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基于APD的紫外光语音通信系统设计王荣阳;袁永刚;李向阳【摘要】设计了一套基于雪崩光电二极管(APD)的紫外光语音通信系统,系统分为硬件电路、软件和光学系统三个部分.采用先进多带激励(AMBE)编码和开关键控(OOK)调制技术,使语音通信速率降低到2.5kb/s.实验表明,该系统在光功率仅为纳瓦量级时仍能完成实时语音通信,系统的研制对日盲APD的制造和应用具有现实的指导意义.%Based on the avalanche photodiode (APD), an UV speech communication system was established. The system consisted of three parts, which were hardware circuits, software and optical system. Advanced Multi-Band Excitation (AMBE) codec and On-off Keying (OOK) modulation scheme were adopted to com press the data rate as low as 2.5kb/s. The indoor experiment results indicated that real time NLOS speech communication could be implemented even the received optical power was only several nanowatt. The devel opment of UV speech communication system is of importance to the application and fabrication of solar-blind APD.【期刊名称】《光通信技术》【年(卷),期】2011(035)010【总页数】4页(P24-27)【关键词】紫外光通信;APD;AMBE2020;紫外LED【作者】王荣阳;袁永刚;李向阳【作者单位】中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所传感技术国家重点实验室,上海200083;中国科学院上海技术物理研究所中国科学院红外成像材料与器件重点实验室,上海200083【正文语种】中文【中图分类】TN929.120 引言紫外光通信是一种以大气对紫外光的散射和吸收为基础，以日盲波段（200～280nm）紫外光为载波，利用一定的编码和调制方式将信息加载在紫外光源上驱动其发出不同频率或者脉冲的光信号，在接收端配以高灵敏度探测器和解调、解码等电路实现信息传输的一种短距离（＜10km）、低速率的通信方式。
AMBE－1000 用户手册版本1.0南京梧桐微电子中心1. 概述根据对语音构成的分析，应运而生了多种对音频信号的压缩编码算法，如CELP、RELP、VSELP、MP-MLQ、LPC-10、MBE等，它们通过不同的算法，实现对音频信号的压缩。
这些压缩编码算法的压缩率、语音质量各有所长，其中美国DVSI（Digital Voice System Inc）公司提出的先进多带激励AMBE （Advanced Multi-Band Excitation）压缩编码算法是其中的杰出代表。
AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量语音压缩算法，具有语音音质好和编码速率低等优点，AMBE-1000是一款高性能多速率语音编码/解码芯片，语音编码解码速率可以在2400～9600bps之间以50bits的间隔变化，即使在2400bps的时候，仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。
在芯片内部有相互独立的语音编码单元和解码单元，可同时完成语音的编码和解码任务。
并且所有的编码和解码操作都能在芯片内部完成，不需要额外的存储器。
这些特性使它非常适合于数字语音通信、语音存储以及其它需要对语音进行数字处理的场合。
