語(yǔ)音處理芯片AC48105在低速語(yǔ)音編碼設備中的應用

關(guān)鍵詞：AC48105；DSP內核；工作模式；語(yǔ)音壓縮編碼

AC48105是AudioCodes公司生產(chǎn)的一種專(zhuān)用語(yǔ)音處理芯片，它具有低比特率的語(yǔ)音壓縮編碼、解壓和傳真等多種功能，內含５路相互獨立的復用信道，可以傳輸語(yǔ)音、傳真和數據信息。芯片內核為１６位的DSP，其中固化有芯片本身所提供的各種編碼操作格式。文中將主要介紹AC48105在低速語(yǔ)音編碼設備中通過(guò)配置ＤＳＰ內核來(lái)實(shí)現語(yǔ)音壓縮和解壓功能的具體方法。

１ 主要性能

語(yǔ)音壓縮編碼是相對于６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ（脈沖編碼調制）常規語(yǔ)音編碼而言的。近年來(lái)，低比特率語(yǔ)音編碼的研究取得了較大的飛躍，目前甚至出現了速率在１ｋｂｐｓ左右的語(yǔ)音編碼算法。而專(zhuān)用語(yǔ)音處理芯片ＡＣ４８１０５能提供多種低比特率的語(yǔ)音編碼格式及服務(wù)，具體內容如下：

●基于Ｇ．７２９（附Ａ）協(xié)議的８ｋｂｐｓ ＣＳ－ＡＣＥＬＰ語(yǔ)音編碼；

●基于Ｇ．７２３．１協(xié)議的６．３／５．３ｋｂｐｓ ＭＰ－ＭＬＱ語(yǔ)音編碼；

●基于Ｇ．７２６／Ｇ．７２７協(xié)議的１６～４０ｋｂｐｓ ＡＤＰＣＭ和Ｅ－ＡＤＰＣＭ語(yǔ)音編碼；

●基于Ｇ．７１１協(xié)議的６４ｋｂｐｓ μ律／Ａ律ＰＣＭ語(yǔ)音編碼；

●６．４、７．２、８．０、８．８、９．６ｋｂｐｓ的ＮｅｔＣｏｄｅｒ語(yǔ)音編碼；

●基于Ｇ．７２９（附Ｂ）協(xié)議的靜音抑制，包括語(yǔ)音激活檢測（ＶＡＤ）和舒適噪音發(fā)生器（ＣＮＧ）；

圖1

●基于Ｇ．７２３．１（附Ａ）協(xié)議的ＶＡＤ和ＣＮＧ靜音抑制。

ＡＣ４８１０５的主要特性有：

●可進(jìn)行自動(dòng)語(yǔ)音／傳真／數據切換；

●損毀封包自動(dòng)修復；

●Ｇ．１６８／Ｇ．１６５的自適應回聲抑制；

●帶有Ｅ＆Ｍ，ＡＢ，ＡＢＣＤ的接口；

●具有信道內信號的傳輸（ＣＡＳ）功能；

●可對ＴＩＡ ４６４Ｂ ＤＴＭＦ信號進(jìn)行檢測及再生；

●帶內信號傳輸（ＩＢＳ），包括ＭＦ Ｒ１，Ｒ２，ＳＳ－４，ＳＳ－５，ＡＣ１５和呼叫過(guò)程；

●具有可編程音頻信號傳輸功能；

●可控制輸入、輸出增益；

●片內帶有ＰＣＭ的高速接口，可支持Ｔ１，Ｅ１和Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅ１格式；

●具有并行主機處理器接口；

●可實(shí)時(shí)全雙工工作。

２　芯片工作模式和命令

ＡＣ４８１０５的內核是１６位的ＤＳＰ，其中固化了多種編碼操作。其ＤＳＰ內核與外部主機的數據交換可通過(guò)８根復用的地址／數據總線(xiàn)來(lái)實(shí)現。ＡＣ４８１０５有如下四種工作模式：

