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                        Home > 電話會議新聞動態 > 技術文檔 > 數字化全雙工語音會議電路

                        數字化全雙工語音會議電路

                        2014/07/25 Tang

                        “語音會議”常被稱為“電話會議”,但電話會議只是語音會議的形式之一。實際上,語音會議的用戶終端并不限于電話機,也可以是調度機、會議機、指揮機等各種通信設備的語音終端;語音會議的通信網絡也并不限于普通的二線制PSTN電話網絡,還可以是四線制的語音網絡、專用的無線通信網絡或者有線/無線結合的綜合通信網絡。

                        在語音會議中,每個與會者都可以收聽會議,但不一定能夠發言。如果與會者要通過申請才能發言,那么習慣上稱其為“半雙工”語音會議。要申請發言,并不是一件方便的事。因為既然是半雙工,與會者在自己的終端上說話會議是聽不到的,他要么再用別的通信設備來向會議主持者提出他的發言請求,要么就只能在自己的終端上通過語音以外的方式來發出申請,如拍打叉簧開關或按雙音多頻撥號鍵來發出信號等。

                        如果每個與會者除了能夠收聽會議外,還可以自由發言,那么就是“全雙工”語音會議。這里的“自由”是指電路上能夠讓與會者的語音隨時發出供大家收聽,至于會議規則是允許或是禁止某個用戶在某個時段發言則另當別論。顯然,全雙工會議更方便,更有效率。但全雙工會議的電路要復雜得多,尤其是較大門次(32門以上)的全雙工語音會議。
                          

                          語音會議的實現方法

                        無論是哪種語音會議,主要采用的都是語音求和技術。實現方法是把所有發言者的語音信號求和后發送給各個有權收聽的與會者,但每路都不能接收自己發送的語音,以避免自發自收的反饋信號造成回聲嘯叫。在最簡單的情況下,每個與會者的收聽權是相等的,如果這時每路的收發語音已分離(四線制或經過了二/四線變換),那么有兩種實現方法:一種是把除本路以外的n-1路(n為會議用戶數)發送語音求和后送給本路接收,用模擬語音電路來實現時需要用到n個n-1路的語音加法器;另一種方法是把全部的發言都相加后減去某個用戶的發言再發送給這個用戶,用模擬電路時需要用到1個n路的加法器和n個2路的減法器。每個加/減法器的模擬電路都可以用運算放大器和若干個電阻來實現。第二種方法由于求和的路數少,雖然多用1個運放,卻可少用許多電阻和連線。但用第二種方法時,如果模擬減法器的增益沒有調到使本路語音完全被抵消,就會產生收發串音。

                        在模擬式語音會議電路中,如果需要視情況決定是否接受每個與會者的發言申請,那么還要增加模擬開關來控制每路語音是否參加求和運算。

                        當開關數量多時,還必須加入譯碼電路來分別選通這些開關。由于不得不使用大量運放、電阻、模擬開關、譯碼器及信號線和控制線,使得大門次的模擬式語音會議電路變得十分煩瑣復雜,集成度低,功耗大。

                        如果語音會議系統建立在PCM/TDM(脈沖編碼調制/時分多路復用)數字交換平臺上,這時處理的是數字化了的語音信號,一般可用ASIC(特定用途集成電路)器件來實現數字化語音會議功能, 如Zarlink公司的MT8924、ST公司的M34116等芯片。ASIC器件使用方便、成本低,但通常只能處理1幀PCM信號中32個時隙的語音。如果要實現大門次的全雙工會議,就只有把多片這類器件組合起來復用,為此還得再配上時隙交換芯片(如MT8980等)來調整各路信號的時隙關系、增加譯碼電路來分別選通各片器件。這一來電路的復雜度又增加了,而且功能更改困難。

                        相比之下,FPGA技術能夠提供一個集成度更高、更靈活的解決方案。FPGA的優勢在于,能夠輕易地在其芯片內設計和配置出大量并行工作的加/減法器,來處理多路語音信號。FPGA片內的加/減法器是純硬件結構,能夠相當精確地設計其語音輸出入信號的時序關系,并可通過EDA軟件準確地預測和仿真電路的實時特性。這對于語音之類實時性要求很高的信號來說是十分重要的。FPGA成本低廉,用來實現全雙工語音會議功能時,除配置芯片外不需要再加其它外圍芯片,十分接近于單芯片的解決方案。
                          

                          基于FPGA的全雙工語音會議電路

                        圖1即為基于FPGA的數字化全雙工語音會議電路的原理框圖。

                        圖1中間框內的電路全部由一片FPGA芯片來實現。模擬語音信號通過PCM編碼器成為串行數字語音信號送入FPGA芯片。PCM語音編碼以32個時隙組成1幀,每路語音占用1個時隙。為了發揮FPGA并行處理信號的長處,把輸入語音信號每32路作為1組,經編碼后成為1幀PCM信號,FPGA對各幀信號進行并行處理。例如輸入是128路語音時,FPGA就同時處理4幀PCM信號。經FPGA處理后的信號最終仍然分幀輸出,經PCM解碼器后還原為模擬語音。圖中為了說明信號流程把PCM編碼器和解碼器分開來畫,實際上編解碼器是集成于同一芯片內的。

                        以下簡要說明FPGA內各電路模塊的功能:

                        串行/并行轉換電路

                        輸入到FPGA的串行PCM信號通過該電路將每時隙8比特的串行數據轉換成8位的并行信號,然后暫存在用FPGA片內RAM資源設計成的雙端口存儲器中。雙端口存儲器的另一端按要求的時序依次輸出各并行數據,供后續處理。

                        A律碼/線性碼轉換電路

                        本部分電路完成8位A律PCM碼到13位線性碼的轉換,以便隨后對語音進行線性運算。轉換電路用AHDL語言編寫。在每幀的125μs時間內32路PCM語音信號分時使用本電路,因此每32路可共用1個碼型轉換電路。

                        靜噪門限控制電路

                        全雙工會議的發言通道向每個與會者敞開,雖然同時發言的用戶總是少數,但任何一路即使不發言也會產生噪聲。如果所有的輸入噪聲都被迭加求和后放出,將嚴重影響會議效果。因此,必須對每路輸入語音實施靜態噪聲控制。噪聲控制的原理是設置一個門限值,當輸入信號的幅度低于門限值則認為是噪聲拒絕其通過,高于門限則認為是語音而放行。但某些突發噪聲也可能在短時間的幅度高于門限值,語音中也會有幅度比噪聲更小的有用信號或短暫的無聲停頓。因此,靜噪門限電路還應該具有“前延時”功能以阻擋短促的突發噪聲,具有“后延時”功能以防止話音斷續。

                        幀加法器

                        通過前面電路的處理,每幀PCM信號已經轉換成了32路分時的13位并行線性碼,每路信號的持續時間是3.9μs。幀加法器的作用是累加這32路信號,其單元電路如圖2。

                        圖2 中加法器add_sub在每幀起始時被frame信號清零。隨后在第1個3.9μs時間內,第1路線性碼的低12位數據l[11..0]送入加法器,符號位l12則用來控制加或減。加法器的輸出ds[11..0]反饋回來,在第2個3.9μs周期里和第2路信號相加,其和再反饋回來和第3路信號相加。如此在1幀時間里完成全幀32路語音信號的求和運算。

                        在多路語音信號相加時,如果求和所得信號溢出,語音將產生限幅失真。為解決這一問題,用雙向計數器carry_counter來擴展“和”的動態范圍。用a/c_clock信號的上升沿執行加/減法操作、下降沿執行進/退位操作。采用這一技術比簡單地增加加法器的數據寬度節省芯片的邏輯資源。通常carry_counter用4位計數器就夠了。

                        summing_enable信號用來允許/禁止某路語音參加求和。如果要禁止某路發言,當加法器對該路數據求和時,使summing_enable為低即可。

                        求和后的線性碼ds[11..0]和進/退位信號ds[15..12]在每幀結束時被sum_latch信號鎖存,然后在sum_out信號有效時輸出。

                        全局加法器

                        來自各個幀加法器的輸出分時選通三態總線,相繼送入全局加法器,在全局加法器里累加所有各幀的信號。從全局加法器輸出的“和”信號就包括了所有與會者的發言。全局加法器的電路設計類似于幀加法器。

                        本路減法器和延時電路

                        本路減法器由32路信號分時共用,從全部“和”信號中減去一路信號再輸出到該路,這路就收到了除自己以外的所有其它與會者的發言。但是由于兩次累加過程,“和”信號已經產生了兩幀時間的延遲,因此必須把擬減去的本路信號先做相同的延時,然后再相減。只要在前面的累加過程中沒有產生限幅失真,本路信號就能夠被精確地減除掉。

                        線性碼/A律碼轉換電路

                        從本路減法器輸出的仍是線性碼,通過本模塊轉換回A律編碼。該轉換電路也是1幀32路信號分時共用的。

                        并行/串行轉換電路

                        最后把運算完畢的并行信號轉換成符合PCM時序要求的串行信號,即可輸出給PCM解碼器,得到供各用戶收聽的語音會議信號。

                        時序發生器
                        時序發生器外接16.384MHz的有源晶振,導出3組同步的時鐘信號:FPGA內各邏輯處理電路的時序信號、FPGA和外部處理器接口的時序信號、PCM編解碼器的時鐘信號。

                        外部處理器接口

                          本接口通過地址、數據、控制三組總線連接到FPGA片外的單片機或嵌入式計算機。通過本接口,外部處理器可以設定和選擇FPGA的功能,如禁止某路發言或收聽等。
                        如把數據和控制總線設計成雙向的,還可以讀取到FPGA內各路用戶的語音狀態信息。
                          
                          

                        設計結果

                        以上電路用Altera公司的QuartusⅡ 5.1版軟件進行設計、仿真和下載編程,選用的FPGA是Altera公司Cyclone系列的EP1C6 T144芯片。本設計的關鍵是各路信號處理流程中的時序關系必須嚴格符合PCM信號的時序要求,否則會影響語音質量。為此要認真進行電路波形的仿真,還要保證所有波形去除掉“毛刺”使電路能穩定工作。設計完成后對32路、128路等全雙工語音會議進行了實際電路的制作和實驗,試聽語音會議的音質優良,效果完全達到設計要求。

                        依據上述設計原理,對電路做些改變,還能夠進一步擴展語音會議的功能,如分組會議、調度會議、通播會議等。

                        全雙工語音會議,電話會議

                        如沒特殊注明,文章均為好會通科技原創,轉載請注明來自 http://www.nuansatogel.com/archives/3795.htm.
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