基于AMBE和SC1128的电力线载波对讲机设计Word下载.docx

基于AMBE和SC1128的电力线载波对讲机设计Word下载.docx

《基于AMBE和SC1128的电力线载波对讲机设计Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于AMBE和SC1128的电力线载波对讲机设计Word下载.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

在当今信息技术高度发展的时代，多媒体信息已经成为人们表达消息的主要手段，其中数字音频的产生、存储和传输更是一种普遍采用的方式，伴随而来的对讲系统更是应用广泛。

为了能够将实时性强、数据容量大的数字语音可靠、有效地传递到千家万户，信道的选择又是一个非常重要的环节。

在各种通信信道中，由电力线组成的电力网是一个近乎天然、入户准确率极高的物理网络。

语音信号的低压电力线载波传输已经有了广泛的应用，但均是以模拟方式来传输信号的，其通信质量不高，抗干扰能力差。

然而以数字方式来传输语音信号，则对语音编码的波特率有着较高的要求，因为当前电力载波芯片的波特率均在几kbps左右，因此常规的语音编码都不能满足其要求,故只能采用先进的语音压缩编码以降低数字语音的波特率，才能实现以数字的方式来对语音信号进行电力线载波传输。

目前高压缩率的语音编码有各种形式,其波特率在2kbps～32kbps之间，采用线性预测编码（LPC）可以实现2.0kbps,其语音质量的MOS值大约为2.5（标准PCM为4.3）。

电力载波芯片的波特率一般都比较低,目前较高的电力载波芯片，采用了先进的数字信号处理技术和扩频通信技术，其可靠工作的数据波特率可以在2.0～9.6kbps之间由用户设定。

在整个系统的设计当中，最重要的环节就是数字语音信号的电力线载波传输部分，其性能的好坏直接决定了对讲机通信的可实现与否。

在实现的过程中，需要对两个重要的问题加以解决，其一：

语音信号必须有较低的波特率，并且可以打包发送和接受。

其目的是可以满足电力线带宽小，传输芯片低波特率的要求，还可以利用时分复用原理实现全双工对讲通信；

其二：

选择具有较高波特率、内置了信号处理电路、采用扩频通信技术以及可以进行半双工通信的电力线载波芯片。

其目的是在电力线信道强噪声的影响下还可以保障数据传输的可靠性和有效性。

本设计将介绍一种由语音压缩编解码芯片AMBE2000和专用的低压电力线载波芯片SC1128为主要部分所构成的点对点语音对讲系统。

该系统具有模拟输入输出、数字扩频调制传输、电力线半双工传输、直接电力线连接等特点，可以很方便地在各类数字语音通信系统中加以使用。

第2章总体设计及原理

2.1系统总体论证

在本次设计过程中，主要设计电力载波数字对讲系统，基于恶劣电力网环境的低压电力载波技术得到充分的应用，同时应用单片机进行人机交互的控制。

通过加以技术改进实现广播通信、远程调度等应用。

首先在进行点对点半双工通信和广播通信时，通过麦克风输入语音信号，而在此过程中首先经过RC滤波电路，经过滤波以后，送入AD73311芯片，而此芯片集抽样、量化、编码于一身，将模拟信号转换成二进制数字编码，由于二进制数字编码位数较多，其必须进行压缩，则此过程最理想的电路结构就是采用新型语音压缩编解码器，既AMBE2000。

而由AMBE2000和AD73311构成的语音采样，压缩，解压缩实用电路是整个设计方案中最佳的组合。

其中AD73311是A—DI公司的一种声码器芯片，将A/D转换和D/A转换集于一身，而用AD73311来构成电路设计的采样和模数转换及数模转换，而它的采样速率可以达到32KHZ。

16位采样数据，且具有较好的声音质量，再配合AMBE2000使用过程中可取得良好的效果，还可以通过软件对AMBE2000和AD73311进行重新设置，因此在本设计中使用AMBE2000和AD73311的结合，将使语音采样.压缩.解压缩的过程十分方便，使用十分灵活。

在完成对模拟信号的采样.压缩.解压缩的过程以后，AMBE2000将数据送到单片机8051中。

电力线

2-1系统组成

但在上述设计过程中对提出的两种方案进行比较分析，其主要区别在于A/D转换和D/A转换及片外数据存储器的不同。

就其分析结果如下：

在方案一中对语音转换采用A/D转换芯片，同时对对方送来的数字信号进行D/A转换芯片，采用两块芯片。

在将信号转换完成后，通过芯片AMBE2000的压缩及解压缩送入单片机AT89C51，在经片外数据存储器的暂时存放，等待下一级AT89C51的响应，当AT89C51响应后，将数据从片外数据存储器中取出，再送给输出通道。

