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论文

雷达模拟机专用数字电话设计

摘要

每年，我国都要大量购买民航客机。

飞机数量的快速增长能带动我国国民经济的增速，但也给空中交通管制带来不小的压力。

为支持民航空管的发展，加快现代空管系统建设的步伐，民航局从资金和政策上都给予了大力的支持：

2012年空管系统批复项目114项，总投资98亿。

其中，空管设备的采购和升级费用占总资金的绝大部分，而空管设备中，空管数字电话系统投入的资金也非常大。

空管数字电话系统是为地面管制员和飞行员之间通话提供服务的设备，它担负着地地通信、地天通信的职责，并负责相应的逻辑数据的处理和保存。

目前我国各地空管部门普遍使用的内话系统是drake公司的drake-4000双子星内话系统。

该系统能满足我国民航空中管制的要求，但是其整体造价非常之高。

为此，项目采用高端音频编解码芯片AMBE-1000作为核心芯片，ATMEGA64单片机作为中央控制器，RS485设备作为通信枢纽，设计一种成本低廉、维修方便的新型数字内话设备以替代drake-4000内话系统。

项目首先进行了硬件的初步设计，使用protel99SE软件绘制电路原理图和PCB板图，制成电路板后对其进行硬件功能测试和软件编程。

结果显示，系统能够较好的实现语音质量和长时间的稳定性，达到设计预期的效果，在雷达管制模拟机和真实空中管制中都具有一定的应用价值。

关键词：

雷达管制专用数字电话；AMBE-1000；protel99SE；ATMEGA64

Abstract

Inrecentyears,China'sannualairlinerinbuyinglargequantities.Therapidgrowthofthenumberofaircraftcandrivethegrowthofournationaleconomy,butalsototheairtrafficcontrolisnotasmallpressure.Tosupportthedevelopmentofcivilaviationmanagement,modernairtrafficcontrolsystemtoacceleratethepaceofconstruction,fundingandpolicyfromtheCivilAviationAuthorityhavegivenstrongsupport:

2012ATCsystemapproved114projects,totalinvestmentof9.8billion.Amongthem,theairtrafficcontrolequipmentprocurementandupgradecostsaccountedforthevastmajorityoffunds,andairtrafficcontroldevices,digitaltelephonesystemATCinvestmentfundsisalsoverylarge.

ATCdigitaltelephonesystemforgroundcontrollersandpilotstoprovideservicescallsbetweendevices,itbearstocommunicate,to-daydutiesofcommunicationandisresponsibleforthecorrespondinglogicaldataprocessingandpreservation.Atpresentourcountry'sairtrafficcontroldepartmentwithinthewordscommonlyusedsystemisthedrake-4000Gemini'sinternaltelephonesystem.ThesystemcanmeettherequirementsofChina'scivilaviationairtrafficcontrol,buttheoverallcostisveryhigh.Tothisend,theprojectuseshigh-endaudiocodecchipAMBE-1000asacorechips,ATMEGA64microcontrollerasthecentralcontroller,RS485deviceasacommunicationshub,todesignalowcost,easymaintenancewithinthenewdigitalequipmenttoreplacewordswithindrake-4000telephonesystem.

Projectfirstconductedapreliminarydesignofthehardware,thesoftwareusedprotel99SEdrawschematicandPCBboard,aftertheboardmadeitsfunctionaltesthardwareandsoftwareprogramming.Theresultsshowthatthesystemcanachievebettervoicequalityandlong-termstability,toachievethedesiredeffectdesignintheradarcontrolairtrafficcontrolsimulatorandtherealinallhaveacertainvalue.

