基于多處理器結(jié)構(gòu)的多路話音編解碼器設(shè)計(jì)

郭 巍，倪永婧

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081;2.河北科技大學(xué)，河北石家莊050000)

0 引言

衛(wèi)星通信的快速發(fā)展，使衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)的需求也不斷增大。話音通信由于其自身的便捷性和通用性，在目前所設(shè)計(jì)的各種衛(wèi)星通信系統(tǒng)中仍然占有很大的比重，是衛(wèi)星通信應(yīng)用系統(tǒng)的重要組成部分。但是，單路電話業(yè)務(wù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，現(xiàn)在的系統(tǒng)設(shè)計(jì)往往需要通話路數(shù)更多，壓縮編解碼效率更高，占用帶寬更小的多路話音通信系統(tǒng)。通過采用多處理器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種多路話音編解碼器，可以同時(shí)對(duì)多路話音呼叫進(jìn)行處理，并且對(duì)話音信號(hào)進(jìn)行高效壓縮編碼處理，滿足衛(wèi)通網(wǎng)絡(luò)中多路話音通信的應(yīng)用需求。

1 總體設(shè)計(jì)

在2 Mbps脈沖編碼調(diào)制信號(hào)(PCM)中一共包含有32個(gè)時(shí)隙信號(hào)，每個(gè)時(shí)隙信號(hào)帶寬為64 kbps，其中有30個(gè)時(shí)隙可以承載話音業(yè)務(wù)，每個(gè)時(shí)隙承載一路。多路話音編解碼系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)2 Mbps PCM中多個(gè)時(shí)隙話音業(yè)務(wù)的呼叫控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)64 kbps速率話音信號(hào)的壓縮編解碼處理，并完成數(shù)據(jù)的信道適配。

該系統(tǒng)通過幀定位信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)可以對(duì)2 Mbps PCM中的各時(shí)隙信號(hào)進(jìn)行定位，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)時(shí)隙PCM信號(hào)的插入和提取。PCM信號(hào)的帶寬決定了該系統(tǒng)最多應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)30路話音業(yè)務(wù)的處理。此外，為了更好地適應(yīng)衛(wèi)通信道，有效利用衛(wèi)通資源，需要對(duì)單路64 kbps的話音進(jìn)行壓縮編解碼，系統(tǒng)采用8 kbps G.729編解碼方式，該方式具有延時(shí)小、話音重建質(zhì)量好等特性，非常適合衛(wèi)通信道的傳輸特點(diǎn)。壓縮后的話音數(shù)據(jù)經(jīng)過信道適配，轉(zhuǎn)換成同步數(shù)據(jù)發(fā)送至信道單元。

在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面，選用高級(jí)精簡(jiǎn)指令微處理器(ARM)理器作為主控處理器，負(fù)責(zé)完成話音通信系統(tǒng)中信令的解析以及話音呼叫控制;同時(shí)，DSP［1］處理器運(yùn)算能力強(qiáng)，功耗低，并且可以提供視音頻協(xié)處理器，所以選用DSP作為話音編解碼處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)PCM數(shù)據(jù)的壓縮編解碼。利用高性能現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序控制，完成PCM時(shí)隙的定位以及信道成解幀處理。多路話音編解碼器組成框圖如圖1所示。

圖1 多路話音編編解碼器組成框圖

在系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面，主控ARM處理器采用嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，使用C語言進(jìn)行程序軟件設(shè)計(jì);FPGA采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，在Xilinx開發(fā)環(huán)境ISE下進(jìn)行編譯;DSP處理器使用C語言編程，在CCS環(huán)境下進(jìn)行編譯。

2 功能組成

根據(jù)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，選用了多個(gè)處理器分別承擔(dān)各個(gè)單元的工作，形成了多處理器結(jié)構(gòu)的多路話音編解碼器。根據(jù)系統(tǒng)的工作流程，該編解碼器的工作主要包括以下幾個(gè)部分:

呼叫控制:ARM處理器完成對(duì)話音信令的解析處理，并完成與衛(wèi)通網(wǎng)信令的適配，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路話音的呼叫控制;

PCM處理:通過FPGA芯片完成對(duì)PCM信號(hào)中各個(gè)時(shí)隙的定位，并能夠?qū)崿F(xiàn)各個(gè)時(shí)隙PCM信號(hào)的插入和提取，由FPGA實(shí)現(xiàn);