而在方案二中，重点克服了方案一的缺陷，采用了比较好的芯片，尤其在A/D和D/A转换过程中，采用了一个芯片AD73311，AD73311最大的优点在于将A/D、D/A转换集于一身，使其在实际中对硬件电路的要求降低了，而且也在成本上有很大的优势，所以在A/D、D/A的转换过程中系统设计采用芯片AD73311。

对于方案一中采用两块片外数据存储器，其带来的后果与采用A/D.D/A两块芯片是一样的。

所以方案二也采用一块芯片，双口RAM，这样不但给硬件部分带来很多方便，而且给软件方面尤其是单片机识别地址过程中更是方便。

这样通过对上述两种方案的论证分析，采用第二种方案是最佳的。

2.3工作原理

模拟的语音信号经过A/D转换后变成数字信号，经AD73311送到AMBE2000。

而AMBE2000将送过来的二进制数字信号经过采样、压缩成数据包的形式后，送8051P2.2口同时由十六分频器分频后将CLK信号送向RXD端，当单片机1接收到信号后，通过软件识别。

并由双口RAM将其数据存储后等待下单片机2的响应，在完成这些后，采用异步串行通信方式3与扩频通信芯片SC1128进行半双工通信，再送到电力接口电路，经过耦合、放大、滤波送至低压电力线上，而在此耦合过程中，发送和接收共用一个耦合变压器。

由于AMBE2000每20ms产生一个数据包，用1ms发,9ms收。

其对方也是一样，所以在下一个数据包产生的过程中将会实现一次半双工通信。

再经上述的相反过程经AMBE2000的解码，还原出二进制数字信号，再经AD73311的数模转换并将转换成模拟的语音信号，通过放大后经扬声器播出。

既可实现所有用户的点对点的通信和广播通信。

第3章AMBE2000功能概述及压缩包读写原理

3.1AMBE-2000概述

AMBE-2000是DVSI（DigitalVoiceSystemInc.）公司推出的单片声码器芯片，该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。

本设计基于AMBE-2000,设计并实现了一种基于AMBE-2000的语音系统，本语音系统的主要作用是实现数字话音与模拟话音的相互转换并处理话音数据的编解码，降低话音数据的传输速率，提高系统的频率资源利用率，此外须满足信息系统的接口要求，整个语音系统的原理框图见下图。

利用该芯片能进行全双工的压缩和解压,且压缩率可在2kbps～9.6kbps范围内调节,同时具有FEC（前向纠错）、VAD（语音激活检测）和DTMF信号检测等功能,从而可实现以极高的压缩率提供高品质的语音质量其可广泛应用于卫星通信、短波、微波通信和保密通信等场合,具有很高的实用价值，AMBE-2000的功能与特点如下。

（1）速率多，语音音质高：

具有2.0k、2.4k、3.6k、4.0k、4.8k、6.4k、8.0k和9.6kbps八种压缩速率。

当速率在4.0kbps以上时，可得到接近长途电话的话音质量；

当速率为2.0kbps时，仍然具有较高的可懂度和自然度。

（2）可变速的FEC功能：

可根据信道情况，灵活地选择FEC的速率。

语音和FEC的速率选择既可以通过硬件管脚设置，也可通过软件方式设置。

（3）芯片内集成卷积编码器和Viterbi译码器。

（4）低功耗、低复杂度。

（5）能产生和识别双音多频（DTMF）信号。

（6）具有语音激活检测（VoiceActivityDetection）功能、回波抵消（EchoCancelling）功能和舒适噪声（ComfortableNoise）产生功能等。

（7）串行信道接口可设置为主动和被动方式，传输数据可设置成帧结构或非帧结构。

在简易模型中，AMBE-2000被看作两个分离原件，编码器和解码器。

编码器接收语音量化信息并以所期望的速率将压缩数据流输出信道。

相反地，解码器接收信道压缩数据流，合成语音量化信息。

对AMBE-2000编/解码器接口的时间控制是完全异步的。

通常语音接口所接的是A/D、D/A芯片。

输入输出语音数据流必须是相同的。

格式（16-bit线性、8-bitA律，或8-bitμ律）。

本系统采用AMBE-2000并且A/D-D/A芯片采用16-bit线性采样的AD73311就是为了与原先设计的一套基于AMBE-1000的话音系统保持兼容性。

基于AMBE-1000旧式语音系统使用了体积过大，功耗较高的16-bit线性的A/D、D/A芯片TI32044,并且采用了一系列同样缺点的外围芯片，不适用于低功耗，小体积的发展趋势。

管 

脚

功 

能

RATE_SEL[4～0]

用于选择编码速率和FEC速率

CHANN_SEL[1～0]

