采用TNETV1700的高分辨率IP電話系統設計

本文介紹一種基于雙核處理器TNETV1700的高分辨率IP數字電話語音系統。該系統以TNETV1700為核心，配置高分辨率采樣系統，實現IP數字電話。系統使用DSP核進行語音算法處理，使用ARM核實現鍵盤掃描、液晶顯示、狀態顯示等電話基本功能。ARM核控制USB控制器連接到PC，語音數據通過客戶端軟件實現與網絡的交換，以及IP電話功能。

關鍵詞? IP電話? 雙核處理器? TNETV1700

引言

　　模擬電話的語音采集和傳輸一直是低信號分辨率方式，語音信號的采樣頻率為8 kHz，數據寬度為8位，只能滿足基本的語音通信要求，而不能傳輸更高質量的語音，例如音樂信號、彩鈴服務等。隨著通信技術的發展，對高分辨率語音信號的要求成為必然，這樣就要求信號采樣頻率達到32 kHz甚至更高，數據寬度為16位或者24位。傳統的模擬電話無法滿足這一要求，使得模擬電話必然被數字電話所取代。

　　IP電話是以IP網絡為傳輸載體，實現計算機對電話、電話對電話，以及計算機對計算機之間進行話音通信的技術。計算機對計算機方式是技術發展的最終方向。

　　本文介紹一種以美國TI公司的雙核數字信號處理器（DSP）TNETV1700為核心的高分辨率IP數字電話系統，配置高分辨率16位模擬/數字轉換芯片，實現對語音信號的采集和輸出、調制和解調、處理和存儲等功能。數字語音信號通過USB接口傳輸到PC，由上層軟件實現IP交換數據。本文主要介紹基于TNETV1700的IP電話終端的軟硬件設計。

1? 系統結構

　　整個系統由TNETV1700、AD50、LCD、Flash、鍵盤以及電源等組成。其系統結構連接如圖1所示。圖1中，TNETV1700是核心控制單元，負責所有與外部設備的信號交換；外部設備中AD50負責模擬信號/數字信號的轉換，AD50既具有對模擬信號進行采集轉換成數字信號的功能，也具有將數字信號轉換成模擬信號、發送到揚聲器的功能；LCD實現時間、電話顯示、設置信息等人機交互的所有顯示功能；Flash用于保存TNETV1700的上電引導程序，也可通過更新Flash中的程序對系統進行升級。

圖1? 系統硬件結構

　　TNETV1700是美國TI公司最近推出的一款針對客戶端電話信號處理的專用DSP芯片，該芯片內部集成一個TI公司的C55系列DSP TMS320C55和一個ARM926EJS處理器。TMS320C55用于電話的語音信號處理，包括雙音多頻信號檢測和產生、回音相消、數據壓縮和解壓，以及數據組包和拆包等多種語音信號處理算法。ARM926EJS用于實現控制功能，包括對LCD、USB控制器、GPIO、Flash、鍵盤等的控制。使用TNETV1700的USB控制器，直接連接到PC，實現TNETV1700和PC之間語音數據的交互。此外，TNETV1700內部還具有通用DSP芯片常有的緩沖串口、HPI接口、定時器等片內外設。由于TNETV1700采用低功耗的TMS320C55，所以其功耗非常低，正常工作情況下，工作電流不到300 mA，整個系統可以采用從USB接口饋電方式，無需單獨供電。

2? 系統硬件設計

　　AD50是TI公司生產的一款集成有A/D和D/A轉換器的芯片，TNETV1700與AD50連接后，可以只使用一個緩沖串口同時實現數據的采集和輸出，從而節省了TNETV1700的硬件開銷。TNETV1700與AD50的硬件連接如圖2所示。

圖2? TNETV1700與AD50的硬件連接

　　AD50的時鐘信號由TNETV1700的定時器0的輸出提供，時鐘頻率可以通過修改定時器0的設置而改變。AD50的FC引腳連接到TNETV1700的GPIO0（通用I/O引腳），用于控制AD50的串行通信；DIN（數據輸入引腳）和DOUT（數據輸出引腳）分別接TNETV1700緩沖串口0的DX0和DR0引腳；SCLK（移位時鐘輸出引腳）連接TNETV1700的 CLKR0（緩沖串口0的接收時鐘引腳）；幀同步信號FS連接TNETV1700緩沖串口0的FRX0引腳。

　　為了達到更好的信號處理效果，AD50的模擬信號輸入一般采用差分輸入方式，圖2中使用變壓器將單端信號轉換成差分信號。信號一正一負同時進入采集系統，如果此時有隨機噪聲出現，通過正負信號的加減，可以有效消除部分噪聲。AD50的D/A輸出為差分信號，可以直接驅動600 Ω的負載，同樣也可消除輸出電路上的隨機噪聲。

