在無線語音通信系統(tǒng)中，由于無線帶寬的限制，使得語音編碼及壓縮技術(shù)被廣泛關(guān)注和研究。常用的技術(shù)有脈沖編碼調(diào)制" title="編碼調(diào)制">編碼調(diào)制PCM(Pulse Code Modulation)、自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM(Adaptive Differential Pulse Code Modulation）、自適應(yīng)增量調(diào)制ADM(Adaptive Delta Modulation)等編碼方式。CVSD(Continuously Variable Slope Delta)是一種抗信道誤碼非常好的語音編碼算法，在無線通信中得到了廣泛應(yīng)用。CVSD 編碼擅長(zhǎng)處理丟失和被損壞的語音采樣，即使誤碼率達(dá)到4%，經(jīng)CVSD 編碼的語音仍可接受。
1 CVSD編碼
1.1 CVSD與其他編碼方式的比較
　　連續(xù)可變斜率增量調(diào)制CVSD是自適應(yīng)增量調(diào)制ADM的一種，采用1位的差分波形編碼方式。自適應(yīng)的量階隨信號(hào)統(tǒng)計(jì)特性的變化而變化，在振幅較大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，信號(hào)可獲得最大信噪比。它的量化步長(zhǎng)可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，通過對(duì)輸入信號(hào)" title="輸入信號(hào)">輸入信號(hào)的振幅變化率調(diào)節(jié)量化步長(zhǎng)的增量值。當(dāng)輸入信號(hào)的振幅變化率增大時(shí)，增量值也相應(yīng)增大；當(dāng)輸入信號(hào)的振幅變化率減小時(shí)，增量值也相應(yīng)減小。這樣，它就能對(duì)輸入的原始信號(hào)進(jìn)行很好的跟蹤、量化和編碼，從而擁有很高的信號(hào)保真度。
　　PCM是根據(jù)輸入信號(hào)的采樣值，以固定的量化步長(zhǎng)進(jìn)行語音量化和編碼。在采樣頻率一定的情況下，量化步長(zhǎng)的選取將決定著編碼的質(zhì)量和最終的語音效果。由于輸入信號(hào)的隨機(jī)性與多樣性，PCM編碼的效果并不十分理想，會(huì)因?yàn)榱炕介L(zhǎng)過小或過大而造成輸入信號(hào)振幅的量化噪聲和過載噪聲，當(dāng)傳輸中有誤碼發(fā)生時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的信號(hào)失真。
　　ADPCM綜合了自適應(yīng)脈沖編碼調(diào)制APCM(Adaptive Pulse Code Modulation）的自適應(yīng)特性和差分脈沖編碼調(diào)制DPCM(Differential Pulse Code Modulation)的差分特性，可達(dá)到較好的性能。32kbps的ADPCM是一種算法較簡(jiǎn)單的波形編碼，具有良好的話音質(zhì)量和抗噪性能，在衛(wèi)星通信、數(shù)字話路倍增系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 CVSD編譯碼器
　　圖1為CVSD的編碼器結(jié)構(gòu)。處于CVSD編碼方式時(shí)，輸入的語音信號(hào)和積分器的輸出信號(hào)經(jīng)比較器比較后輸出一個(gè)偏差信號(hào)，該偏差信號(hào)被送到量化器Q。量化器輸出的數(shù)字信號(hào)反映了偏差信號(hào)的極性，也就是語音信號(hào)的數(shù)字編碼輸出；同時(shí)該信號(hào)作為積分器輸出斜率的極性控制信號(hào)和積分器輸出斜率大小邏輯的輸入信號(hào)。在時(shí)鐘信號(hào)的各周期內(nèi)，若輸入語音信號(hào)大于積分器輸出信號(hào)，則量化器Q輸出1，控制積分器輸出上升；若輸入的語音信號(hào)小于積分器輸出信號(hào)，則量化器Q的輸出為0，控制積分器輸出下降。而反饋鏈路上設(shè)置的延遲模塊Z-1是將量化器當(dāng)前的輸出值與之前的若干輸出值進(jìn)行比較，當(dāng)量化結(jié)果有3個(gè)連續(xù)的“1”或“0”出現(xiàn)時(shí)，即比較器檢測(cè)出滿足斜率過載的條件時(shí)，編碼器將通過可編程步長(zhǎng)控制模塊調(diào)節(jié)量化步長(zhǎng)以更好地跟蹤輸入的模擬信號(hào)。另外，反饋回路上設(shè)置有兩個(gè)積分器，它們與CVSD編碼相結(jié)合可以提供優(yōu)良的語音質(zhì)量。應(yīng)用中可設(shè)置為僅使用I序積分器或者共同使用I序、II序積分器。對(duì)于等級(jí)映射轉(zhuǎn)換器L，當(dāng)輸入為“1”時(shí)輸出為“1”，當(dāng)輸入為“0”時(shí)輸出為“-1”，它與積分器的輸出相結(jié)合形成反饋信號(hào)。

　　圖2為CVSD的譯碼器結(jié)構(gòu)，與編碼器結(jié)構(gòu)類似但過程相反。在時(shí)鐘的各周期內(nèi)，若數(shù)字輸入為1，則控制積分器的輸出上升；若數(shù)字輸入為0，則控制積分器輸出下降。這相當(dāng)于編碼過程的逆過程，等級(jí)映射轉(zhuǎn)換器L的輸出與積分器的輸出相結(jié)合，就得到譯碼結(jié)果。延遲模塊用來測(cè)試比較最近若干次的編碼量化結(jié)果，當(dāng)出現(xiàn)3個(gè)的連續(xù)的“1”或“0”而達(dá)到斜率過載條件時(shí)，則譯碼器也通過可編程步長(zhǎng)控制模塊調(diào)節(jié)量化步長(zhǎng)的值。
2 通信協(xié)議方案
2.1 空中接口規(guī)范
　　空中接口標(biāo)準(zhǔn)是無線通信系統(tǒng)中最受關(guān)注的接口之一。在空中接口方案中主要為系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)做一個(gè)整體規(guī)劃，它將成為制定協(xié)議模型的基礎(chǔ)。具體的空中接口方案見表1。