选择信道接口方式（主动、被动、帧结构、非帧结构等）

CHAN_RX_DATA,

CHAN_TX_DATA,

CHAN_RX_CLK,

CHAN_TX_CLK,

CHAN_RX_STRB,

CHAN_TX_STRB

串行信道接口引脚，分别为信道接收和发送数据、接收时钟和发送时钟、接收和发送帧同步脉冲

CODEC_SEL[1～0]

A/D接口方式选择（如16its线性量化、A率或μ率量化等）

CODEC_RX_DATA，

CODEC_TX_DATA，

CODEC_RX_CLK，

CODEC_TX_CLK，

CODEC_RX_STRB，

CODEC_TX_STRB

与A/D芯片的接口引脚，分别是数据接收和数据发送、接收时钟和发送时钟、接收和发送帧同步信号

EPR

在芯片复位后，该引脚有一个跳沿产生，表示第1个编码帧已准备好，一帧将在20ms后产生

ECHOCAN_EN

回波抵消使能，高电平有效

VAD_EN

VAD使能，高电平有效

SLEEP_EN

标准睡眠方式使能，高电平有效

X2/CLKIN

时钟输入（16.384MHz）

RESETN

复位，低电平有效

图2-1AMBE-2000主要管脚功能

3.2语音压缩包数据组成及传输原理

AMBE2000每20ms所产生的24个字的压缩数据包由两部分组成。

第一部分是格式字,共有12个字,即192bit数据,当压缩率等其他设置确定以后,在收发端编解码的格式字是相同的;

第二部分是数据字,共有12个字,也即192bit数据,压缩率不同其中的有效数据位是不同的,当选择最低语音速率2.0kbps时,真正的有效数据位只有后40位,其余均为0码；

因此,在实际通信过程中只需传输有效数据位,在接收端解压缩时,用单片机补齐与发送端相同的格式字剩余的全0数据位,然后再将所组成的24个字送入AMBE2000解码端,即可正常解压缩。

这样可以节省系统带宽,尤其在电力线信道传输时,其作用更是明显。

具体传输原理如图3所示。

图3-2语音压缩包传输原理

3.3语音压缩包的发送和接收原理

发送过程:

来自麦克风的模拟语音信号,经过放大、滤波之后送入AD73311芯片（连接如图4）转换成16×

32kbps的数字语音信号,然后送入AMBE2000芯片进行压缩打包,每20ms产生一个由12个格式字和12个数据字所组成的压缩语音数据包,此24个字的数据包由单片机

（1）的RXD口以同步串行方式高速读出并送入DS1609双口RAM的发送区加以存储。

为保障信号传输的实时性和系统的可开发性,压缩语音数据包向电力载波芯片的传输用另一块单片机完成。

用单片机

（2）控制半双工电力载波芯片处于发送状态,同时通过并行I/O口对双口RAM中的数据进行串行低速读出,此时只读有效数据字,并把读出数据送入SC1128芯片的数据收发端加以扩频调制,已调信号再经过电力线接口耦合至低压电力线上,当数据发送完毕之后,再由单片机

（2）将电力载波芯片切换到接收状态,从而完成了整个语音信号的发送过程。

接收过程:

来自电力线的已调信号,经过电力线接口电路的耦合之后送入SC1128芯片的解调信号输入端加以解调,输出的压缩语音数据字由单片机

（2）的并行I/O口串行读入DS1609双口RAM的接收区加以存储,同时再潍其添加12个格式字和剩余的数据字从而组成一个完整的压缩数据包,然后由单片机

（1）将棋从RXD口读出并送入AMBE2000进行解压缩,得到的标准数字语音再送入AD73311的解码输入端进行数模转换,最后再将模拟语音信号送入接收通道,经扬声器转换成声波信号输出,从而完成了整个语音信号的接收过程。

压缩语音数据包存取过程如图3

　在信号的发送和接收过程中,最重要的应该是压缩数据包的传输时间要求。

为了实现时分双工（TDD）和正确的解压缩,从AMBE2000输出的压缩数据包传递到对方AMBE2000的整个时间不能超过10ms,因而,对两个单片机的两次数据的存取都有严格的时间要求,即通信波特率不能太小,应该尽量让单片机

（1）能在最短的时间取出压缩语音数据包,这样就可以保证单片机

（2）在剩余时间传输压缩包所需的通信波特率能满足电力载波芯片的要求。

对SC1128芯片的接收和发送转换也要两端能分时交替,否则会发生信道中信号的碰撞,造成通信失败,这一点由控制电路通过软件来实现。

另外AM2BE2000的工作时序由四位二进制同步计数器分频得到,压缩包的存取时序由单片机

（1）的同步串行口TXD端得到。

第4章SC1128扩频通信芯片

SC1128芯片是面向电力线载波通信市场而开发研制的专用扩频调制／解调器电路。

由于采用了直接序列扩频、数字信号处理、直接数字频率合成等新技术，因此该电路应用在电力线通信方面具有较强的抗干扰及抗衰减性能。

SC1128芯片内部集成了扩频／解扩、调制／解调、D/A和A/D转换、内置电子表、输出驱动、输入信号放大、看门狗、工作电压检测以及与单片机（MCU）串口通信等功能。

