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移动通信实验系统说明书119资料内容仅供参考，如有不当或者侵权，请联系本人改正或者删除。目 录目 录1第一部分 基础实验1第1章 伪随机序列产生实验2实验一 m序列产生及特性分析实验3实验二 GOLD序列产生及特性分析实验7实验三 WALSH序列产生及特性分析实验11第2章 信源编码和信道编码实验15实验一 语音模数转换和压缩编码实验24实验二 线性分组码实验26实验三 GSM卷积码实验32实验四 GSM交织技术实验38第3章 扩频通信基础实验41实验一 直接序列扩频( DS) 编解码实验42实验二 跳频( FH) 通信实验45实验三 DS/CDMA码分多址实验48第4章 数字调制和解调实验52实验一 BPSK调制解调实验53实验二 QPSK调制解调实验56实验三 OQPSK调制解调实验59实验四 MSK调制解调实验62实验五 GMSK调制解调实验65实验六 OFDM调制解调实验68第二部分 系统实验73( 一) 单机系统74第1章 单机自环系统74实验一 短信收发实验74实验二 数据接入CDMA信道的收发实验76实验三 移动终端原理实验78( 二) GSM系统82第2章 交换机原理87实验一 系统通信实验87实验二 移动小区切换漫游与HLR管理91实验三 VLR管理95实验四 移动交换机软件 移动台的历史记录99第3章 基站原理102实验一 基站信道分配实验( 选配模块) 105实验二 网络优化与基站RACH接入控制实验107第4章 GSM信令112实验一 移动台开机、 关机实验117实验二 移动台漫游实验122实验三 移动台主叫实验129实验四 移动台被叫实验138第5章 移动系统七号信令143实验一 移动通信7号信令实验143第6章 无线信道实验161实验一 加性高斯白噪声信道的统计特性实验169实验二 信道编码实验171第7章 GSM/CDMA/TD-CDMA通信模块( 选配) 173实验一 GSM模块配置实验( 选配) 175实验二 GSM设备短信收发实验( 选配) 181实验三 GSM设备呼叫实验( 选配) 192实验四 GPRS数据通信( 无线上网) 实验( 选配) 1983G TD-CDMA开发模块使用说明( LC6311+) 211第8章 复用系统实验226实验一 码分复用及相关性仿真软件实验226实验二 数字时分复接系统实验234实验三 基于GSM模块的分布式数据采集237第三部分 二次开发说明241第1章 DSP二次开发说明241第2章 GSM模块二次开发说明246附录一 CH341驱动安装249附录二TD-SCDMA视频使用说明253第一部分 基础实验第一部分基础实验对应移动通信系统的各个关键部分。包括语音的A/D转换、 压缩编码实验, 扩频通信的扩频码的产生实验, 扩频、 调频通信实验, 数字调制与解调实验, 信道编码实验, 信道特性实验。第1章 伪随机序列产生实验第2章 信源与信道编码实验第3章 扩频通信基础实验第4章 数字调制和解调实验第1章 伪随机序列产生实验在扩频通信系统中, 信号频谱的扩展是经过扩频码( 或伪随机序列) 来实现的。从理论上讲, 用纯随机序列去扩展信号的频谱是最理想的, 但接收机为了解扩还应当有一个同发送端扩频码同步的副本。因此实际工程中多用伪随机序列作为扩频码。根据Shannon编码定理可知: 只要信息速率Rb小于信道容量C, 总能够找到某种编码方法, 在码周期相当长的条件下, 能够几乎无差错地从受到高斯噪声干扰的信号中恢复出原发送的信号。Shannon在证明编码定理时提出用具有白噪声统计特性的信号来编码。白噪声是一种随机过程, 它的瞬时值服从正态分布, 功率谱在很宽的频带内都是均匀的, 具有及其优良的相关特性。之因此选择随机信号来传输信号, 是为了实现多址通信, 信号间必须正交或者准正交。这样信号之间不容易发生干扰。可是由于随机信号的不可复制性, 接收端无法恢复原始的发送序列, 因此采用一个周期性的、 足够随机的序列来逼近白噪声性能。这就是伪随机序列, 也被成为PN码。伪随机序列具有类似于随机序列的性质, 归纳起来有下列三点: 1平衡特性: 随机序列中0和1的个数接近相等; 2游程特性: 把随机序列中连续出现0或1 的子序列称为游程。连续的0或1 的个数称为游程长度。随机序列中长度为1 的游程约占游程总数的12, 长度为2的游程约占游程总数的122, 长度为3的游程约占游程总数的123 , 3相关特性: 随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。伪随机序列具有类似于随机序列的性质, 但它的结构或形式是预先能够确定的, 而且能够重复地产生和复制。扩频码中应用最广的是m序列, 又称最大长度线性序列。