shù)據(jù)傳輸量也不高。
　　上述兩種方案的話音延遲都較長，同時(shí)外部數(shù)據(jù)時(shí)隙占信道的時(shí)間比較短，發(fā)送數(shù)據(jù)量受到一定的限制，主要用于傳送話音信號。本文在保證傳送話音質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡量減小話音延遲，提高外部數(shù)據(jù)分割時(shí)長，同時(shí)根據(jù)AMBE話音Codec和GMSK Modem的特點(diǎn)，提出了如圖1 所示的數(shù)話同傳方案。

　AMBE話音Codec[2]采用基于MBE(多帶話音激勵)模型的壓縮技術(shù)，已被證明優(yōu)于CELP、MP－MLQ、LPC－10以及其它的壓縮技術(shù)，MOS分達(dá)到3.5分，能夠在低至2.0kbps的壓縮速率下保持高質(zhì)量的話音。所以本系統(tǒng)采用2.4kbps的話音壓縮速率時(shí)仍然有很好的自然度和可懂性。當(dāng)單片機(jī)查詢到有話音數(shù)據(jù)時(shí)，不中斷數(shù)據(jù)的傳輸，而是延遲60ms，單片機(jī)再將AMBE話音Codec傳過來的話音數(shù)據(jù)處理后與外部數(shù)據(jù)一起打包發(fā)給Modem，實(shí)現(xiàn)數(shù)話同傳。從上述方案中可以看出，話音信號的延遲不會超過120ms，優(yōu)于前兩種方案，能夠很好地滿足實(shí)時(shí)性的要求；外部數(shù)據(jù)時(shí)隙占整個(gè)信道時(shí)間約為46％，分割時(shí)長也比前兩種方案高，此時(shí)外部數(shù)據(jù)傳輸率約為4800bps。沒有話音數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，單片機(jī)直接對外部數(shù)據(jù)進(jìn)行打包傳送，數(shù)據(jù)傳輸率為GMSK Modem的傳輸率，即為9600bps。
1 系統(tǒng)的硬件組成及工作原理
1.1系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
　　整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框如圖2所示。
　　系統(tǒng)以Atmel公司的單片機(jī)AT89S52和Altera公司的EPLD芯片EPM7128為主控芯片。AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微處理器，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的絕大多數(shù)工作，內(nèi)部帶有8KB可編程的FLASH存儲器，無需擴(kuò)展ROM，自帶ISP口，可靈活地進(jìn)行在系統(tǒng)可編程，可以通過全雙工的標(biāo)準(zhǔn)串口與外部計(jì)算機(jī)或PLC交換數(shù)據(jù)。EPM7128[3]是Altera公司的MAX7000系列中的一款，具有高阻抗、電可擦寫等特點(diǎn)，可用門單元為2500個(gè)，管腳間最大延時(shí)為5ns，主要用來實(shí)現(xiàn)話音壓縮和解壓縮所需的時(shí)序及邏輯控制。話音預(yù)處理和ADC－DAC單元采用MC145480[4]，其內(nèi)集成了300Hz～3400Hz的帶通濾波器、AD和DA轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為8kHz，每個(gè)采樣值采用8比特(256個(gè)量化級)編碼，可輸出A 律和μ律可選的64kbps的PCM 信號。話音壓縮和解壓縮通過AMBE1000[2]完成，壓縮速率從2.4kbps～9.6kbps，A/μ律可選，具有語音檢測、回聲抑制和休眠等功能[2]。數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)部分的核心器件是無線單片收發(fā)芯片F(xiàn)X909[5]。此芯片采用GMSK調(diào)制解調(diào)方式，頻帶利用率非常高，特別適合在窄帶的數(shù)傳系統(tǒng)中，內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)FEC和CRC算法，同時(shí)兼容Mobitex無線廣域網(wǎng)空中接口標(biāo)準(zhǔn)。模擬調(diào)頻電臺將從Modem輸出的GMSK信號經(jīng)過二次調(diào)制到數(shù)傳信道上傳輸，帶寬一般為25kHz，新西蘭大吉公司、美國的MDS公司、日本的建武的模擬臺都可實(shí)現(xiàn)此功能。
1.2 系統(tǒng)工作原理