该芯片在小型多功能应用系统中可以起到降低系统成本并提高系统功能的作用。

SC1128芯片是采用CMOS技术设计的数模混合电路。

其功能特点：

●直接序列扩频技术，抗干扰能力强；

●发射信号分为两种形式输出：

一种是经D/A转换器后正弦缓冲器输出，谐波成份少；

另一种以高压开漏缓冲器输出，应用成本低；

●输入信号放大器，对输入信号进行前置放大；

●内置看门狗电路，监视系统程序的工作状态；

●内置电压监测器，监视电源电压的变化，并及时向系统发出报警信号；

●内置电子表电路（24小时制），满足对不同时间段记费率的要求（支持掉电工作）；

●内置串行半双工同步传输通信接口,方便与MCU之间的控制命令和数据交换；

●63位扩频码,数据速率典型值为5.75Kbps；

●捕获门限值从200～6290由软件设定；

●内置64X8SRAM存储器（支持掉电工作），为系统提供数据暂存；

●提供QFP-44线封装形式（LQFP-44PIN）；

●单+5伏电压工作；

4.1SC1128芯片的工作原理和封装说明

4.1.1SC1128的内部逻辑框图

图4－1SC1128的内部逻辑框图

4.1.2SC1128芯片引脚图：

图4－2SC1128芯片引脚图

4.1.3SC1128的电特性指标（VDD=5V，TA=工作环境温度）

名　　称

符号

条　件

-20≤TA≤85℃）

规　范　值

单位

最小

最大

V

输出高电平

VOH

IOH=-20μA

VIH=3.15VIL=0.8V

4.8

-

IOH=-4.0mA

4.2

输出低电平

VOL

IOH=20μA

0.2

IOH=4.0mA

0.45

输入高电平

VIH

VOUT=0.45V或4.2V

3.15

输入低电平

VIL

0.8

输入漏电流

II

VI=VDD或GND

±

2.0

μA

静态电源电流2

IDDT

电子表工作电流

5

50

输出驱动电流

IDRV

SINOUT输出端

15

MA

静态电源电流1

IDD

VI=VDD或GND，

IO＜10μA

3

10

输入电容

CI1）

TA=25℃

PF

输出电容

CO1）

工作频率

FT

外接晶体

8

36

MHz

4.1.4SC1128管脚说明

序号

符号

简单说明

1

CP32

内置电子表晶体振荡器输入端（32768HZ）

2~5

NC

无连接。

在使用中要保持浮空状态。

6

GND

数据地

7~9

GNDA

模拟地

11

CAP

模拟滤波电容

12

V+

一级放大器输入V+端

13

V-

一级放大器输入V-端

14

VOUT

一级放大器VOUT输出端

Vi1

二级放大器输入端

16

VO1

二级放大器输出端

17

Vi2

三级放大器输入端

18

VO2

三级放大器输出端

19

VCMPIN

过零比较输入端

20

FIROUT

滤波输出

21

VDDA

模拟电源

22

GNDP

发射输出驱动器地

23

SINOUT

发射输出（正弦）

24

SEND

发射输出（数字）。

高压开漏输出。

25

VDDP

发射输出驱动器电源

26

FIRIN

滤波输入

27

CP6M

1/4工作主时钟输出

28

CP12M

1/2工作主时钟输出

29

VDD

数字电源

30

CPOUT

电路工作主时钟晶体振荡器输出端

31

CP

电路工作主时钟晶体振荡器输入端

32

POWIN

电源监测输入端。

33

SPLDOG

看门狗输入端。

当大于768mS此端无高低变化输入，则DOGOUT端输出1/3占空比的复位脉冲（256mS高，768mS低）。

出1/3占空比的复位脉冲（256mS高，768mS低）。

34

DOGOUT

看门狗输出端，与SPLDOG端输入配合，正常时，输出为低电平。

否则，输出1/3占空比的复位脉冲。

35

POWALM

电源报警输出端。

当电源监测输入端监测到的电源信号低于监测值时，输出为低电平。

当电源监测输入端监测到的电源信号高于监测值时，输出为高电平。

SR

发射／接收控制端。

0为接收，1为发射。

37

SYN

发射／接收同步端。

发射或接收同步后产生同步脉冲。

38

TX

发射／接收数据端（双向端口）

39

LINE

设置数据及状态的输入／输出端（双向端口）

40

SETCLK

同步设置时钟输入端（MCU对本电路设置）

41

CS

设置片选输入端（MCU对本电路设置）

42

N