一般还有GOLD序列和WALSH序列。由于m序列在扩频码中占据特别重要的地位。因此我们先对m序列的性质及m序列的产生进行讨论。实验一 m序列产生及特性分析实验一、 实验目的1了解m序列的性质和特点; 2熟悉m序列的产生方法; 3了解m序列的DSP或CPLD实现方法。二、 实验内容1熟悉m序列的产生方法; 2测试m序列的波形; 3*用DSP或CPLD编程产生m序列。三、 实验原理m序列是最长线性反馈移存器序列的简称,是伪随机序列的一种。它是由带线性反馈的移存器产生的周期最长的一种序列。m序列在一定的周期内具有自相关特性。它的自相关特性和白噪声的自相关特性相似。虽然它是预先可知的, 但性质上和随机序列具有相同的性质。比如: 序列中”0”码与”1”码等抵及具有单峰自相关函数特性等。1 m序列的产生m序列是由带线性反馈的移存器产生的。结构如图: 图1-1-1 反馈移位寄存器的结构其中an-i为移位寄存器中每位寄存器的状态, Ci为第i位寄存器的反馈系数。Ci1表示有反馈, Ci0表示无反馈。我们先给出一个m序列的例子。在图1-1-1中示出一个4级反馈移存器。若其初始状态为( a3, a2 , a1 , a0 ) =( 1, 0, 0, 0) , 则在移位一次时, 由a3和a0模2相加产生新的输入a4=10=1新的状态变为( a4 , a3 , a2 , a1 ) =( 1, 1, 0, 0)这样移位15次后又回到初始状态( 1, 0, 0, 0) , 不难看出, 若初始状态为全”0”, 即”0, 0, 0, 0”, 则移位后得到的仍为全”0”状态。这就意味着在这种反馈移存器中应避免出现全”0”状态。不然移存器的状态将不会改变。因为4级移存器共有24=16种可能的不同状态。除全”0”状态外, 只剩15种状态可用。即由任何4级反馈移存器产生的序列的周期最长为15。我们常常希望用尽可能小的级数产生尽可能长的序列。由上例可见, 一般说来, 一个n级反馈移存器可能产生的最长周期等于( 2n 1) 。我们将这种最长的序列称为最长线性反馈移存器序列, 简称m序列。C3USBUSBUSB串口J01USB串口输出a1a2a3000111101011001001111010110010011110101100100111101011001000初始状态24 -1=15( 个) 图1-1-2 m序列的产生一个线性反馈移位寄存器能否产生m序列, 取决于它的反馈系数Ci (例如上图的C3)。对于m序列, Ci的取值必须按照一个本原多项式: 中的二进制系数来取值。n级移位寄存器能够产生的m序列个数由下式决定: 其中(x)为欧拉函数, 表示小于等于x并与x互质的正整数个数( 包括1在内) 。表1-1-1列出了部分m序列的反馈系数Ci, 按照下表中的系数来构造移位寄存器, 就能产生相应的m序列。表1-1-1 m序列的反馈系数表m序列的级数nm序列的周期P反馈系数Ci(八机制)37134152353145,67,75663103,147,1557127203,211,217,235,277,313,325,345,3678255435,453,537,543,545,551,703,74795111021,1055,1131,1157,1167,1175101023 ,2033,2157,2443,2745,32711120474005,4445,5023,5263,6211,736312409510123,11417,12515,13505,14127,15053138192 3,23261,24633,30741,32535,37505141638342103,51761,55753,60153,71147,674011532765100003,110013,120265,133663,142305m序列的具有以下性质: ( 1) 均衡性。m序列中0和1的数目基本相等( 2) 游程分布( 3) 移位相加性( 4) 相关特性。自相关波形如图1-1-3所示图1-1-3 m序列的自相关波形( 5) 周期性( 6) 伪随机性。分布无规律, 具有与白噪声相似的伪随机特性四、 M序列产生框图图1-1-4 周期为15的M序列产生框图五、 实验步骤1观测现有的m序列。打开移动实验箱电源, 等待实验箱初始化完成。先按下”菜单”键, 再按下数字键”1”, 选择”一、 伪随机序列”, 出现的界面如下所示: 再按下数字键”1”选择”1 m序列产生”, 则产生一个周期为15的m序列。2在测试点TP201测试输出的时钟, 在测试点TP202测试输出的m序列。3*自主设计经过DSP产生m序列。