摘 要：提出一种以2块title="TMS320VC54x">TMS320VC54xDSP为核心处理器的IP分组语音通信解决方案，并着重说明了语音处理模块与以太网接口模块的设计思路及2模块的集成方法。
关键词：分组语音通信 DSP CODEC 以太网接口 HPI
分组语音通信是当前网络技术发展的一个热点。虽然PC机早已可以通过软件实现IP网络通话，但是用户却需要像电话一样小巧而方便的终端。嵌入式技术的不断进步让用户的这个需求变成了现实。通常的IP分组语音通信解决方案是采用1块MCU芯片作为系统主控CPU，用1块DSP芯片进行语音信号处理、压缩编解码，再用CODEC、以太网接口和存储器等构成外围电路。此外也有将MCU和DSP集成在一起的芯片，如TI生产的OMAP平台DSP就采用了ARM＋DSP构架。集成化不仅可以降低成本，还可以降低功耗并提高可靠性。笔者在设计中使用了2块DSP，分别作为主控和语音处理，同样实现了IP的分组语音通信。
1 IP分组语音通信
分组语音技术是指将语音信号转化为一定长度的数字化语音包，采用存储－转发的方式，以IP包的形式进行交换和传输的技术。传统的电话网以电路交换的方式传输语音，它需要的基本带宽为64Kbps，而在面向无连接的分组网络上传输的分组语音需要的带宽仅为10Kbps左右。由于互联网并不能对传输带宽提供保证，因此语音包在传输过程中就会产生延迟、抖动、包丢失等影响语音质量的因素。近年来由于低速率编解码算法的出现和软硬件性能的提高，人们开始注意到分组语音技术的商业价值。
分组语音信道模型如图1所示。发送端语音在经过模拟信号、数字信号、语音包的处理过程后，再经过网络传输，在接收端对语音包进行相反的处理，还原出语音。
2 语音处理模块设计
该模块实现了语音信号的驱动放大，A/D、D/A变换，压缩编解码等信号处理功能。
2.1 模块硬件设计
语音处理模块硬件框图如图2所示。该模块的核心是TMS320VC5402(以下简称C5402)数字信号处理器。TLC320AD50是模/数接口芯片，采用Σ-Δ调制方式，为DSP提供语音CODEC接口。TLC2272和LM386分别作为TLC320AD50的输入前置放大和输出驱动。在发送端，TLC2272运算放大器对输入语音信号进行放大，TLC320AD50模拟接口芯片对模拟信号进行A/D变换，使之成为数字信号，C5402对数字信号进行压缩编码，得到低速率的语音数据，并送给作为主控制器的另一块DSP。在接收端，语音处理模块从主控DSP处得到压缩的低速率语音数据，由DSP进行解码，TLC320AD50进行 D/A变换，LM386进行信号放大后驱动扬声器，还原出模拟语音信号。
C5402利用多通道缓冲串行口(Multichannel Buffered Serial Port，McBSP)和TLC320AD50连接。TLC320AD50工作在主机模式下，它提供与C5402进行串行通信的8kHz的帧同步信号FS＃和8.192MHz的移位时钟信号SCLK。C5402的BFS和BCLK设为输入状态。TLC320AD50每125ns输出1帧16位的数据，并以DMA方式与C5402交换数据，以减少CPU资源的占有。
2.2 压缩编解码算法
压缩编码方式的标准由ITU-T统一制定，分为波形编码和参数编码二类。常用的波形编码标准有G.711和G.726，其中G.711是PSTN电话网广为使用的64Kbps的PCM编码，G.726采用32Kbps的ADPCM方式。常用的参数编码标准有G.728、G.729、G.729A和G.723.1。本文采用的是G.723.1标准，它是H.323协议标准缺省的语音编码方式。
G.723.1是目前分组语音通信中常用的压缩比最高的编码方式。它使用双速率LPAS声码器，其低速率采用代数码本激励线性预测(ACELP)，编码速率为5.3Kbps，高速率(6.3Kbps)采用多脉冲最大似然量化(MP-MLQ)激励。G.723.1标准基于码激励线性预测(Code Excited Linear Prediction，CELP)编码模型对语音进行编码。线性预测采用前馈型前向自适应，并使用预视。其输入数据是经 8kHz采样的16位线性 PCM语音信号，帧长为30ms(240个样点)，分为4个子帧，即每个子帧含有60个抽样信号，预视7.5ms。编码端对原始语音进行分析，提取出CELP参数（LSP参数、码本索引和增益等），并将这些参数编码传输。在解码端，再用这些参数构造激励信号和合成滤波器，将激励信号通过合成滤波器重建语音信号。G.723.1需要40MIPS以上的DSP才能保证语音编解码的质量。C5402运算能力可以达到100MIPS，完全可满足系统要求。
3 以太网接口模块设计
该模块由主控DSP直接控制以太网接口芯片，进行IP语音数据包的收发。以太网驱动芯片采用的是RTL8019AS，它是台湾Realtek公司生产的一款兼容NE2000的8/16位网卡适配器，支持ISA总线结构。由于其性能优良，价格低廉，因此在10Mbps网卡市场中占有相当大的份额。RTL8019AS有16KB的RAM用于数据收发缓存，分成64页，每页256B，每页存储1帧以太网数据包。它内部有4页寄存器，对应着偏移量为0x00~0x0F的16个输入/输出地址，控制器通过读写这些寄存器，控制数据的收发。此外，0x10～0x17是远程DMA读写端口地址，0x18~0x1F是复位端口地址。RTL8019AS中主要的寄存器如下。