2. AMBE－1000应用设计的概述2.1 基本操作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，8bit A律，8bit u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采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。
输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit 线性的，8bit A律，8bit u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。
AMBEA算法及其实现方式在数字移动通信系统中, 语音编码部分是很重要的一个环节, 它的性能直接关系到整个移动通信系统的工作质量。
首先综述在以数字集群为代表的移动通信系统开发的背景下, 语音编码的概念、分类和发展情况, 并介绍目前世界上常见移动通信系统所用的语音编码方案, 从而明确语音编码算法的比较对象。
今天我就自己手头了解的一些知识对AMBE算法进行初步的概括：1.MBE算法的概念AMBE是基于MBE技术的低比特率、高质量的改进语音压缩算法, 该技术在低比特率压缩系统中能提供极优的语音质量, 却对指令执行速度和存储器容量的要求大大降低, 在背景噪声和信道误码方面也有极强的鲁棒性, 比基于线性预测编码的CELP、RELP、VESLP、LPC-10等要优越。
那么了解AMBE之前我们先来了解下MBE算法：MBE编码算法是用基音谐波处的谱抽样来表示短时谱，并且在谐波间隔频段上分别进行清/浊音判决。
合成端用一组正弦波合成谱,用噪声谱的傅立叶反变换来合成清音谱。
这种算法提出了一种由正弦模型引出的频域模型—多带激励模型。
MBE模型如图1所示。
首先按基音各谐波频率, 将一帧语音的频谱分成若干个谐波带,再以若干个谐波带为一组进行分带, 分别对各带进行清浊(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谱对于清音带, 则使用白噪声谱作为激励信号谱。
时变数字滤波器的作用是确定各谐波带的相对幅度和相位, 起到了将这种混合的激励信号谱映射成语音谱的作用。
这种模型使合成语音谱同原语音谱在细致结构上能够拟合得很好, 其合成端的语音质量必然较高。
2.AMBE算法实现形式2.1AMBE编码的基本方式AMBE 编码的基本方法为：首先将输入的每帧 160 个数字话音取样点分成交叠的段，经模型分析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 4.8kbps 的数据流发送。
【数字对讲技术】语音编解码芯片AMBE2000中文手册2012-05-16 18:13分享到：本文的TC2000为AMBE2000芯片的翻版，在功能上完全一致，芯片引脚为非PIN对pin兼容，本翻译文件为个人工作成果，在同事的协助下完成，可以作为设计参考，请重点参考AMBE2000的官网datasheet，如有疑问，欢迎交流！其中部分截图没有上传，请直接参考原版datasheet。
特性描述数字语音编码芯片TC2000是一个非常灵活、高性能、单芯片、的语音压缩编码芯片。
在低速率时仍能保持优质的语音质量。
它是能够实时的、全双工的语音压缩编码芯片。
TC2000具有多种编码速率选择和FEC（前向纠错）功能。
语音编码解码速率可以在2400～9600bps之间以50bps的间隔变化。
通常在错误率较高的通讯中，用户可以分摊比较高的比的率来进行FEC编码。
即使在2.0kbps/sec的时候，TC2000仍能保持自然的声音质量和语音可懂度。
TC2000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、8bit A律、8bit u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。
TC2000采用A/D-D/A芯片作为语音信号的接口。
输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的、8bit A律、8bit u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）、多种电源模式、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。
送往解码器用于控制的数据和语音数据是不同的。