1) 将DSP的仿真器JTAG接口与DSP模块板的双排针相连, 注意连接方向; 2) 将CCS2.2仿真软件打开; 3) 建立一个工程文件, 学生在main.c中编写产生m序列的源代码; 4) 编译和链接程序; 5) 经过仿真器加载.out文件, 并执行DSP程序; 6) 在TP201观测时钟输出; 7) 在TP202观测产生的m序列波形。*: 选作, 需要计算机和DSP的仿真器六、 实验任务1画出TP202测试点的波; 2比较TP202输出的序列和图1-1-2中的m序列是否一致; 3分析和验证m序列的周期性、 均衡性、 游程分布和移位相加性等特性; 4分析m序列自相关性对抗多径的作用。实验二 GOLD序列产生及特性分析实验一、 实验目的1. 了解Gold序列的性质和特点; 2. 熟悉Gold序列的产生方法; 3. 测试Gold序列的的波形, 了解Gold序列的DSP实现方法。二、 实验内容1. 熟悉Gold序列的的产生方法; 2. 测试Gold序列的的波形; 3*用DSP编程产生Gold序列的。三、 实验原理m序列虽然性能优良, 但同样长度的m序列个数不多, 且m序列之间的互相关函数值并不理想( 为多值函数) 。1967年, RGold提出和讨论了一种新的序列, 即Gold序列。这种序列有较为优良的自相关和互相关特性, 构造简单, 产生的序列数多, 因而得到广泛的应用。1 m序列优选对m序列优选对是指在m序列集中, 其互相关函数最大值的绝对值满足下式的两条n阶m序列: 表1-2-1给出了部分m序列优选对。表1-2-1 部分优选对码表级数基准本原多项式配对本原多项式7211217,235,277,325,203,357,301,323910211131,1333102415 ,3515,31771144454005,5205,5337,52632Gold序列的产生方法Gold序列是m序列的组合序列, 由同步时钟控制的两个码元不同的m序列优选对逐位模2加得到, 其原理如图1-2-1所示。这两个序列发生器的周期相同, 速率也相同, 因而两者保持一定的相位关系, 这样产生的组合序列与这两个子序列的周期也相同。当改变两个m序列的相对位移时, 会得到一个新的Gold序列。Gold序列虽然是m序列模2加得到的, 但它已不再是m序列, 不过仍具有与m序列近似的优良特性, 各个码组之间的互相关特性与原来两个m序列之间的互相关特性一样, 最大的互相关值不会超过原来两个m序列间最大互相关值。Gold序列最大的优点是具有比m序列多得多的独立码组。图1-2-1 Gold序列发生器Gold序列具有以下性质: ( 1) 两个m序列优选对经不同移位相加产生的新序列都是Gold序列, 两个n级移位寄存器能够产生2n+1个Gold序列, 周期均为2n-1。( 2) Gold序列的周期性自相关函数是一个三值函数, 与m序列相比, 具有良好的互相关特性。Gold序列的产生有两种形式: 并联形式和串联形式。例如m序列本原多项式为: 和, 构成的并联和串联形式的Gold序列发生器如1-2-2图所示。( a) 为并联形式, ( b) 为串联形式。 ( a) 并联结构 ( b) 串联结构图1-2-2 Gold序列发生器为了观测方便, 本实验用两个周期为31的m序列优选对采用并联结构产生一个Gold序列, 如下图1-2-3所示。图1-2-3 并联结构的Gold序列发生器四、 Gold序列产生框图图1-2-4 周期为31的Gold序列产生框图五、 实验步骤1观测现有的Gold序列波形打开移动实验箱电源, 等待实验箱初始化完成。先按下”菜单”键, 再按下数字键”1”, 选择”一、 伪随机序列”, 出现的界面如下所示: 再按下数字键”2”选择”2 GOLD序列产生”, 则产生一个级数为31的Gold序列。2在测试点TP201测试输出的时钟, 在测试点TP202、 TP203测试用于产生GOLD序列的周期为31的m序列优选对。3在TP204测试输出的Gold序列。4*自主设计经过DSP产生Gold序列。1) 将DSP的仿真器JTAG接口与DSP模块板的双排针相连, 注意连接方向; 2) 将CCS2.2仿真软件打开; 3) 建立一个工程文件, 学生在main.c中编写产生Gold序列的源代码; 4) 编译和链接程序; 5) 经过仿真器加载.out文件, 并执行DSP程序; 6) 在TP201观测时钟输出; 7) 在TP202、 TP203观测用于产生的Gold序列的m序列优选对波形; 8) 在TP204测试输出的Gold序列。*: 选作, 需要计算机和DSP的仿真器六、 实验任务1. 观测测试点TP202、 TP203和TP204的信号波形, 对照测试点TP201的时钟波形, 写出对应的信号序列; 2. 根据图2-3中结构, 计算出该图中的m序列优选正确信号序列; 3. 比较测试点TP202、 TP203与上一步计算出来的信号序列是否一致; 4. 分析TP204的波形与TP202、 TP203之间的关系; 5. 