話音編解碼處理:提取后的PCM信號(hào)送至話音編解碼DSP處理器進(jìn)行編碼處理;同時(shí)接收來自信道的同步數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼處理，把壓縮后的話音信號(hào)再次恢復(fù)成PCM信號(hào)，并完成PCM信號(hào)的插入;

信道成解幀處理:將壓縮后的編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的同步數(shù)據(jù)發(fā)送至同步接口，同時(shí)接收來自同步接口的同步數(shù)據(jù)，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，發(fā)送至話音編解碼單元。

此外，設(shè)計(jì)的多路話音編解碼系統(tǒng)還具有以下2個(gè)功能:

①回波抵消處理:為了消除回聲，多路話音編解碼系統(tǒng)具有群路回波抵消功能，該功能通過專用芯片實(shí)現(xiàn);

②監(jiān)控單元:通過主控單元ARM處理器擴(kuò)展的鍵盤接口和顯示屏接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)多路話音編解碼系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和查詢，并實(shí)現(xiàn)終端參數(shù)的斷電保存功能。

在系統(tǒng)處理的各個(gè)流程中，呼叫控制和話音壓縮編解碼是系統(tǒng)中最重要的2個(gè)部分，決定了一個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定高效的運(yùn)行。由于在該多路話音編解碼系統(tǒng)中采用了多處理器處理形式，這樣既發(fā)揮了ARM在控制方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又發(fā)揮了DSP在數(shù)字信號(hào)處理方面的優(yōu)勢(shì)。但是如何設(shè)計(jì)DSP和ARM處理器之間高速穩(wěn)定的數(shù)據(jù)接口，成為了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 HPI接口特性分析

HPI［2］是TI公司為新一代高性能DSP上配置的與主機(jī)進(jìn)行通信的片內(nèi)外設(shè)。與直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式不同，HPI的引腳全部為專用，它可以實(shí)現(xiàn)并行、高速的數(shù)據(jù)傳送。

TMS320C6000系列DSP的HPI總線有32位數(shù)據(jù)總線HD［31:0］，它是一個(gè)并行、雙向和3態(tài)的數(shù)據(jù)總線，當(dāng)數(shù)據(jù)總線不響應(yīng)一個(gè)HPI讀訪問時(shí)，它被置于高阻態(tài)。HPI接口通過3個(gè)32位寄存器來完成外部主機(jī)和DSP之間的通信，它們是HPI數(shù)據(jù)寄存器HPID、HPI地址寄存器HPIA和HPI控制寄存器HPIC。HPID中存放的是外部主機(jī)從DSP存儲(chǔ)空間中讀取的數(shù)據(jù)，或者是外部主機(jī)向DSP存儲(chǔ)空間中寫入的數(shù)據(jù);HPIA中存放的是外部主機(jī)訪問DSP存儲(chǔ)空間的地址;HPIC中存放的是外部主機(jī)對(duì)DSP的控制信息。其中，HRDY位是DSP輸出給外部主機(jī)的準(zhǔn)備就緒信號(hào);HINT位是DSP向外部主機(jī)發(fā)出的中斷請(qǐng)求;DSPINT位是外部主機(jī)向DSP發(fā)出的中斷請(qǐng)求;HWOB是半字順序。外部主機(jī)和DSP都可以訪問HPIC，但只有外部主機(jī)可以訪問HPIA和HPID。

此外，DSP的 HPI接口控制信號(hào)線還包括HCNTL、HHWIL、HR/W、HDS、HCS 及 HINT 等信號(hào)，通過這些信號(hào)線共同作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)HPI接口的讀寫訪問。

3.2 ARM與DSP間通信接口設(shè)計(jì)

在該多路話音編解碼系統(tǒng)中，ARM處理器通過HPI接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)DSP編解碼后的話音數(shù)據(jù)的讀寫［3］。2個(gè)處理器之間的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 ARM處理器與DSP處理器連接關(guān)系