功能特点Ø优质的语音质量Ø低成本Ø无需外部存储器件Ø可变的数据速率- 2.0 kbps to 9.6 kbpsØ可变的FEC速率- 50 bps to 7.2 kbpØ低功耗（65mW@3.3V，0.11mW深度休眠）Ø高质量的低数据速率语音编码Ø全双工Ø支持数据速率为2.0 kbps到960 kbps的增量在50bps Ø用户可选择前向纠错率Ø 16级软件判断译码Ø语音活动检测（VAD）/舒适噪音插入Ø 16ms回声消除Ø DTMF信号的检测和生成应用Ø卫星通信Ø数字移动无线电Ø安全通信Ø蜂窝电话和PCSØ语音复用Ø语音信箱Ø多媒体应用管脚信息图1 管脚信息管脚功能表1 管脚描述引脚号码引脚名称引脚方向功能49 CHANN_SEL1 Input 主机接口选择位使用这些bits 选择通道接口类型(帧、非帧、主动、被动)47 CHANN_SEL0 Input 同CHANN_SEL1一同选择主机接口 57 CODEC_SEL1 Input A/D-D/A 芯片配置引脚56 CODEC_SEL0 Input 46 RATE_SEL4 Input 编码速率选择Pins ：使用这些引脚来选择声音的编码速率和FEC 速率45 RATE_SEL3 Input 44 RATE_SEL2 Input 43 RATE_SEL1 Input 42 RATE_SEL0Input引脚号码 引脚名称引脚方向功能58 VAD_EN Input 语音激活检测使能引脚。
AMBE2000用户手册概述DVSI的AMBE2000声音编码器是一个非常灵活的，高性能功能的，独立的语音压缩编码器。
在低数码率的环境下它能提供比较好的声音质量。
在AMBE建立的声音压缩软件算法的标准下它提供了一个实时全双工的结果。
DVSI的获得的AMBE声音压缩专利技术已经被证明比CELP,RELP,VSELP,MELP,ECELP,MP-MLQ,LPC-10等等其他有竞争力的技术做的更好。
很多改进已经表现出它的能力能够达到半数据码率下的蜂窝系统的性能。
在世界范围内AMBE声音压缩算法被当成一个软件使用，包括下一代数字移动电话通信系统。
AMBE-2000声音编码器芯片在语音的选择和前向错误预测数据速率方面提供了一个高度的灵活性。
最终码率从2.0kbps到9.6kpbs内用户可以以50bps为数据增量设置参数。
通常对于较高出错码率通道，用户将分配一个速率的较高比例的部分给前向错误预测编码。
在速率低如 2.0kbits/sec时AMBE-2000声音编码器保留了自然的声音质量和声音的可理解性。
AMBE算法的低复杂性使它可以完全完整的组成一个低消耗，低能量完整芯片，那就是AMBE-2000声音编码芯片。
AMBE-2000提供了和AMBE-1000类似的特点，允许它能和已经为AMBE-1000设计好的系统合并成一体并且能和DVSI公司的其他产品一起使用（说白了就是和DVSI公司的其他产品有很好的兼容性）。
AMBE-2000提供了改良的性能比增强了比如在4.0kbps损耗通路中的语音质量还有前向错误预测卷积编码的模式。
出了这些增强的元素，AMBE-2000还利用了一个除了可变码率接口和FEC选择接口外的可控接口。
1.2优点较好的声音质量低消耗，无需外部记忆要求，消除少量的错误和后台噪声，可变的数码率，从2.0kbps到9.6kbps，可变的FEC速率从50bps到7.2kbps,非常低的功耗（在3.3V下65mW，深睡眠状态下11mW）使简单的芯片处理方法更紧密外貌高质量的低速率语音编码DVSI公司完整的两部分的AMBE的声音编码支持在2.0kbps至9.6kpbs以50bps增量的速率改变用户可以选择前向错误预测的编码速率工程项目解码16阶软判断解码声音的活动探测/平滑噪声干扰16毫秒回声消除分立的声音检和产生低能量模式极小的算法处理延时AMBE-2000的用户手册4.9多音双频的预测及在北美通话特色下的改进1.3典型的应用卫星通信数字无线电通信固定电话通信蜂窝电话和PCS声音的复用声音的传送多媒体应用、第二章2.1基本原理在它最简单的模式下，AMBE-2000可以看成是两个独立的原件组成的部分，编码器和译码器。