　　LCD控制器負責與LCD及其外設的連接。LCD控制器連接2個外設： 一個是到ARM926EJS的DMA請求，另一個是ARM926EJS到LCD的中斷請求。這樣，ARM926EJS作為主設備，可以在CPU不參與的情況下實現對LCD的顯示控制。LCD作為被動設備，只有少量需要返回的狀態，發送中斷到ARM926EJS，由ARM926EJS安排時間讀取LCD狀態。這樣，使得整個LCD的顯示和控制占用較少的CPU資源。如果系統使用簡單的點陣顯示，就無需LCD控制器參與，只需要簡單的幾根GPIO掃描就可以。TNETV1700與LCD的硬件連接如圖3所示。圖中，使用穩壓器MAX633將3.3 V電壓轉換成LCD所需要的15 V電源，使用穩壓器TPS79333將LCD和TNETV1700隔離開，以增強系統的可靠性，避免LCD的高壓損壞芯片；TNETV1700的LCD控制器直接連接到驅動芯片LZ9FC22，通過啟動芯片控制LCD。系統選擇LCD型號為LQ035Q7D。

圖3? TNETV1700與LCD的硬件連接

　　系統中的USB接口和鍵盤接口均為標準接口，硬件上連接簡單方便。USB接口使用4線接口，分別為差分數據正、差分數據負、電源和地引腳。USB接口的電源也是整個系統的電源入口。鍵盤接口使用3×4的掃描鍵盤，可以直接連接標準電話機的12個按鍵（為0～9、*號和#號）。如果需要增加按鍵，可以使用TNETV1700的GPIO口完成。

3? 系統軟件設計

　　系統的軟件總框圖如圖4所示。圖中，初始化模塊包括TNETV1700系統的初始化、鍵盤監控的初始化、LCD顯示的初始化、AD50的初始化、USB控制器的初始化。在初始化過程中設置定時時間、采樣點數、計算變量的初始值、各種參數等。

圖4? 系統軟件總框圖

　　監控模塊隨時判斷各種定時是否到達，其中包括DSP核數據定時、鍵盤掃描定時、LCD顯示定時以及USB接口通信請求等。監控模塊程序完成以上查詢工作，并調用各個相應的處理程序。

　　中斷服務模塊包括4個中斷，即AD50中斷服務、定時器中斷服務、USB接口發送和接收中斷服務。中斷服務模塊中的AD50轉換和計算模塊完成對信號數據的采樣、處理和計算。在整個程序運行中間，AD50轉換的中斷請求享有最高優先權。

　　DSP核主要處理語音信號處理算法，DSP端的軟件結構如圖5所示。TNETV1700控制AD50采樣到語音信號后，首先經過“G.168回音相消算法”消除回音，然后調用VAD（Voice Activity Detection，語音激活檢測）技術判斷是否有語音信號，從而判斷出是否有語音輸入，避免將噪聲傳輸出去。在通話期間進行VAD算法，可以去除兩個語音之間的數據，大大減少數據傳輸量。信號可以經過壓縮算法后進行RTP組包，也可以直接經過UMTD（Universal Multifrequency Tone Detector，通用多頻音檢測）算法進行RTP實時組包，組包之后將數據包傳送ARM核，DSP核就完成了整個數據上傳算法。語音數據下傳和上傳相反，進行RTD拆包、UMTG（Universal Multifrequency Tone Generator，通用多頻音產生）、數據解壓等算法。數據壓縮算法只有G.726算法集成在TNETV1700片內，其他算法（如G.723或者G.729）則需要用戶編寫程序完成，為特定需求的應用場合提供軟件的可適應性。

圖5? DSP核軟件結構

　　ARM核主要實現LCD、鍵盤和USB的控制功能。ARM端的軟件結構如圖6所示。ARM端軟件的功能主要是控制外設和數據收發。為了不丟失控制信號和收發的數據，整個軟件采用時間片輪詢策略： 設置各個模塊的定時器，主程序輪詢各個模塊的定時是否到達，如果到達則進行該模塊的相應工作；完成后，繼續輪詢下一個模塊的定時。整個程序涉及的模塊有4個： 與DSP端進行數據收發的模塊，實時監控鍵盤模塊，與PC端的USB數據收發模塊以及LCD顯示模塊。

圖6? ARM核軟件結構

結語

　　本文詳細介紹了基于TNETV1700的IP數字電話系統構成、硬件連接以及軟件程序開發。系統使用TNETV1700的DSP核進行語音信號的算法處理，使用TNETV1700的ARM核對液晶、鍵盤和USB接口進行控制，實現了單芯片系統設計。整個系統設計簡單、可靠、實用，是一種比較好的IP數字電話解決方案。