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[摘 要]水下通信系统的数字化实现，具有设计简便、语音编码速率可变、音质优、功耗小等优点，能实现水下实时语音通信。本文对水声数字语音通信系统的设计和实现进行了研究，提出了一套在水下无线、半双工、采用全数字技术的实时语音通信系统的解决方案。
[关键词]水下语音通信、语音压缩芯片、DSP
中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0012-01
目前，数字语音技术已广泛应用于许多通信领域，但是在水下利用声波进行数字语音通信却是刚刚起步的新技术，这主要是由于水声信道有限的通信带宽及其时变、空变等特性所决定的。随着现代科技的发展和人类利用和开发海洋步伐的加快，水下数字语音通信技术的研究将越来越受到人们的重视。
一、系统硬件结构
如图1所示，该通信系统分为数字电路部分和模拟电路部分，数字部分有：通信信号处理部分、显示控制电路、AMBE-2000、CODEC、Flash、ADC、DAC等。采用TI公司的TMS320VC5416用于控制和读写AMBE-2000，并与外部交换数据以及信号的调制解调；TMS320VC5416（简称VC5416）是TI公司的低功耗、高性能定点DSP芯片，它是基于先进的改进哈佛结构的16位定点DSP，拥有一条程序总线和三条数据总线。片内集成有一个具有高度并行性的算术逻辑单元（ALU ）、专用硬件逻辑、片内存储器和片内外设等几部分，广泛应用于无线通信设备中。AMBE-2000是DVSI公司推出的单片声码器芯片，芯片采用改进的多带激励（MBE）算法，能实现可变速率低比特率、高语音音质的语音压缩编码。Flash为SST公司的SST39VF800，512K x16bits存储空间，用于存储程序及初始化数据。系统还扩展了USB接口供以后系统软件升级用。MCU通过DSP的HPI接口与DSP通信，实现对DSP 的控制和系统的显示。模拟部分有：CODEC- PCM3500及其外围电路、ADC、DAC、以及滤波放大电路。其系统结构如图1：
硬件主要接口电路的设计：
1、AMBE-2000与DSP接口设计
DSP通过多通道缓冲串行口MCBSP0实现和AMBE-2000D的无逢连接，且接口十分简单不需要任何外部逻辑控制电路。
2、AMBE-2000与CODEC的接口设计
语音CODEC采用了TI公司生产的一种新型PCM编译码器PCM3500。该芯片内部包括A/D和D/A转换电路、输入抗混叠滤波器和高通滤波器、输出低通滤波器。同步串口能与DSP和单片机实现无缝连接，并支持时分复用工作模式。AMBE-2000只能工作在被动方式，PCM3500提供帧时钟和比特时钟给AMBE-2000，其接口也不需要任何的外部逻辑。
3、DSP与FLASH的接口设计
为存储程序，FLASH应映射到VC5416的数据空间，其容量为64K×16bit，由于FLASH的存储空间很大，16根地址线与数据线的连接方式很简单，即直接相连即可。为了完成DSP的BOOTLOAD功能，FLASH先后被映射在数据空间。所以FLASH与DSP的接口逻辑简单，第16根地址线经过反相器与FLASH的片选信号连接，映射在VC5416的后32K的数据空间内。
二、软件编程
整个系统的工作过程如下：系统加电、VC5416复位后，由其内部固化的自引导程序（BOOT）将存于Flash（28f008）中的程序和数据搬移至内部RAM；然后VC5416复位AMBE-2000芯片，开始进行语音编解码。AMBE-2000每20ms完成一帧语音数据的编解码运算，并与VC5416交换一次数据。VC5416将编码后的语音输出，同时将从信道或其他设备得到的数据送到AMBE-2000进行解码。
软件编程主要是对VC5416进行编程，程序分为主程序模块、与AMBE-2000间的通信和控制模块、与外界数据通信模块以及BOOT程序加载模块等。
