基于TMS320VC5510的语音硬件平台的设计

高质量、低速率的语音编码算法在现代通讯系统中地位越来越重要，被广泛应用于诸如IP电话、语音信箱、军事无线通讯等领域。特别是在一些特殊的应用领域，信道带宽很窄而且误码率较高，要在这种信道上实现语音通讯，低速和甚低速语音压缩编码技术是关键。以前由于硬件条件的限制，此类的低速率复杂编解码算法往往只能停留在原理和计算机实现阶段。近些年来，由于VLSI技术的蓬勃发展，尤其是高性能数字信号处理芯片的DSP的普及，这些编码算法开始大规模的运用到了现实领域。本次设计就是为这套军用语音编码算法标准设计一个通用编解码平台。该平台已经做为嵌入式低功耗语音模块，应用到语音编码和语音合成等领域，并已小规模量产。

1． 语音硬件平台的总体介绍和系统框架

　　本语音信号处理平台需要考虑以下几个方面的设计要求。在运算量方面，本平台上运行的几种语音编码算法都具有比较高的运算复杂度，经过CCS的仿真测试结果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的处理能力。在接口设计方面，搭载本声码器模块的通讯平台定义了如表1所示的接口管脚，其中VIN和VOUT分别连接到通讯平台的话筒和听筒上的输入和输出话音，PTT连接到话筒的按钮上，按下PTT表示请求通话。TXD和RXD分别是发送和接收的数字语音码流信号，RTS和CD分别是发送和接收码流指示，为低电平的时候表示码流有效。TXC为系统的同步时钟。在功耗方面，由于是手持式设备，要求采用低功耗设计，以延长电池的使用时间。另外，设计系统的安全性也是一个需要考虑的因素。

　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　表1 硬件平台接口信号定义

　　基于以上几项设计要求，以及以前设计的原型系统原理[7]，我们提出了一个基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的设计方案。[1] 5510A2是德州仪器公司的55系列DSP的最高端的产品，这个系列的DSP是特别针对手持式终端设备应用场合设计的，同等条件下其内核的功耗仅为54系列DSP的三分之一，而且具有更高的代码执行效率，其指令也与54系列的相互兼容，可以很方便的进行代码的移植。5510A2的最高数字信号的处理能力为200MIPS，能够很好的满足本平台对运算的要求。[6]MSP430F149是德州仪器生产的一款极低功耗的16位RISC结构的单片机，我们用他来做为主控芯片辅助DSP完成程序加载和系统加密的功能。图1给出了该硬件平台的总体框图。

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　图1 语音处理平台硬件结构总框图

　　如图所示，当PTT被按下则表示请求通话，话筒输入的模拟话音VIN通过一个放大电路放大之后输入语音CODEC芯片TLV320AIC11，TLV320AIC11内的模数转换器将其转换成16bit的线性PCM格式并通过DSP的McBSP0口传送到DSP内部接收语音缓冲区，DSP在缓冲区内的数据在积累到一定帧长之后启动编码算法编成特定码率的码流。编好的码流被送入另一发送比特流缓冲区缓冲。该缓冲区内的信号在同步时钟TXC的上升沿被送到MODEM的调制模块调制并发射出去。同时，DSP检测MODEM的CD信号，当CD信号有效（低电平）时，在同步时钟TXC的下降沿锁存RXD上的数据并送入DSP内的接收比特流缓冲区。当接收比特缓冲区内的数据积累到一定长度时，DSP启动解码程序将其解码成16bit的PCM语音。该语音通过McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11内的数模转换器将其转换成模拟的语音信号送入听筒。

　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图2 CODEC芯片和DSP、MCU的硬件连接

　　语音CODEC芯片和DSP、MCU的硬件连接图如图2所示，[5]TLV320AIC11是德州仪器公司生产的一款语音CODEC芯片，其片内集成了一个A/D和一个D/A模块，并且有内置的运算放大器，因此仅需要很少的部件就可以将无源话筒和听筒连接到AIC11上。同时，由于它可以和TI公司的DSP无缝连接。如图所示，本次设计中AIC11工作在主模式下（M/S=1），在这个模式下，芯片的采样率为SCLK脚输入的时钟频率的1/256。SCLK脚输入的时钟来源于MCU的P5.5，这个管脚是MCU的副时钟输出为MCU主时钟的1/4。由于MCU工作在4.096MHz，因此CODEC的采样频率为8KHz。AIC11以8KHz的频率在FS上发出同步脉冲，并在DOUT脚上将16bit的PCM数据流发送到DSP。同时从DIN管脚接收DSP发送过来的经过解码的16bit PCM语音。由于使用了AIC11，系统的使用“粘合逻辑”部件大大减小，从而有效的缩小了硬件电路板的面积。

2． 硬件系统加密设计

　　有效的保护知识产权是产品开发必须要考虑的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一种开放式的总线结构，因此别有用心的人可以通过JTAG接口和相应软件访问并分析DSP内部存储区的代码和数据，或者仅仅是直接导出并复制