新型语音压缩编解码器AMBE20001 引言AMBE2000是一种高性能、低功耗的单片实时语音压缩解压芯片,其压缩率可在2kbps～9.6kbps范围内由软件调节,且具有FEC(前向纠错)、VAD(语音激活检测)功能和DTMF信号检测功能,因此可广泛应用于卫星通信、数字移动通信、保密通信、语音邮件等方面.2 引脚说明及特性参数AMBE2000的主要特性及参数如下:●具有高品质的语音质量;●压缩数据率可在2kbps～9.6kbps范围内用软件调节;●纠错率范围为50bps～7.2kbps;●具有VAD(语音激活检测)/CNI(插入舒适噪声)功能;●具有DTMF信号检测和产生功能;●电源电压:+3.3V;●工作温度范围:-40～+100℃;●采用100脚TQFP封装.表1 主机接口选择选择脚端口类型CH_SEL1 CH_SEL0主动有格式 0 0主动无格式 0 1被动有格式 1 0被动无格式 1 1表2 语音数据位选择(无格式)选择脚字中的语音数据位个数BA_SEL1 BA_SEL01 0 02 0 13 1 04 1 1AMBE2000的引脚说明如下:CHANN_SEL0～1(75,77)脚:主机接口类型选择端 具体操作见表1所列;BAUD_SEL0～1(80～81)脚:无格式语音数据位选择端 具体操作见表2所列RATE_SEL0～4(70～74)脚:语音压缩率与前向纠错率选择端 具体操作见表3所列;CODEC_SEL0～1(84～85)脚:A/D和D/A接口选择端口 具体操作见表4所列;表3 AMBE2000压缩数据率选择表管脚74 管脚73 管脚72 管脚71 管脚70 语音速率(bps) FEC速率(bps) 总数据率(bps)1 1 1 1 1 2000 0 20001 0 0 0 0 3600 0 36001 0 0 0 1 4000 0 40001 0 1 1 0 2400 1600 1 0 0 1 0 4800 0 48001 1 0 0 0 4000 800 1 0 1 1 1 3600 1200 1 1 0 0 1 2400 2400 1 0 0 1 1 6400 0 6400 1 1 0 1 0 4000 2400 1 1 0 1 1 4400 2800 7200 1 0 1 0 0 8000 0 80001 1 1 0 0 4000 4000 1 0 1 0 1 9600 0 96001 1 1 0 1 3600 6000 111124007200*注:压缩数据率也可通过控制字改变. 表4 A/D-D/A 硬件配置 A/D-D/A 类型CODEC_SEL1 CODEC_SEL0 普通16位线性(采样率8kHz)0 AD 公司AD73311(采样率32kHz) 0 1 普通μ律(采样率8kHz) 1 0 普通A 律(采样率8kHz)11VAD_EN(86)脚:使能语音激活检测功能端(高电平有效); ECHOCAN_EN(78)脚:使能回声消除功能端(高电平有效); SLEEP_EN(83)脚:休眠模式控制端口(高电平有效); SLIP_EN(82)脚:滑动模式控制端口(高电平有效); X2/CLKIN(68)脚:16.384MHz 时钟输入脚; X1(67)脚:内部振荡器输出; RESETN(69)脚:复位脚(低有效); EPR(20)脚:编码包就绪标志;SOFT_EN(79)脚:使能软件误码判断端口(高电平有效); CHAN_RX_DATA(32)脚:用于接收主机数据到AMBE2000; CHAN_TX_DATA(42)脚:用于将AMBE2000数据发送到主机; CHAN_RX_LK(28)脚:主机接收时钟; CHAN_TX_CLK(34)脚:主机发送时钟;CHAN_TX_STRB(38)脚:主机发送/接收帧同步脉冲; CHAN_RX_STRB(30)脚:主机接收帧同步脉冲端口; CODEC_RX_STRB(29)脚:A/D 帧同步脉冲接收端; CODEC_TX_STRB(37)脚:D/A 帧同步脉冲发送端口;CODEC_RX_DATA(31)脚:A/D 发送PCM 数据给AMBE2000; CODEC_TX_DATA(41)脚:AMBE2000发送PCM 数据到D/A; CODEC_RX_CLK(27)脚:A/D 时钟;CODEC_TX_CLK(33)脚:D/A 时钟;CLOCK_MODE(51)脚:时钟模式选择端口,该端口接高电平时选择晶体振荡模式;当接低电平时选择外部时钟);VDD(8,11,12,23,36,39,44,45,46,47,48,49,54,57,64,76,87,90脚):正电源; GND(1,9,10,25,26,35,40,50,52,53,56,63,65,88,89脚):接地端; 其余管脚:N.C,悬空不用. 3 主机接口及数据格式AMBE2000与主机的接口数据格式分为两种:一种是有格式;另一种是无格式. 