　　在無話音數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，AT89S52將從串口接收的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)送給Modem，Modem對傳過來的數(shù)據(jù)增加前向糾錯(cuò)(FEC)、循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)位后，按Mobitex標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行交織和擾碼處理，再附上比特同步和幀同步字節(jié)后，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行GMSK調(diào)制，輸出音頻的GMSK信號，再由電臺將其調(diào)制到模擬調(diào)頻話音信道上傳送出去。當(dāng)有話音數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，模擬話音輸入MC145480，經(jīng)過8kHz 的A律編碼輸出64kbps的PCM信號。經(jīng)過AMBE1000壓縮后，輸出2.4kbps的壓縮話音數(shù)據(jù)，這些話音數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)AT89S52除包延時(shí)處理后與串口接收的外部數(shù)據(jù)一起打包送到調(diào)制解調(diào)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音的同時(shí)傳輸。
　　數(shù)據(jù)接收時(shí)，Modem從模擬調(diào)頻電臺讀入音頻信號進(jìn)行GMSK解調(diào)，經(jīng)檢錯(cuò)和撤包處理后，將數(shù)據(jù)傳送給AT89S52。單片機(jī)經(jīng)過判斷處理后，如果是外部的數(shù)據(jù)，則直接通過串口輸出；如果是話音數(shù)據(jù)，則經(jīng)過處理后送給AMBE1000解壓縮，輸出的PCM信號經(jīng)過A律解碼和DAC，還原成模擬話音信號輸出。
2 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
　　整個(gè)系統(tǒng)的軟件主要包括三大部分：MC145480和AMBE1000的接口時(shí)序的實(shí)現(xiàn)、語音壓縮數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)。
2.1 接口時(shí)序的實(shí)現(xiàn)
　　AMBE1000話音Codec與MC145480的接口關(guān)系[2]如圖3所示。

圖3中CLK_2048K為2048kHz的時(shí)鐘信號，CLK1_8K和CLK2_8K均為8kHz的時(shí)鐘信號?？梢钥闯?，分立元器件較多，時(shí)鐘源之間的干擾比較大，電路運(yùn)行不太穩(wěn)定。本系統(tǒng)中用一片EPM7128實(shí)現(xiàn)，用VHDL語言編寫時(shí)序發(fā)生器，大大簡化了電路，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。圖4是在MAXPLUSII上仿真MC145480從AMBE1000話音Codec讀取數(shù)據(jù)的波形。
　　從仿真波形上可以看出，在MC145480的接收幀同步信號FSR的下降沿到來時(shí)，開始在接收位時(shí)鐘信號BCLKR的作用下采樣從AMBE1000話音Codec傳過來的數(shù)據(jù)(AMBE1000的tx_do端)。在采樣一個(gè)字節(jié)后停止采樣，余下的FSR為低電平的時(shí)間(一個(gè)FSR的周期內(nèi))用來給MC45480的DA轉(zhuǎn)換提供緩沖時(shí)間。在下一個(gè)FSR的下降沿到來時(shí)又周而復(fù)始地重復(fù)上述操作。
2.2 話音壓縮數(shù)據(jù)的處理
　　AMBE1000話音Codec輸出數(shù)據(jù)是以幀為單位[2]，每20ms輸出一幀，每幀的大小為34bytes,其中幀頭為10bytes,壓縮語音數(shù)據(jù)24bytes。數(shù)據(jù)格式如表1所示。

如果按全幀發(fā)送，1s內(nèi)必須傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)為：
　　34bytes × 8bit/bytes × 50 = 13600bit
　　而Modem 的最大傳輸速率為9600bps，根本無法進(jìn)行傳輸，更談不上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和語音同傳了；另一方面，本系統(tǒng)沒有必要將壓縮語音數(shù)據(jù)按全幀發(fā)送，只需傳送有效語音數(shù)據(jù)。壓縮速率為2400bps 時(shí)，每幀輸出的有效語音數(shù)據(jù)為：
　　2400bps / (50 × 8bit) = 6 bytes