CR：控制以太网驱动器操作，同时用于选择寄存器页。
PSTART：接收缓冲区的起始页地址。
PSTOP：接收缓冲区的结束页地址。
TPSR：发送缓冲区的起始页地址。
BNRY：指向最后一个已读取页地址。
CURR：指向当前的接收页地址。
ISR：中断状态寄存器。
RCR：接收参数配置。
TCR：发送参数配置。
DCR：数据参数配置。
IMR：中断屏蔽寄存器。
RSAR0、RSAR1：远程DMA起始地址。
RBCR0、RBCR1：远程DMA字节计数器。
PAR0～PAR5：设置本地MAC地址。
MAR0～MAR7：用于设置多点播送的参数。
3.1 模块硬件设计
主控C5402的I/O资源丰富，可以很容易地将RTL8019AS映射为它的I/O空间。DSP与RTL8019AS的硬件连接如图3所示。RTL8019AS的I/O电压为5V，而DSP的I/O电压是3.3V，二者连接时需要转换电平。本设计选用SN74LVTH16244作为地址总线缓冲器，选用SN74LVTH16245双向总线收发器作为数据总线缓冲器。
DSP采用查询方式和RTL8019AS通信。DSP的XF为RTL8019AS提供硬件复位脉冲，通过A4～A0共5根地址线来访问RTL8019AS的0x00～0x1F寄存器和端口空间，以太网驱动器的基地址由A19～A5确定，其值是0x300。RTL8019AS的读写控制信号由DSP的IOSTRB#、R/W#及A15通过图中所示的逻辑提供。很显然，RTL8019AS被映射到了DSP低32K字的I/O空间。
3.2 模块软件设计
模块采用以太网的封装格式协议(兼容IEEE802.3)、IP协议和UDP协议作为系统的通信协议。该部分软件包括2部分：以太网驱动器的初始化和收发数据处理。
RTL8019AS硬件或软件复位后即进行初始化工作，包括设置接收缓冲区和发送缓冲区，设置本地MAC地址，配置接收参数、发送参数和数据参数，给写入页指针和读取页指针赋初值，清除中断状态位等。
数据发送前，要将语音数据封装成以太网帧，就是在语音数据前依次加上UDP包头、IP包头和以太网包头；对接收到的数据包，要用相反的过程解包，依次去掉各种包头后，取出语音数据。
以太网接口模块数据收发软件流程如图4所示。发送时，DSP首先将语音数据封装打包，然后用远程DMA方式写入RTL8019AS的发送缓冲区，并将数据包传到网上。接收时，通过查询ISR确定是否收到数据，如果收到，则以远程DMA方式逐页读出接收缓冲区中的数据帧，并去掉包头，恢复出语音数据。每读1帧，将BNRY指向下一页缓冲区，如此反复，直到读出RTL8019AS接收缓冲区中的所有数据帧。
4 系统集成和测试
对上述2个模块测试成功后，要将这2个模块集成为1个端机系统，实现局域网环境下点到点的实时双向分组语音通信。
主从DSP的硬件连接如图5所示。主控DSP与语音处理模块DSP通过8位增强型HPI接口(Host-Port Interface)进行通信。C5402的HPI由1个8位数据总线和一组控制信号组成，通过HPI地址寄存器（HPIA）、HPI数据寄存器（HPID）、HPI控制寄存器（HPIC）和主机建立通信连接。
主控DSP的A1、A2与HPI寄存器选择信号HCNTL0，1相连。当A2A1=00b时，选择HPIC寄存器；当A2A1=01b时，选择HPIA寄存器；当A2A1=10b时，选择HPID寄存器，且每次读写时HPIA加1；当A2A1=11b时，选择HPID寄存器，读写不影响HPIA。主控DSP的A0用于选择通信的高或低字节；IOSTRB#、A15、IS#按照图示的逻辑关系组成数据传输的片选，此时从DSP位于主DSP高32K字的I/O空间，避开了RTL8019AS的空间；HR/W#和主DSP的R/W#直接连接；HINT#和HRDY用于向主DSP的发送中断请求和准备好状态信号。
语音处理模块的DSP按照G.723.1进行压缩编码，每30ms生成1帧语音数据，放入编码缓存区，产生1次HPI中断。主DSP得到该中断请求后，先将接收到的语音数据帧通过HPI口写入从DSP的解码缓存区供其解码，然后主DSP将从DSP编码缓存区中待发送的数据读出，封装后发送到网上。从DSP在30ms的时间间隔内，一方面要压缩编码TLC320AD50传输过来的语音数据，另一方面要将主机送来的数据进行扩展解码，然后送给TLC320AD50，恢复出模拟的语音信号。
经过实验测试，语音处理模块和以太网接口模块协调工作，在局域网上2台终端通信的话音质量良好，达到了预期的效果。
5 结束语
本文采用2块C5402 DSP作为系统核心，加上CODEC和NIC等外围电路，实现了局域网上的IP分组语音通信，是一个全新的VOIP解决方案。笔者认为，采用更高运算能力的DSP，有望实现单DSP方案的分组语音通信。
参考文献
1 Texas Instruments.TMS320VC54x DSP Reference Set.1999
2 Realtek.RTL8019AS Datasheet.2000
3 张雄伟，曹铁勇.DSP 芯片的原理与开发应用(第2版).北京：电子工业出版社，2000
4 糜正琨.IP网络电话技术.北京：人民邮电出版社，2000