目前，大多數數字對講機方案都是基于通用芯 片平臺，集成度低，功耗較高，價格昂貴，調試復 雜，不利于產業化。隨著集成電路技術的發展，基 于聲碼器與微控制器的對講機方案得到了較快的發 展，聲碼器通常使用專用語音編解碼芯片完成語音 收稿日期：2012-05-11。
男，碩士研究生，主要研究方向為無線通信系 統、語音信號處理、FPGA開發；楊驍（1978-)， 男，講師，博士，主要研究方向為模擬集成電 路設計、混合信號集成電路設計、射頻集成電 路設計、信號處理。
數字化處理。為了簡化系統維護，方便使用操作， 采用通用數字信號處理器作為基帶處理核心，實現 聲碼器功能,使語音處理靈活，具有更好的通用性和 擴展性。
1系統的硬件設計
根據該基帶系統在功耗、成本及擴展性等方面 考慮，需要完成模擬語音信號數字化轉換及處理， 無線信道傳輸。系統總體結構方案如圖1所示。
圖1系統硬件結構
系統主要由AIC23數模轉換模塊、DSP語音處
理模塊、微控制單元(MCU)模塊和CC1101射頻模 1^4部分構成。
1. 1 DSP處理模塊
基帶系統處理核心是基于通用DSP形成的數字 語音處理單元，實現數模轉換模塊AIC23的控制， 完成MELP聲碼器。選擇TMS320VCM10作為基帶系 統處理核心，它有如下特點⑴：雙乘加器(MAC)結構, 代碼執行效率高;320KWord的RAM，可以減少擴展功 耗較大的片外存儲芯片;豐富的片上外設,如：外部 存儲器接口（EMIF，External Memory Interface)、 直接內存存取(DMA, Direct Memory Access)控制 器、多通道緩沖串行口（McBSP，Multi-channel Buffered Serial Port)等；先進的電源管理技術 降低系統功耗。通過EMIF接口擴展256KWord的 Flash存儲器，用于上電后系統程序的加載，和電 源、時鐘管理、JTAG模塊構成DSP的最小系統。
1.2數模轉換模塊
TLV320AIC23是H公司推出的一款高性能、低 功耗立體聲音頻編解碼器[a。它可以和TI的DSP無 縫連接，通過DSP的McBSP接口與其進行連接， McBSP 1用于配置工作參數，McBSP2用于傳送模數 (A/D)、數模(D/A)轉換的數據。AIC23和DSP的 輸入輸出接口（I/O)電壓兼容，使系統設計簡單。
1. 3 MCU模塊
控制器MCU主要實現對外圍器件的控制和設 置，進行按鍵掃描檢測、基帶信號的發送與接收、 與DSP之間數據的交換和實現通信協議。選擇 MSP430F149作為主控制器 ' 其通用同步/異步接 收/發送器(USART)串口與DSP進行通信。USART1 與DSP的McbspO接口連接，通過串行外設接口 (SPI) 進行數據通信；USART0與射頻模塊進行連接通信。 1. 4射頻模塊
射頻模塊主要完成數字基帶信號調制解調，規 定比特符號和碼元之間的關系，并建立頻率同步和 碼元同步。射頻模塊采用TI的CC1101芯片，集 成了一個高度可配置的基帶調制解調器，支持四進 制頻移鍵控（4FSK)、高斯頻移鍵控（GFSK)、最小 移頻鍵控（MSK)等調制方式。單片機通過SPI方式 實現對CC1101運行參數和64字節發送/接收先入先 出隊列(FIFO)的控制[3]。
2系統軟件的設計
軟件主要是DSP與MSP430的程序設計,包括數 據采集、語音處理、MCU控制處理。接收時，CC1101 接收無線傳輸來的調制信號，解調后送到MSP430完 成數據組幀恢復，得到數字編碼碼流。與DSP進行 通信,DSP對其進行解碼恢復成數字語音碼流，送到
AIC23進行D/A轉換為話音信號。發送時，由麥克 風輸入的語音經AIC23進行A/D采樣，由DSP進行數 字壓縮編碼，再送到單片機進行填充組幀，最后由 射頻模塊進行調制后發射出去。