KeyWords：

specialdigitaltelephoneforRadarcontrol；AMBE-1000；protel99SE；ATMEGA64

目录

摘要I

AbstractII

目录III

第一章引言1

1.1课题背景1

1.2课题设计难点与解决方案2

1.3国内外相关产品现状2

1.3.1IBMViaVoice3

1.3.2采用专用的语音编解码芯片3

1.3.3采用DSP芯片3

1.3.4国内主流产品介绍3

1.4系统方案选择4

第二章AMBE语音编码技术5

2.1语音信息数字化处理过程5

2.2语音压缩编码算法的发展过程5

2.3几种语音压缩编码算法6

2.3.1PCM波形编码6

2.3.2线性预测LPC技术6

2.3.3混合编码器原理7

2.3.4多带激励MBE编码及AMBE算法7

第三章系统硬件方案设计8

3.1系统总体设计8

3.2系统工作原理8

3.3语音编解码芯片选型与介绍9

3.3.1AMBE-1000工作流程9

3.3.2AMBE-1000通信方式的设置10

3.3.3编码速率的选择10

3.3.4回声抵消11

3.3.5语音激活检测（VAD）11

3.3.6双音多频的检测和产生11

3.3.7常规能耗模式和节能模式12

3.4微型控制器电路12

3.5AD/DA转换电路13

3.6模拟音频放大电路14

3.7485通信电路14

3.8电源设计15

第四章系统软件方案设计16

4.1单片机开发环境介绍16

4.2单片机初始化配置17

4.2.1单片机定时器初始化配置17

4.2.2单片机串口通信初始化配置18

4.3AMBE—1000初始化配置18

4.3.1AMBE—1000电源模式配置19

4.3.2AMBE—1000功能模式配置19

4.4AMBE-1000数字语音压缩比设计20

4.5单片机与AMBE-1000通信程序设计21

4.5.1信息帧格式21

4.6选择呼叫功能介绍22

4.6.1选择呼叫通信协议22

第五章系统调试与性能测试23

5.1PCB制板23

5.2硬件焊接24

5.3硬件调试25

5.4性能测试26

5.5可靠性分析27

5.5.1硬件可靠性分析27

5.5.2软件可靠性分析28

结论29

参考文献30

致谢31

附录A：

程序32

附录B：

外文翻译资料47

外文翻译资料译文部分52

第一章引言

1.1课题背景

近年来，我国民航运输业发展迅速，从每年购买飞机数量的增幅上就可见一斑。

2012年我国购买民用飞机200余架，而2013年预计将购买350架。

虽然我国大量采购民用飞机，但是飞机总数和美国相比，差距还很大。

截至2012年年底，中国民航共有飞机3238架，其中通用飞机只有1154架；但美国拥有民用飞机32万多架，通用飞机有23万多架。

由此可见，两国飞机数量相差悬殊。

虽然中国民航比美国起步晚几十年，但是随着低空开放被提升至国家发展战略高度以及我国国力的日益增强，相信在2050年我国民用飞机数量将超过美国。

民航发展，空管先行，促进民航快速健康发展就必须更加重视对空中交通的管制工作。

为了提高我国空中交通管制能力，中国民航于2005年完成北京、上海、广州三大区域管制中心的建设工程，总投资22亿元；于2009年，又建成成都区域管制中心，工程总投资8.7229亿元。