3.1 有格式在有格式情况下,AMBE2000大约每20ms 生成一个压缩数据包,这个数据包共由24个字组成;数据包生成后,其EPR 管脚会输出一个短的负脉冲指示,依此来决定对数据包的处理.数据包的具体构成如下: 格式字0:固定为x13ECH,为数据包的头;格式字1:高8位用于芯片功率控制,0x00表示正常工作模式;0x55表示低功耗模式.低8位的位功能(高有效)如表5所列; 表5 格式字1格式 类型 7:MSB6 54 3 2 10:LSB输入 补丢失帧 NC NC NCNC NC 插入舒适噪声 NC输出 NCNC 解码帧重复 解码静默指示 NC NC 编码静默检测 编码DTMF 检测表6 格式字2-6格式 字2字3字4字5字6语音速率(bps) FEC 速率(bps) 总数据率(bps)0x0028 0x0000 0x0000 0x0000 0x6428 2000 0 2000 0x5048 0x0000 0x0000 0x0000 0x3948 3600 0 3600 0x5250 0x0000 0x0000 0x0000 0x4150 4000 0 40000x1030 0x0001 0x0000 0x34la 0x6750 2400 1600 0x5360 0x0000 0x0000 0x0000 0x6c60 4800 0 4800 0x5250 0x2010 0x0000 0x0000 0x7460 4000 800 0x5048 0x0001 0x0000 0x2412 0x6860 3600 1200 0x1030 0x0005 0x180c 0x3018 0x7360 2400 2400 0x6b80 0x0000 0x0000 0x0000 0x6c80 6400 0 6400 0x5250 0x0001 0x0000 0x542a 0x5280 4000 2400 0x5258 0x0009 0xle0c 0x4127 0x7390 4400 2800 7200 0x7fa0 0x0000 0x0000 0x0000 0x52a0 8000 0 8000 0x5250 0x0005 0x2010 0x6834 0x72a0 40000 4000 0x7fc0 0x0000 0x0000 0x0000 0x69c0 9600 0 9600 0x5048 0x000e 0x4010 0x6a2e 0x65c0 3600 6000 0x1030 0x000e 0x68la 0x511b 0x76c0 24007200格式字2～6:用于指定和表示芯片的压缩数据率,具体如表6所列;格式字7:该位在输入数据包中不用,因此,在设计时,应将其设置为0x0000;而在输出数据包中表示误码率;格式字8、9:不用,通常设置为0x0000;格式字10:高8位用于控制和表示DTMF信号的幅度,范围从3～-60dBm0(例如:0x03=3,0x00=0,0xC4=-60);低8位用于控制和检测DTMF信号,所发出和检测的信号为标准的北美呼叫音.DTMF代码见表7所列.表7 DTMF代码DTMF代码 DTMF数字 DTMF代码 DTMF数字0x80 1 0x84 20x88 3 0x81 40x85 5 0x89 60x82 7 0x86 80x8A 9 0x87 00x83 * 0x8B #0x8C A 0x8D B0x8E C 0x8F D0xFF DTMF无效表8 格式字11格式类型 7:MSB 6 5 4 3 2 1 0:LSB输入 NC NC 语音激活(1) NC 休眠(1) 回声消除(1) 编码/解码选择输出 NC NC NC NC 休眠(1) 回声消除(1) 编码/解码选择格式字11:高8位用于解码器音量控制,其中0x80表示原音量,0xFF为原音量的两倍,小于0x80为减小音量;低8位的功能如表8所列.其中编码/解码选择如下:00为编码+解码;01为编码;10为解码;11为不用;格式字12～23:压缩数据信息.根据数据率的不同,其数据位数也不相同.数据位数和压缩数据率的关系如下:位数=压缩数据率(bps)/50(bps)例如,在最低压缩率为2kbps时,数据位数为:2000/50=40位.3.2 无格式在无格式情况下,只需要发送数据位,但每秒会减少50bit的数据(与有格式情况相比),因而会降低语音质量.其每个字中包含的数据位数参见表2.每帧的字数和压缩数据率的关系如下:字数=[压缩数据率(bps)/50(bps)]/位数式中,所选的位数必须能被选择的压缩数据率整除.AMBE2000串口时钟速率最高为2.048MHz.。