主程序模块。该模块执行程序的初始化，包括对VC5416的接口和寄存器的初始化；对AMBE-2000的复位和速率设置，对话音激活检测、回波抵消功能的设置；对PCM3500的初始化等，此外还提供对中断服务程序的调度控制。对PCM3500的初始化主要是设置它的4个控制寄存器，其中控制寄存器1的作用是使能运算放大器，使能或旁路ADC模拟抗混迭滤波器，使能或旁路数字FIR滤波器，激活软件复位等；控制寄存器2的作用是低功耗模式控制，分频寄存器控制（决定滤波器的时钟频率和取样周期）；控制寄存器3的作用是选择模拟信号自环和数字信号自环，控制连续数据传输模式等；控制寄存器4的作用是控制输入和输出增益（通过控制输入和输出可编程增益放大器来实现）。
VC5416与AMBE-2000间交换数据以标准串行方式进行。VC5416的MCBSP接口在结构上可分为一个数据通道和一个控制通道。数据通道完成数据的发送和接收；控制通道完成通道的选择与控制等功能。在编写串行通信子程序时，采用中断方式。每来一次中断，执行一次数据发送和接收。
VC5416与FLASH器件采用外部并行16位BOOT方式进行程序的装载。VC5416提供了多种BOOT方法，包括：并行I/O口BOOT、串行口BOOT、HPI口BOOT、外部并行BOOT等。这些不同的BOOT方式可以满足用户不同的应用场合。在编写BOOT程序时，需要将VC5416设置为微计算机工作方式（MP/MC＼引脚置低）。这样DSP复位后，程序就从内部ROM开始运行BOOT程序，将存储于FLASH器件中的程序搬移至内部RAM中高速执行。
结论
针对水声信道有限的通信带宽，本文提出对语音信号进行压缩编码，降低传输所需的比特率，从而降低对传输带宽的要求。系统中采用多带激励语音压缩算法（MBE），该算法的成功运用不仅降低了数字语音的传输速率，同时还能获得很好的语音质量。为了进一步提高信道带宽的利用率，系统采用多载波（正交频分复用）调制技术（也可以采用成熟的QPSK相位调制技术）在获得较高的传输速率的同时有效克服水声信道的多途效应，进而实现实时的语音通信。
参考文献
[1] 惠俊英.水下声信道.国防工业出版社.1992.
[2] 朱彤.基于正交频分复用的水声通信技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文.2004.
[3] TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual SPRS095O–MARCH 1999–REVISED JANUARY 2005.
[关键词]水下语音通信、语音压缩芯片、DSP
中图分类号：TN914 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）06-0012-01
目前，数字语音技术已广泛应用于许多通信领域，但是在水下利用声波进行数字语音通信却是刚刚起步的新技术，这主要是由于水声信道有限的通信带宽及其时变、空变等特性所决定的。随着现代科技的发展和人类利用和开发海洋步伐的加快，水下数字语音通信技术的研究将越来越受到人们的重视。
一、系统硬件结构
如图1所示，该通信系统分为数字电路部分和模拟电路部分，数字部分有：通信信号处理部分、显示控制电路、AMBE-2000、CODEC、Flash、ADC、DAC等。采用TI公司的TMS320VC5416用于控制和读写AMBE-2000，并与外部交换数据以及信号的调制解调；TMS320VC5416（简称VC5416）是TI公司的低功耗、高性能定点DSP芯片，它是基于先进的改进哈佛结构的16位定点DSP，拥有一条程序总线和三条数据总线。片内集成有一个具有高度并行性的算术逻辑单元（ALU ）、专用硬件逻辑、片内存储器和片内外设等几部分，广泛应用于无线通信设备中。AMBE-2000是DVSI公司推出的单片声码器芯片，芯片采用改进的多带激励（MBE）算法，能实现可变速率低比特率、高语音音质的语音压缩编码。Flash为SST公司的SST39VF800，512K x16bits存储空间，用于存储程序及初始化数据。系统还扩展了USB接口供以后系统软件升级用。MCU通过DSP的HPI接口与DSP通信，实现对DSP 的控制和系统的显示。模拟部分有：CODEC- PCM3500及其外围电路、ADC、DAC、以及滤波放大电路。其系统结构如图1：
硬件主要接口电路的设计：
1、AMBE-2000与DSP接口设计