在总的资金中，采购空中管制设备和空管模拟训练机的金额占绝大多数。

空管模拟训练机是基于计算机仿真技术、电子和机械技术等实现的，逼真地模拟出空中交通管制的实际环境，得到优异的训练效果。

国内外这类模拟机的研究己达到一定水平，其模拟程度完全能够满足空中交通管制学员学习、训练的要求。

目前国内研发的空管模拟训练机也有多种，较为成熟的是雷达管制模拟机，比较知名的是四川川大智胜软件股份有限公司研制成功DRS-2000雷达管制模拟机。

图1-1DRS-2000雷达管制模拟机

雷达管制模拟机是近些年来兴起的新一代模拟训练系统，专用于培训民航空中交通管制人员。

该系统能较好的模拟出真实的塔台空中管制环境，达到我国民航空中交通管制工作的各项规范要求，因而满足民航培训的实际需求，迅速培养和提高相关人员的雷达管制技能。

采用雷达管制模拟机进行训练，学员无需在真实的塔台环境下进行，因而不会影响飞行安全。

同时它不受航班时刻的限制，可以随时安排训练。

同时雷达管制模拟机允许教官手动改变各种管制状况，可以锻炼管制人员的应变能力。

空管数字电话系统是雷达管制模拟机的重要组成部分，是空中交通管制工作中万万不能离开的通信设备。

该设备是管制员和飞行员之间联系的枢纽，用来实现“地对地”、“地对空”之间的通信。

最初的空管内话系统是使用基于模拟电路技术的内话设备,这种设备占据市场多年。

模拟电话设备有很多的不足：

语音的音质较差；查询和检索较难；保存难度较大。

随着机场航班起降数量剧增，空管部门也应配套更多管制席位和更优异的电话设备，以满足正常的飞行安全。

为此，各地空管部门对语音电话设备提出了更高要求，传统的模拟内话设备己不能满足需求，因此国内外空管设备公司都在研发并推广基于数字通话技术的新一代空管语音电话系统。

1.2课题设计难点与解决方案

语音信息是模拟信号，为了实现语音信息的数字化控制盒传输，就必须进行模数转换，也就是常说的A/D转换。

在实际使用中，为了尽可能的保证语音的音质清晰，一般选用高精度A/D转换芯片，并使用较高的采用速率来采样。

但是因此而产生的数字语音数据非常大，对数据传输的可靠性和准确性都产生很大的影响。

在保证语音音质清晰的前提下，为了有效减少数字语音的数据量，一般可以采用如下三种方式：

选用的A/D转换芯片的精度尽可能的低；使用较低的采用速率来采样；选用高精度A/D转换芯片，并使用较高的采用速率来采样，但是对采样的数据进行压缩编码处理。

这三种方法中，第三种方法允许选用高精度A/D转换芯片，并使用较高的采用速率来采样，从而音质有保证；同时数据经过压缩后的体积很小，因此传输效果也很好；而且，压缩编码的数据通过解码之后还能完好的保存语音信息。

因此，选用专用的数字语音编解码芯片可以有效解决本课题的设计难点。

1.3国内外相关产品现状

空管数字电话系统采用数字电路技术，将先进的语音压缩编解码技术和微型控制器技术结合起来，通过对数字编解码芯片的软硬件控制，使得传统模拟电话语音通话的失真、不易存储等问题迎刃而解，并易于组建大型电话机网络交互系统，这是传统模拟电话所不能比拟的。

现在可行的数字化语音系统方案很多，从事这方面的研究也越来越深，国内外都提出了自己的数字化语音系统解决方案。

总体来说，数字化语音系统的实现方式主要有以下几类：

采用计算机声卡和上位机软件处理。

由于计算机声卡购买方便、使用稳定；计算机主频高，计算速度快，因此这种方法在语音编解码中优势明显。

该类产品中最典型的就是IBMViaVoice。

图1-2IBMViaVoice图片

1.3.1IBMViaVoice

IBMViaVoice是IBM公司自主开发的具有13项发明专利的高性能语音系统，主要由声卡、上位机程序组成。

该系统具有口音适应和语音文字录入功能。

只要电脑接收到语音信息，系统自适应用户的口音，并将模拟语音转换成文字信息录入到word中。

该系统具有一定的使用价值，但由于计算机体积较大、成本较高，操作系统易于被病毒和木马攻击，因而在雷达模拟机中较少使用。

1.3.2采用专用的语音编解码芯片

其优点在于通过专用的语音编解码芯片对语音进行编码和解码，速度较快、准确率高，从而使得系统不仅满足通话和存贮的要求，同时具备一定的逻辑控制能力，使用时更加灵活方便。

1.3.3采用DSP芯片

DSP芯片功能强大，速度较高，可以使用它对语音进行硬件编解码。

这种编解码方式较为灵活，编解码的速度也较快，具备较强的控制功能。

但由于DSP芯片的价格较高，开发难度较大，对程序的可靠性要求很高，因而本方案很少被采用。

1.3.4国内主流产品介绍

国内使用较多的数字电话设备是drake公司的drake-4000双子星内话系统。

该系统能满足我国民航空中管制的要求，但是由于其价格极高，一套系统造价上千万，一个管制中心需要几十套甚至几百套该设备；同时该内话设备存在售后服务不健全、产品维修复杂等问题，给现在各个民航空管单位带来不便。

图1-3drake-4000双子星内话系统

1.4系统方案选择

通过多种方案的对比，本系统采用AMBE-1000专用数字语音编解码芯片和ATMEGA64单片机来制作雷达管制模拟机专用数字电话，不仅成本较低、性能较好，而且维修方便，非常适合国内市场需求。