2.2 TDD幀結(jié)構(gòu)
　　本文討論的數(shù)字無線語音接入系統(tǒng)，參照時(shí)分雙工無線通信系統(tǒng)中的物理信道，采用多個(gè)載波上的時(shí)分多址對(duì)無線頻譜進(jìn)行頻率和時(shí)間上的兩維分割，在一個(gè)載頻信道上實(shí)現(xiàn)時(shí)分雙工的通信。幀是傳輸信息的基本手段，一般由頭域、數(shù)據(jù)域和尾域組成。本系統(tǒng)的首要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)語音通信，在系統(tǒng)采用的TDD幀格式中，將每個(gè)載頻信道分為2個(gè)時(shí)隙，即下行和上行信道，每一時(shí)隙包括前同步域、同步域、ID標(biāo)識(shí)域、命令域、數(shù)據(jù)域以及幀保護(hù)域。TDD幀格式如圖3所示。

　　在圖3中，Head域?yàn)橥筋^，包含前導(dǎo)字段和同步字段；Data域?yàn)閿?shù)據(jù)域，包含標(biāo)識(shí)字段、命令字段和語音數(shù)據(jù)字段；END域用以標(biāo)志數(shù)據(jù)字段的結(jié)束；Guard Space為保護(hù)時(shí)段，用于防止由于多徑到達(dá)的延時(shí)所造成的時(shí)隙碰撞。下面分別對(duì)組成TDD幀的各字段定義：
　　(1)Preamble Bytes。前導(dǎo)字段，占8字節(jié)，每一字節(jié)均為交替的0和1，即0x55H或0xAAH，用于位同步。
　　(2)SYNC Bytes。同步字段，占2字節(jié)，為一特定的碼組，用于塊同步，標(biāo)志著一幀數(shù)據(jù)的開始。
　　(3)System ID。系統(tǒng)識(shí)別碼，占2字節(jié)，用于區(qū)別同頻段的其他無線通信系統(tǒng)。
　　(4)Base ID?；咀R(shí)別碼，占2字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)移動(dòng)終端所屬的基站。
　　(5)Local ID。本機(jī)標(biāo)識(shí)碼，占2字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)移動(dòng)終端本身的號(hào)碼。
　　(6)Destination ID。目的終端標(biāo)識(shí)碼，占2字節(jié)，用于標(biāo)識(shí)本機(jī)要發(fā)送到目的終端的號(hào)碼。
　　(7)Command Bytes。命令字段，占2字節(jié)，用于指示通信終端所發(fā)生的行為、過程或狀態(tài)。
　　(8)Data Bytes。數(shù)據(jù)字段，占120字節(jié)，用于存放通信過程中的語音數(shù)據(jù)。
　　(9)END Bytes。幀結(jié)束字段，占4字節(jié)，用于對(duì)之前的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，同時(shí)也標(biāo)志著一幀的結(jié)束。
　　由上所述，可得出一幀的長(zhǎng)度為144字節(jié)，除去幀頭10字節(jié)與幀尾4字節(jié)，數(shù)據(jù)域共130字節(jié)。系統(tǒng)采用的射頻模塊最大傳輸速率為76.8kbps，則傳輸一位的時(shí)間約為1/76.8kbps=0.01302ms，發(fā)送一幀共144字節(jié)，約需144×8×0.01302＝15ms，接收一幀130字節(jié)的數(shù)據(jù)約需130×8×0.01302＝13.6ms。射頻模塊的發(fā)送與接收模式轉(zhuǎn)換過程至少需1.5ms。為了保證轉(zhuǎn)換的可靠性，設(shè)置模式轉(zhuǎn)換間隔為3ms，于是可得出圖2中TDD幀的時(shí)間設(shè)置。
3 通信協(xié)議在系統(tǒng)終端的實(shí)現(xiàn)
　　以微處理器MSP430為中心的系統(tǒng)控制模塊主要完成數(shù)據(jù)的接收控制、發(fā)送控制等工作。系統(tǒng)采用MSP430的USART模塊的SPI同步通信模式，外圍模塊采用專用的CVSD語音芯片以及射頻芯片，以降低微處理器的開銷。在接收過程中，首先接收來自射頻芯片的數(shù)據(jù)，再將接收的數(shù)據(jù)幀的同步域、尾域、ID域以及命令字節(jié)去除后送至CVSD語音芯片進(jìn)行譯碼處理；在發(fā)送過程中，首先由CVSD語音芯片將模擬語音編碼，通過微處理器MSP430F149加上頭域、尾域、ID域以及命令字節(jié)形成數(shù)據(jù)幀，然后控制射頻芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送。由于使用了專用芯片，數(shù)據(jù)的處理均在專用芯片完成，因此數(shù)據(jù)是一個(gè)串入串出的過程，微處理器對(duì)數(shù)據(jù)基本不需要進(jìn)行特別的處理，只需控制數(shù)據(jù)的輸入與輸出接口以及設(shè)置定時(shí)器控制接收與發(fā)送模式的轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)的收發(fā)流程如圖4、圖5所示。

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