比较根据图2-3计算出来的GOLD序列和TP204测试的波形序列是否一致。实验三 WALSH序列产生及特性分析实验一、 实验目的1了解Walsh序列的性质和特点; 2熟悉Walsh序列的产生方法; 3了解Walsh序列的DSP实现方法。二、 实验内容1熟悉Walsh序列的产生方法; 2测试Walsh序列的波形; 3*.用DSP编程来产生Walsh序列。三、 实验原理1Walsh序列的基本概念Walsh序列是正交的扩频序列, 是根据Walsh函数集而产生。Walsh函数的取值为1或者-1。图1-3-1展示了一个典型的8阶Walsh函数的波形W1。n阶Walsh函数表明在Walsh函数的周期T内, 由n段Walsh函数组成。n阶的Walsh函数集有n个不同的Walsh函数, 根据过零的次数, 记为W0、 W1、 W2等等。图1-3-1 Walsh函数 Walsh函数集的特点是正交和归一化, 正交是同阶不同的Walsh函数相乘, 在指定的区间积分, 其结果为0; 归一化是两个相同的Walsh函数相乘, 在指定的区间上积分, 其平均值为1。能够将-1和1转换为二进制的0和1, 这样一个n阶Walsh函数在周期T内取值就转换为由n个码元表示的序列。16阶Walsh序列内容如表1-3-1所示。表1-3-1 16阶Walsh序列序号Walsh函数表示Walsh序列表示0-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -10 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01-1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 10 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 12-1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 10 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 13-1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 1 -10 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 04-1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 15-1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -10 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 06-1 -1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -10 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 07-1 1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 10 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 18-1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 10 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 19-1 1 -1 1 -1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -10 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 010-1 -1 1 1 -1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -10 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 011-1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 10 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 112-1 -1 -1 -1 1 1 1 1 1 1 1 1 -1 -1 -1 -10 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 