第二章AMBE语音编码技术

2.1语音信息数字化处理过程

语音信息是模拟量，对其数字化处理就是将其转变成易于编解码的数字量。

为了将模拟语音信号变为数字信号，必须经过采样，从而得到离散的数字信号。

采样之后要进行量化,即将采样值转换成相应的数字量，量化的过程称为模/数转换（A/D转换）。

模/数转换后即得到数字的语音信号，可进行处理和传输。

相反的，由数字语音信号重还原出模拟语音信号的过程称为数/模（D/A）转换，数/模转换后还需要经过进行滤波和放大才能得到理想的语音信息。

语音数字化处理过程如图2-1所示。

图2-1语音信号数字处理的一般过程

2.2语音压缩编码算法的发展过程

语音信号是一种时变信号，它可以近似看成由许多振幅和相位都随时间变化的正弦波构成。

我们可以用语音的采样波形来描述语音信号，也可以用一些语音信号的特征来描述语音信号。

语音压缩算法的发展经历了以下几个阶段:

波形编码、参量编码及二者相结合的混合编码；此外还有此基础上发展而来的新兴的MBE（AMBE）算法。

波形编码是将时域信号直接变换成数字信号进行传输，也就是说这种编码是将语音信号作为一般的波形信号来处理，力图保持重建的语音波形与原语音波形一样。

这种编码方式的特点是适应能力强，重建语音信号的质量高，但是编码速率高,编码效率低。

参量编码，是提取信号的特征参量并将其变换为数字信号进行传输,在接收端恢复出特征参量,并由特征参量重建语音信号的一种编码方式。

这种方式在提取语音特征参量时,往往会利用某种语音生成模型在幅度谱上逼近语音,以使重建语音信号有尽可能高的可懂性,即力图保持语音的原意,但重建语音的波形与原语音信号的波形有相当大的差别。

当前,由参量编码和波形编码相结合的混合编码器正收到人们较大的关注。

这种编码方式能在4Kb/S-16Kb/S中低编码的速率上得到高质量的重建语音。

它既具备了声码器的利用语音生成模型提取语音参数的特点，又具备了波形编码的优化激励信号，使其与输入语音波形相匹配的特点。

[1]

1985年,美国麻省理工学院的D.W.Griffin提出了多带激励MBE（Multi-BandExcitation）的概念。

这是一种相对独立的，基于频谱拟合的分析方法。

它将语音谱按各基音的谐波分成若干子带，对各子带分别判别清/浊音，然后再根据各子带的清/浊音的情况采用不同的激励信号.最后，将各子带信号相加形成全频带信号。

采用MBE算法的声码器具有计算简单，编码速率低和具有较好的自然度和炕环境噪声的能力。

2.3几种语音压缩编码算法

2.3.1PCM波形编码

早期语音信号的传输和处理都以模拟方式进行，自从本世纪30年代提出脉冲编码调制（PCM）理论后，语音信号处理进入数字化时代。

PCM叫做脉冲编码调制，是把模似信号转变成数字信号的一种编码方式。

通常，PCM波形编码包括采样、量化和编码等几个步骤。

PCM编码的原理是，首先对模拟信号进行采样，得到在时间上离散的信号，采样后的数据应能完全保留原模拟信号的全部信息，也就是能从采样的离散数据中不失真地恢复出原始模拟信号。

然后将采样脉冲值按一定的单位用四舍五入的办法进行量化分层，使信号在取值上离散化成有限个取值状态。

量化的间隔可以相等，也可以不等，对应的量化分别称为均匀量化和非均匀量化。

最后将量化后的抽样值用二进制（或多进制）代码表示，发送时代码用一定的脉冲序列代替。

这个抽样量化编码过程即称为模拟信号的脉冲编码。

[2]

图2-2PCM系统原理图

2.3.2线性预测LPC技术

线性预测技术又叫线性预测分析、线性预测编码。

线性预测技术是维纳（Wiener）1947年首次提出的，他建立了与人的声道模型类似的一种模型，认为声道是一种时变的线性系统，短时间段内参数是固定不变的。

实际情况是语音本身是连续时变的过程，还有极少数的瞬变音存在声道与激励源（声门）二者互相耦合的情况，所有这些均会使线性预测分析带来误差。

但实际应用中，模型参数的误差不大，分析计算简单，速度快，计算所得的数据量少，因而现已广泛应用到信号处理的各个领域。

线性预测指的是用过去样点的线性组合来预测未来的样点，通过对实际语音抽样和线性预测抽样之间的最小均方误差逼近处理，能够得出唯一的一组预测系数，就可以用模型参数来描述信号。