　　這樣在幀尾會有18bytes(24bytes-6bytes=18bytes)的無效0數(shù)據(jù)，全幀傳輸時(shí)這些無用的0也參與了傳輸。從節(jié)省帶寬方面考慮，必須進(jìn)行幀頭和幀尾的處理，并重組數(shù)據(jù)幀。為此，在程序中做了如下處理： 當(dāng)檢測到有話音數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)每20ms對AMBE1000話音Codec進(jìn)行一次讀寫操作，將接收到的一幀數(shù)據(jù)存入一個(gè)緩沖區(qū)，去掉不必要的幀頭和幀尾無效的0，得到純語音數(shù)據(jù)(每幀6字節(jié))。每隔60ms即連續(xù)等待三次AMBE話音Codec中斷處理后(共18字節(jié)的有效語音數(shù)據(jù))，將有效的語音數(shù)據(jù)與外部接收的數(shù)據(jù)一起打包發(fā)給Modem。接收端反之，單片機(jī)將Modem解調(diào)出來的語音數(shù)據(jù)，按每6個(gè)字節(jié)，先進(jìn)行必要的幀頭設(shè)置，再添加上幀尾的0，恢復(fù)一幀完整的數(shù)據(jù)傳給AMBE1000話音Codec進(jìn)行解壓縮。這樣充分利用了信道資源，并且語音延遲比較小，外部數(shù)據(jù)傳輸率也比較高。
2.3 數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)
　　外部輸入的數(shù)據(jù)和來自AMBE1000話音Codec的數(shù)據(jù)被單片機(jī)打包成如表2所示的數(shù)據(jù)格式。

6 字節(jié)的幀頭包括兩字節(jié)的位同步、兩字節(jié)的幀同步以及兩個(gè)自定義的控制字節(jié)。這兩個(gè)控制字節(jié)可用于區(qū)分語音數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，以及在半包發(fā)送時(shí)指示數(shù)據(jù)塊中實(shí)際數(shù)據(jù)的多少。每18個(gè)字節(jié)作為一個(gè)小數(shù)據(jù)包，數(shù)話同傳時(shí)，語音數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)各占一小包。一個(gè)字節(jié)的幀尾標(biāo)志一般為0x33。這樣的一幀數(shù)據(jù)傳給FX909,帶上FEC和CRC位后，最大數(shù)據(jù)量為：(6＋1＋30+30+1)×8bit=544bit。在60ms的時(shí)間內(nèi)，Modem有能力完成一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送(60ms×9600bps＝576bit>544bit)。這從一個(gè)側(cè)面證明了本系統(tǒng)采用的數(shù)話同傳方案的可行性。FX909工作在任務(wù)方式下，單片機(jī)通過寫任務(wù)到FX909的命令寄存器去指示Modem的工作，當(dāng)FX909完成工作后以中斷的形式通知單片機(jī)當(dāng)前操作已經(jīng)完成。軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程如下[5]：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，設(shè)置FX909的工作模式為發(fā)送狀態(tài)，寫幀頭數(shù)據(jù)，設(shè)置任務(wù)＝T7H，發(fā)7個(gè)字節(jié)幀頭(FX909內(nèi)部幀頭帶一個(gè)字節(jié)的FEC和CRC)；然后往FX909 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中寫入18 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，設(shè)置任務(wù)＝TDB，發(fā)送數(shù)據(jù)塊；若本幀未結(jié)束，繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)塊，發(fā)送結(jié)束后再發(fā)一個(gè)字節(jié)的幀結(jié)束標(biāo)志；如此反復(fù)直到所有的數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束為止。接收數(shù)據(jù)時(shí)，先設(shè)置FX909 的工作模式為接收狀態(tài)，檢測到載波信號后，寫幀同步字節(jié)至數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，設(shè)置任務(wù)＝LFSB,進(jìn)行比特同步；然后設(shè)置任務(wù)＝SFH,查找?guī)^，讀出幀頭控制字節(jié)后設(shè)置任務(wù)＝RDB，讀出18個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)；若本幀未結(jié)束，繼續(xù)讀數(shù)據(jù)塊，否則查找下一個(gè)幀頭；如此反復(fù)，直至接收完所有的數(shù)據(jù)。同時(shí)還可以讀出CRC和FEC標(biāo)志位信息，進(jìn)行相應(yīng)的處理。
　　本文實(shí)現(xiàn)的數(shù)話同傳控制器具有話音延遲短、數(shù)據(jù)傳輸量大的特點(diǎn)，有效地解決了語音信號延遲比較大和外部數(shù)據(jù)傳輸量受限問題，能夠滿足絕大多數(shù)場合下話音通信和數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?有著廣泛的應(yīng)用前景。