013-1 1 -1 1 1 -1 1 -1 1 -1 1 -1 -1 1 -1 10 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 114-1 -1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 -1 -1 1 10 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 115-1 1 1 -1 1 -1 -1 1 1 -1 -1 1 -1 1 1 -10 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 0Walsh函数的自相关特性并不理想, 可是互相关特性很好, 为了改进自相关特性, 实际系统中, 序列经Walsh函数调制后, 再用自相关特性好的PN序列进行扩频。由于Walsh函数之间的正交性, 能够使用不同的Walsh序列对不同的信道进行调制, 在接收端再用相同的Walsh序列提取信号, 从而接收到所发送的信息。用这种方法, 我们能够使多个信道在同一频率上发送而不会相互干扰, 这也正是码分多址得以实现的基础。2Walsh序列的产生生成Walsh序列有很多种方法, 一般是经过哈达码矩阵来产生Walsh序列。利用哈达码矩阵产生Walsh序列的过程是采用迭代的方法。迭代过程如下: ,将上式矩阵中的第j行用二进制序列HN,j表示, 能够得到相应的Walsh序列。四、 Walsh序列产生框图图1-3-2 周期为16的Walsh序列产生框图五、 实验步骤1观测现有的Walsh序列波形打开移动实验箱电源, 等待实验箱初始化完成。先按下”菜单”键, 再按下数字键”1”, 选择”一、 伪随机序列”, 出现的界面如下所示: 再按下数字键”3”选择”3 WALSH序列产生”, 产生四个阶数为16的Walsh序列。2在测试点TP201测试输出的时钟, 分别在测试点TP202、 TP203、 TP204、 TP205测试16位的WALSH序列。3*自主设计经过DSP产生Walsh序列。1) 将DSP的仿真器JTAG接口与DSP模块板的双排针相连, 注意连接方向; 2) 将CCS2.2仿真软件打开; 3) 建立一个工程文件, 学生在main.c中编写产生Walsh序列的源代码; 4) 编译和链接程序; 5) 经过仿真器加载.out文件, 并执行DSP程序; 6) 在TP201观测时钟输出; 7) 在TP202、 TP203、 TP204、 TP205观测产生的Walsh序列波形。*: 选作, 需要计算机和DSP的仿真器六、 实验任务1. 分别画出测试点TP202、 TP203、 TP204、 TP205的信号波形; 2. 分析WALSH序列的特点, 分析这四个Walsh序列之间的正交关系; 3分析CDMA编码中基带数据先对Walsh序列进行调制然后再对PN序列进行调制的的必要性。第2章 信源编码和信道编码实验语音模数转换1模数转换的基本原理在现代数字通信系统中, 传输的信号都是数字信号, 而我们通信的主要业务语音是模拟信号, 要想在数字通信的网络中传输, 必须进行信号的模数转换, 将模拟信号转换为数字信号。 在现代通信系统中以PCM为代表的编码调制技术被广泛应用于模拟信号的数字传输。PCM的主要优点是: 抗干扰能力强; 失真小; 传输特性稳定, 特别是远距离信号再生中继时噪声不累积, 而且能够采用压缩编码、 纠错编码和保密编码等来提高系统的有效性、 可靠性和保密性。另外, PCM还能够在一个信道上将多路信号进行时分复用传输。脉冲编码调制( PCM) 是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式, 其最大的特点是把连续输入模拟信号变换为在时间和振幅上都离散的量, 然后将其转化为代码形式传输。PCM编码经过抽样、 量化、 编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。为便于用数字电路实现, 其量化电平数一般为2的整数次幂, 有利于采用二进制编码表示。采用均匀量化时, 其抗噪声性能与量化级数有关, 每增加一位编码, 其信噪比增加约6dB, 但实现的电路复杂程度也随之增加, 占用带宽也越宽。因此实际采用的量化方式多为非均匀量化, 一般使用信号压缩与扩张技术来实现非均匀量化。在保持信号固有的动态范围前提下, 在量化前将小信号进行放大而对大信号进行压缩。一般的压缩方法有13折线A律和律两种标准, 国际通信中多采用A律。采用信号压缩后, 用8位编码实际能够表示均匀量化11位编码时才能表示的动态范围, 能有效提高小信号时的信噪比。图2-1示为脉冲编码调制的原理框图。