[3]

2.3.3混合编码器原理

研究表明,声码器语音质量差的问题不在于声道模型参数不精确，而在于忽视了激励信号。

为此，混合编码器在保留现有声码器技术的基础上，引用高质量波形编码准则来优化激励信号，从而提高语音质量。

目前较成功的混合编码方案有：

多脉冲线性预测编码MP-LPC、规则脉冲激励线性预测RPE-LPC以及码激励线性预测CELP。

[4]

2.3.4多带激励MBE编码及AMBE算法

多带激励MBE模型是一个频域模型，它按基音各谐波频率将一帧语音的频谱分成若干个谐波带，分别对各带进行浊音/清音（V/U）判决，总的激励信号由各带激励信号相加构成。

对于浊音带，用以基音周期为周期的脉冲序列谱作为激励信号频谱；对于清音带，则使用白噪声谱作为激励信号频谱。

这种模型使得合成语音谱同原语音频谱在细致结构上能够拟合得很好，更符合实际语音的特性，其合成端的语音质量必然也就较高。

AMBE语音压缩编码算法（AdvancedMBE）是基于MBE（Mult-ibandexcitationspeechmodel）算法基础上的语音压缩算法。

这种算法提出了一种基于频域的、新的语音信号产生模型即多带激励模型。

在低码率（2.4~4.8kb/s）时，合成的语音质量比传统声码器好得多。

这种模型使得合成语音谱同原语音频谱在细致结构上能够拟合得很好，更符合实际语音的特性，其合成端的语音质量也就较高。

其基本方法为：

首先将输入的每帧160个数字话音取样点分成交迭的段，经模型后得出该帧的模型参数。

编码器量化这些模型参数，加上纠错码，然后以2.4~9.6kb/s的数据流发送。

解码器接收比特流，再重构模型参数，利用这些参数产生合成语音信息。

AMBE算法的实现分为5步：

模型分析、量化、纠错、重构、合成。

[5]

AMBE编解码流程图如图2-3所示。

图2-3AMBE编、解码算法流程图

第三章系统硬件方案设计

3.1系统总体设计

本系统核心编解码芯片选用AMBE-1000，微型控制器选用ATMEGA64单片机，通过外围A/D、D/A转换电路实现对音频信号的编解码处理。

系统硬件框图如图3—1所示。

图3-1系统硬件结构基本框图

3.2系统工作原理

空管数字语音电话是实现空中交通管制的地地通话和地空通话的语音通讯设备，在空中管制中起到非常重要的作用。

地地通话指的是塔台内部通话，一般由地面数字交换机负责桥接多路数字电话设备，从而实现电话间选择呼叫的作用。

而地空通话指的是塔台与飞机通话，一般由地面和机载的甚高频信道收发机进行语音的交互，然后传输给地面数字电话设备，交换机桥接多路数字电话设备，从而实现地空通话的选择呼叫作用。

无论是地地通话还是地空通话，输入到数字语音电话设备的信号都是模拟语音信号。

在本系统中，模拟语音信号首先经过滤波、放大电路处理，再经A/D转换后由AMBE-1000芯片编码。

语音编码单元以20ms为一帧对输入的数字音频进行压缩,压缩比为40:

1,形成2.4kb/s的压缩语音。

ATMEGA64单片机读取AMBE-1000编码后的数据，通过485通信方式发送交换机。

交换机将数据发送给通话中的其他电话设备，并存储通话数据。

在通话中的另一台电话中，单片机读取交换机发来的数据，通过控制AMBE—1000解码单元恢复出模拟语音，经放大、滤波后发送至语音输出设备。

3.3语音编解码芯片选型与介绍

在数字电话系统中,语音编码解码是其中的核心部分,在本设计中选用的是DVSI（数字语音系统公司）生产的一种语音编解码芯片AMBE-1000。

图3-2AMBE-1000引脚图

3.3.1AMBE-1000工作流程

AMBE-1000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。

编码器接收8KHZ采样的语音数据流（16bit线性，8bitA律，8bitU律）并以一定的速率输出信道数据。

相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流。

编码器和解码器接口的时序是完全异步的。

AMBE-1000输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的，8bitA律，8bitU律），信道接口采用8位或16位的微控制器。

芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧来决定。

[6]

图3-