DSP通过多通道缓冲串行口MCBSP0实现和AMBE-2000D的无逢连接，且接口十分简单不需要任何外部逻辑控制电路。
2、AMBE-2000与CODEC的接口设计
语音CODEC采用了TI公司生产的一种新型PCM编译码器PCM3500。该芯片内部包括A/D和D/A转换电路、输入抗混叠滤波器和高通滤波器、输出低通滤波器。同步串口能与DSP和单片机实现无缝连接，并支持时分复用工作模式。AMBE-2000只能工作在被动方式，PCM3500提供帧时钟和比特时钟给AMBE-2000，其接口也不需要任何的外部逻辑。
3、DSP与FLASH的接口设计
为存储程序，FLASH应映射到VC5416的数据空间，其容量为64K×16bit，由于FLASH的存储空间很大，16根地址线与数据线的连接方式很简单，即直接相连即可。为了完成DSP的BOOTLOAD功能，FLASH先后被映射在数据空间。所以FLASH与DSP的接口逻辑简单，第16根地址线经过反相器与FLASH的片选信号连接，映射在VC5416的后32K的数据空间内。
二、软件编程
整个系统的工作过程如下：系统加电、VC5416复位后，由其内部固化的自引导程序（BOOT）将存于Flash（28f008）中的程序和数据搬移至内部RAM；然后VC5416复位AMBE-2000芯片，开始进行语音编解码。AMBE-2000每20ms完成一帧语音数据的编解码运算，并与VC5416交换一次数据。VC5416将编码后的语音输出，同时将从信道或其他设备得到的数据送到AMBE-2000进行解码。
软件编程主要是对VC5416进行编程，程序分为主程序模块、与AMBE-2000间的通信和控制模块、与外界数据通信模块以及BOOT程序加载模块等。
主程序模块。该模块执行程序的初始化，包括对VC5416的接口和寄存器的初始化；对AMBE-2000的复位和速率设置，对话音激活检测、回波抵消功能的设置；对PCM3500的初始化等，此外还提供对中断服务程序的调度控制。对PCM3500的初始化主要是设置它的4个控制寄存器，其中控制寄存器1的作用是使能运算放大器，使能或旁路ADC模拟抗混迭滤波器，使能或旁路数字FIR滤波器，激活软件复位等；控制寄存器2的作用是低功耗模式控制，分频寄存器控制（决定滤波器的时钟频率和取样周期）；控制寄存器3的作用是选择模拟信号自环和数字信号自环，控制连续数据传输模式等；控制寄存器4的作用是控制输入和输出增益（通过控制输入和输出可编程增益放大器来实现）。
VC5416与AMBE-2000间交换数据以标准串行方式进行。VC5416的MCBSP接口在结构上可分为一个数据通道和一个控制通道。数据通道完成数据的发送和接收；控制通道完成通道的选择与控制等功能。在编写串行通信子程序时，采用中断方式。每来一次中断，执行一次数据发送和接收。
VC5416与FLASH器件采用外部并行16位BOOT方式进行程序的装载。VC5416提供了多种BOOT方法，包括：并行I/O口BOOT、串行口BOOT、HPI口BOOT、外部并行BOOT等。这些不同的BOOT方式可以满足用户不同的应用场合。在编写BOOT程序时，需要将VC5416设置为微计算机工作方式（MP/MC＼引脚置低）。这样DSP复位后，程序就从内部ROM开始运行BOOT程序，将存储于FLASH器件中的程序搬移至内部RAM中高速执行。
结论
针对水声信道有限的通信带宽，本文提出对语音信号进行压缩编码，降低传输所需的比特率，从而降低对传输带宽的要求。系统中采用多带激励语音压缩算法（MBE），该算法的成功运用不仅降低了数字语音的传输速率，同时还能获得很好的语音质量。为了进一步提高信道带宽的利用率，系统采用多载波（正交频分复用）调制技术（也可以采用成熟的QPSK相位调制技术）在获得较高的传输速率的同时有效克服水声信道的多途效应，进而实现实时的语音通信。
参考文献
[1] 惠俊英.水下声信道.国防工业出版社.1992.
[2] 朱彤.基于正交频分复用的水声通信技术研究.哈尔滨工程大学博士学位论文.2004.
[3] TMS320VC5416 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual SPRS095O–MARCH 1999–REVISED JANUARY 2005.