图2-1脉冲编码调制原理框图。( 1) 抽样定理及其应用低通信号均匀抽样定理: 一个频带限制在0到以内的低通信号, 如果以的抽样速率进行均匀抽样, 则x(t)能够由抽样后的信号完全地确定指 包含有x(t)的成分, 能够经过适当地理想低通滤波器不失真地恢复x(t)。而最小抽样速率称为奈奎斯特速率, 1/(2)称为奈奎斯特间隔。( 2) 量化量化的过程是指模拟信号f(t)按照适当抽样速率进行均匀抽样, 抽样周期。第k个抽样值为f(k)。抽样值在量化时转换为Q个规定电平中的一个。量化后的信号是对原来信号的近似。当抽样速率一定时, 量化级数目增加和量化电平选择适当, 能够使与f(t)近似程度提高。量化过程分为均匀量化和非均匀量化。在均匀量化中, 量化噪声与信号电平大小无关。量化误差的最大瞬时值等于量化阶距的一半。因此信号电平越低, 信噪比越小。当信号的振幅动态范围越宽, 需要的量化电平数就越多。为了克服均匀量化的缺点, 需要量化阶距跟随输入信号电平的大小而改变。在低电平时分层细一些, 用小的量化阶去近似, 对大信号则用大的量化阶去近似。这样就使输入信号与量化噪声之比在小信号到大信号的整个范围内基本一致。因此, 就要使用压扩技术来实现非均匀量化。( 3) 编码信号经过抽样、 量化以后成为能够编码的量化信号。量化信号经过模/数变换能够转换成各种各样的编码信号, 然后就能够将它们送到信道中去传输, 这就是基带信号。代码的形式一般采用二进制, 而多进制代码只是用在线路的信噪比较好, 能够利用的频带比较窄的情形。( 4) 数模转换数模转换为模数的反过程, 经过将模数转换的数据经过内插和低通滤波来完成。2A/D和D/A转换芯片AD73311在语音变换实验中, 我们采用了Analog Device公司的芯片AD73311。AD73311具有线性A/D和D/A转换功能, 采样频率为8kHZ64kHZ, 能够编程控制, 采样字长为16位。具有大信噪比、 输入输出增益可编程控制、 低工作电压(2.7V5.5V), 而且一片两用的特点, 是一种很受欢迎的芯片。AD公司的AD73311用起来非常灵活, 内部有五个控制寄存器(CRA,CRB,CRC, CRD,CRE), 工作时先对其进行一些必要的参数设置。前两个控制寄存器( CRA和CRB) 是用来进行参数设置的, 例如设置内部计数器、 序列时钟分频率和主时钟分频率。其它三个寄存器用来设置模数、 数模控制以及设备的电源控制等。这些寄存器的配置是由和AD73311直接相连的语音压缩芯片AMBE 来自动完成的。AD73311的主时钟频率是16.384MHZ, 采样频率是经过主时钟分频得到的, 是AD73311的输出信号。A/D转换电路如图2-2所示。图2-2 AD73311电路外围电路设计模拟语音信号经过麦克分到达AD73311的模拟输入端口VIN, 经过内部的A/D转换, 完成采样量化和编码, 经过SDO端口串行数字输出, 每个采样点16比特, 同时芯片的SDI端口能够接收数字化后的语音信号, 进行D/A转换, 经过VOUT端口, 到达喇叭。能够听到相应的声音。其中SDOFS和SDIFS分别为发送和接收数据的帧同步信号。二、 语音压缩1语音压缩基本概念语音编码技术可分为两大类: 波形编码和参量编码。波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码, 其特点是再建信号的质量, 即信号的信噪比高, 而其变换的比特率在64kb/s16kb/s范围, PCM、 M等均属于这一类。参量编码, 又叫变换域编码, 是在信源信号的频率域或其它正交域抽取其特征参量变换为数字代码进行传输。在接收端从数字代码恢复特征参量, 再从参量重建语音信号。这种方法的特点是质量较前者低, 但可大大压缩比特速率, 多用于窄带信道, 如在移动通信、 卫星通信、 军事通信中应用日益广泛。通用的PCM数码率为64kb/s, 语音质量可达到长途通信网的标准要求。ADPCM在数码率为32kb/s, 可达到64kb/s的PCM系统的通话质量, 而且压缩了数码率。M系统虽然也压缩了数码率, 可工作在32kb/s或16kb/s, 但其话音质量不如PCM和ADPCM。理论和实践证明, 采用上述语音编码方法, 若进一步降低数码率, 语音质量会明显下降, 达不到电话通信的质量要求, 在很低码率时, 甚至无法实现通话。一般, 降低数码率的语音编码方法, 叫语音压缩编码。压缩编码共分为两大类: 一类叫中速率压缩编码, 指数码率4.8kb/s16kb/s范围的语音编码。其语音质量较好, 达到常见数字电话通信中等质量要求, 清晰度很高、 自然度能达到基本要求, 通信质量有少许失真, 且与语音特征有一定程度关系。谐波压扩ADPCM、 子带编码、 自适应变换域编码(ATC)、 多脉冲预测编码和矢量编码等均属于这一类。