2. 1數據采集
DSP與AIC23之間的數據交換采用DMA的工作 方式減輕數據采集時DSP的負擔，同時進行聲碼 器處理。采用兵兵(Ping-Pong)存儲結構,每當串 口 Mcbsp2發送/接收到一個單元數據，自動觸發DMA 將其存入一個存儲塊中，例如Ping存儲區，當存儲 滿時會中斷CPU進行數據處理。同時，DMA會自動 去操作Pong存儲區，繼續采集數據。這樣可以有效 防止數據在處理時被新數據覆蓋的情況，而且 Ping-Pong之間自動切換，可以不間斷對數據進行 采集，適合流水線式處理，完成數據的無縫緩沖與 實時處理。
2. 2語音處理
語音處理模塊主要實現MELP聲碼器算法5]。 語音幀長22. 5 ms,每幀數據用54 bit進行編碼。 MELP聲碼器分為分析器和合成器兩部分。分析器實 現對原始語音信號進行幀分析處理，其流程圖如圖 2所示。首先經過高通濾波器進行預處理,濾除直流 工頻干擾，然后完成各個語音段的特征參數（基音 周期、帶通清/濁音強度、非周期脈沖標志、線譜 對（LSF, Linear Spectrum Pairs)參數、增益估計 和傅里葉譜幅度等）的提取，最后進行量化編碼和 組幀。
圖2 MELP聲碼器分析流程
合成器用于對接收到的碼流進行解碼恢復，首 先進行解包、排列，然后譯碼生成混合激勵信號， 先后經過自適應譜增強，線性預測編碼參數（LPC, Linear Predictive Coding)合成濾波，增益控 制，脈沖離散濾波等步驟處理，在接收端重構輸入 的語音信號[5]。合成器的流程圖如圖3所示。
聲碼器模塊采用MELP標準的C程序開源代 碼。在DSP移植過程中，需要對其進行優化，以滿 足實時性要求。主要從以下幾個方面對MELP的定 點C代碼進行優化。
圖3 MELP聲碼器合成流程
(1)編譯器優化選項和inline函數方法優化[6]
采用優化選項的優化級別-02，得到較高的代碼
優化效率。對小函數用inline關鍵字限定，當函數 較常被調用時，可以減少調用的時間開銷，獲得較好 優化效果。
(2)使用ETSI函數m
調用mathhalf文件中基本運算函數非常頻繁， 運行效率低。將這些函數用ETSI函數代替，當代碼 中調用了這些函數時，編譯器會自動把優化過的匯 編代碼嵌入到程序中，可以節省很多時鐘周期，優化 效果很好。
(3)數據內存的優化
對存儲器進行合理規劃，將程序代碼和常量系 數分配到單訪問隨機存儲器(SARAM，Single Access RAM)中，把頻繁訪問的變量、堆棧等放在雙訪問隨 機存儲器(DARAM，Dual-Access RAM)中，充分利用 片內內存，提尚程序的執行效率。
(4)對程序結構進行簡化
對代碼結構進行優化，減少一些不必要的代碼 的運行，比如logicO;等測試函數。將算法中用到 MEM—ALL0C0等動態分配內存的函數，根據運行時所 需的空間大小在函數中直接給出，減少庫函數的調 用，防止破壞軟件流水執行。
(5)循環優化[8]
對算法中循環部分進行優化。利用其硬件結構、 尋址方式進行修改，減少分支和調用等指令，合理 安排代碼處理流程。充分利用其指令執行時的流水 線特點，提局執行效率。
DSP程序的控制流程如圖4所示。程序中設置 兩個長度為180字編碼和解碼緩沖塊。當接收緩沖 區滿180樣點時，DMA中斷CPU進行處理，把數據 復制到編碼緩沖塊中并進行MELP編碼，處理得到的 數據通過DMA復制到發送緩沖存儲器，送到MCU進 行后續處理。解碼過程是將MCU發來的幀比特數據， 經過MELP解碼后存儲解碼數據到解碼緩沖塊中，然 后將合成語音數據發送到AIC23進行話音的回放。