ARM處理器和DSP處理器之間的HPI接口驅(qū)動(dòng)程序是數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)的核心，ARM通過運(yùn)行LINUX操作系統(tǒng)的HPI接口驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)HPI接口的讀寫訪問［4］。LINUX操作系統(tǒng)將C6000的HPI總線作為一個(gè)外部設(shè)備，虛擬成一種特殊的文件，稱為設(shè)備文件，HPI驅(qū)動(dòng)程序提供對(duì)這個(gè)設(shè)備的訪問接口。這些接口定義在LINUX內(nèi)核中，開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序就是要根據(jù)實(shí)際的硬件完成這些接口函數(shù)的功能［5］。驅(qū)動(dòng)中的接口定義如下:

該結(jié)構(gòu)體定義了驅(qū)動(dòng)程序與用戶的接口，運(yùn)行于ARM上的用戶應(yīng)用程序可以利用這些接口實(shí)現(xiàn)對(duì)C6000的HPI總線讀、寫以及其他控制操作。

通過調(diào)用get_mapping_addr函數(shù)，(get_mapping_addr(0x0C000000，0x3000000))，可以實(shí)現(xiàn)地址映射，將這個(gè)物理地址向LINUX內(nèi)核注冊(cè)成可以直接訪問的虛擬地址，并定義為VirtualAddr。

對(duì)HPI總線的讀或?qū)懖僮魇怯尚盘?hào)HR/W決定的，通過圖2的連接對(duì)HPIA和HPID寄存器的訪問可映射為對(duì)以下地址的訪問:

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，配置HCNTL1/HENTL0為0/1，實(shí)現(xiàn)當(dāng)對(duì)HPID進(jìn)行讀寫訪問后，HPIA地址的自動(dòng)加1。此時(shí)的HPIA地址為:

定義HPI接口的收發(fā)緩沖區(qū)位于DSP內(nèi)主控可尋址的 DARAM內(nèi)，字地址從0x40～0x83f共2 048個(gè)字，其中收發(fā)各1 024個(gè)字。從DSP往主控發(fā)的數(shù)據(jù)位于0x40～0x43f的緩沖區(qū)，從主控往DSP發(fā)的數(shù)據(jù)位于0x430～0x83f的緩沖區(qū)內(nèi)。

話音通信過程中，當(dāng)完成了信令交互之后，此時(shí)進(jìn)入話音編解碼通信狀態(tài)，編碼時(shí)，DSP定時(shí)產(chǎn)生中斷，主控處理器ARM在收到中斷之后需要在下一次中斷來臨之前，通過HPI接口把固定地址的數(shù)據(jù)讀空;并將需要解碼的數(shù)據(jù)寫入對(duì)應(yīng)的DSP處理器地址，最后清除中斷信號(hào)，完成ARM與DSP的一次通信。

4 測(cè)試結(jié)果

多路話音編解碼系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱，通過機(jī)箱內(nèi)部的背板連接系統(tǒng)的各個(gè)單元。采用Intel公司的ARM處理器PXA270作為多路話音編解碼系統(tǒng)的主控處理器;選用 TI公司的TMS320C6416［6］作為系統(tǒng)多路話音壓縮編解碼處理芯片;FPGA芯片采用XILINX公司的XC3S1000芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中的各種邏輯處理。

通過同步接口連接2臺(tái)多路話音編解碼系統(tǒng)，同時(shí)通過2臺(tái)交換機(jī)連接呼叫模擬器，這樣便組成了多路話音編解碼測(cè)試系統(tǒng)。樣機(jī)測(cè)試連接如圖3所示。

圖3 多路編解碼系統(tǒng)測(cè)試框圖

實(shí)際測(cè)試過程中，利用呼叫模擬裝置，模擬同時(shí)發(fā)起多路電話業(yè)務(wù)呼叫，測(cè)試系統(tǒng)工作情況;測(cè)試結(jié)果表明，該多路話音編解碼系統(tǒng)能夠支持30路話音呼叫，并且可同時(shí)實(shí)現(xiàn)30路話音的G.729編解碼，且話音質(zhì)量清晰。

5 結(jié)束語

采用多處理器結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用不同處理器的性能特點(diǎn)，高效地解決了多路話音編解碼器實(shí)現(xiàn)過程中的各種問題;并通過HPI接口以及A/D接口，解決了不同處理器之間的數(shù)據(jù)交互問題，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的通信處理芯片與高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片以及FPGA處理器的完美結(jié)合。此外，多路話音編解碼器的實(shí)現(xiàn)極大地?cái)U(kuò)展了衛(wèi)星通信系統(tǒng)中話音業(yè)務(wù)的應(yīng)用。

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