另一类叫低速率压缩编码, 其数码率从100b/s左右到4.8kb/s。这种编码技术又叫声码器技术, 其语音质量比前者差, 特别时自然度较差, 较难从声音辨认出讲话人声音的特点; 同时, 它和语音特征有较大关系, 不同人讲话, 其质量不同。研究表明: 语音编码的极限压缩率为80100b/s。这是只能传送句子内容, 讲话人的音质, 情绪等信息就丧失了。广泛应用的早期声码器形式是通道声码器。发端对输入语音进行粗略的频谱分析, 而收端产生一信号, 其频谱与发端规定的频谱相匹配。当前较常采用的是线性预测声码器, 它们不但语音质量大为提高, 同时数码率也得到充分降低。发端包括两个子系统: 一个是线性预测编码滤波器; 另一个是提取基音和判决清浊音系统。由发端传输清浊音参数, 在收端利用这些参数控制激励源。和通道声码器一样, 收端激励源或者产生随机噪声, 或者产生基音周期脉冲序列, 激励幅度取决于输入增益。然后经过合成恢复语音信号。也能够用语音激励来取代基音提取和清浊音判决, 构成声激励线性预测(VELP)声码器。多脉冲激励声码器模型是用一串脉冲来代替LPC声码器中的周期脉冲和白噪声序列。用于中速(9.616kb/s)语音编码得到了质量很好的合成语音, 其优点之一是不必象LPC声码器那样需要精确提取基音信息和清浊音判决信息。多脉冲激励编码要传送脉冲位置和幅度信息, 故编码速率不能压得太低。一般见于中速编码, 进一步压低比特率, 一般要采用矢量量化(VQ)技术。2AMBE- 声码器芯片的性能介绍( 1) AMBE- 简介本实验采用的语音压缩编码芯片为Digital Voice Systems, Inc公司的AMBE 语音编码芯片。该芯片是一种灵活性好, 高性能, 低功耗的单片实时全双工语音压缩解压芯片。它能在低速率下提供良好的语音质量, 而且提供实时, 全双向的标准AMBE语音压缩算法。经过证明该语音压缩技术在性能上已经超过了CELP, RELP, VSELP, MELP, ECELP, MP-MLQ, LPC-10和其它的一些压缩技术。AMBE 语音压缩解压芯片具有以下特点: 语音品质优良低开销不需要外部存储器有效抑止比特误码和背景噪声数据速率在2.0kbps9.6kbps之间可变前向纠错数据率可在50bps到7.2kbps之间变化低功耗AMBE 语音编码芯片在语音速率和前向纠错数据率的选择上具有很高的灵活性。在总的速率从2.0kbps到9.6kbps之间用户能够以50bps为单位任意的进行这些参数的选择。且具有FEC( 前向纠错) 、 VAD( 语音激活检测) 和DTMF( 双音多频信号检测) 等功能。该芯片能够保持自然语音的质量甚至在2.0kbps的低速率下也能够保证会话内容的可理解性。AMBE算法的低复杂度使得该算法能够集成到低功耗, 低价格的集成电路中。 ( 2) AMBE- 与主机的接口AMBE 与主机的接口有两种模式: 主动模式和被动模式。在主动模式下, 数据选通信号由AMBE 声码器芯片内部产生; 而在被动模式下, 数据选通信号由外部提供。AMBE 声码器与主机接口的数据格式分为两种: 一种是有格式, 另一种是无格式。有格式形式在每20ms输出一帧数据, 每帧由24个16bit的字组成, 总共为48字节或384位。同时解码器接收到24个字。其中前12个16bit字组成头, 包括ID状态和控制信息。格式字0固定为0x13EC; 格式字1用于芯片功率控制; 格式字26用于指定和表示芯片的压缩数据率; 格式字1223为压缩数据信息。根据数据率的不同, 其数据位数也不相同。在信道上只传输格式字1223。在大多数语音传输系统中, 从编码器输出的语音帧系统头信息被抽去, 把真正的语音编码数据送到传输信道, 接收时, 再把头信息、 控制信息和语音编码信息进行重新组合, 然后再送给解码器, 这样输入解码器的语音帧就和编码器输出的就一样了。图2-3为每20ms的有格式数据输出包。每个数据包包含24个字, 每个字16比特。图2-3 AMBE 有格式数据输出的压缩包格式第1个字的后8比特和第11个字, 都是表示一些控制比特, 具体意义见AMBE 手册说明。图2-4为AMBE 接收的数据包格式。图2-4 AMBE 有格式数据输入的压缩包格式( 2) AMBE- 压缩速率AMBE 压缩的语音数据速率是能够选择的, 在2.0kbps9.6kbps之间可变。能够经过两种方式来选择, 一是在硬件设计中将AMBE 的RATE_SEL0RATE_SEL4的引脚接不同的电平, 这样在AMBE 工作时会测试这些值, 根据这些值设置为相应的数据速率, 具体如图2-5所示。用户也能够在工作过程中经过改变AMBE 接收数据包中第25个字内容, 来修改AMBE 的语音压缩速率。具体见ABME 数据手册。SEL0SEL1SEL2SE