（１） 重置和內核下載模式（Ｒｅｓｅｔ／Ｋｅｒｎｅｌ Ｄｏｗｎ-ｌｏａｄ Ｍｏｄｅ）；

（２） 編程下載模式?Ｐｒｏｇｒａｍ Ｄｏｗｎｌｏａｄ Ｍｏｄｅ?；

（３） 初始化模式?Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ?；

（４） 運行模式（包括閑置狀態(tài)和激活狀態(tài)）（Ｒｕｎ Ｍｏｄｅ（Ｉｄｌｅ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｔａｔｅ））。

上述四種模式一起組成了芯片完整的操作流程。圖１是其工作模式序列圖。

●重置和內核下載模式

上電時(shí)，該模式啟動(dòng)，當重置信號被激活(ＲＥＳＥＴ管腳箝制在低電平)時(shí)，其內核代碼被下載到ＡＣ４８１０５中。

●編程下載模式

編程下載模式的啟動(dòng)需同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件，一是主機設置ＡＣ４８１０５中的ＨＰＩＣ寄存器，使ＨＩＮＴ信號變?yōu)楦唠娖?；二是內核下載成功。

編程下載結束時(shí)，芯片自動(dòng)進(jìn)入初始化模式。

●初始化模式及命令

處于該模式時(shí)，主機發(fā)出的命令對芯片每個(gè)通道的初始化模式均有效。其主要的初始化命令及命令格式分別如表１、表２所列。

表1 主要初始化命令

表2 初始化命令格式

每個(gè)命令都有一個(gè)同步頭ＡＡ ｈ。命令頭中，操作碼用來(lái)表示命令的類(lèi)型，長(cháng)度域則用于表明命令的字節數（１６進(jìn)制）。

當主機發(fā)出Ｒｕｎ命令后，芯片就進(jìn)入運行模式。

● 運行模式（包括閑置狀態(tài)和激活狀態(tài)）

芯片一旦進(jìn)入該模式，所有的通道都被置為閑置狀態(tài)，此時(shí)主機便開(kāi)始為每個(gè)通道設置運行參數。當某通道處在閑置狀態(tài)時(shí)，它所占有的時(shí)隙一般不會(huì )丟失。

與初始化模式不同的是，運行模式中的命令都只是針對單個(gè)通道有效。

如果系統中有多個(gè)ＡＣ４８１０５芯片，主機必須依次對各芯片進(jìn)行配置。表３所列為閑置狀態(tài)的命令格式。

表3 閑置狀態(tài)命令格式

從閑置狀態(tài)進(jìn)入激活狀態(tài)后，數據包將在每個(gè)幀間隙內通過(guò)激活通道，在ＡＣ４８１０５和主機之間傳輸。對于語(yǔ)音傳輸來(lái)說(shuō)，幀間隙長(cháng)度由現行的語(yǔ)音編碼方式和數據包有效載荷的塊數決定。

３　芯片與主機接口（ＨＰＩ）

ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是一個(gè)８位的并行接口，主機可以通過(guò)ＨＰＩ訪(fǎng)問(wèn)語(yǔ)音芯片內部的存儲器。由于語(yǔ)音芯片的內核是１６－ｂｉｔ的處理器，因此，為了協(xié)調主機與ＡＣ４８１０５之間的數據傳送，ＨＰＩ會(huì )自動(dòng)將來(lái)自片內存儲器的數據由字轉換為兩個(gè)字節的形式，同樣它也會(huì )在向片內存儲器寫(xiě)入數據之前，將兩個(gè)字節的數據壓縮成字的形式。ＨＰＩ可以訪(fǎng)問(wèn)的片內存儲器為２ｋＢ，地址為１０００Ｈ～１７ＦＦＨ，同時(shí)主機也可以通過(guò)ＨＰＩ訪(fǎng)問(wèn)這些地址，有關(guān)地址的分配如表４所列。

表4 HPI地址分配

實(shí)際上，ＨＰＩ只需對片內存儲器的４個(gè)寄存器進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)即可，這四個(gè)寄存器分別是：控制寄存器，地址寄存器和數據寄存器，其中數據寄存器分為地址自動(dòng)累加和地址不影響兩種。

４ 在數字程控交換機中的應用

４．１ 系統簡(jiǎn)介

低速語(yǔ)音編碼和數據交換設備能夠完成的功能主要是實(shí)現基于數字交換的３０路本地用戶(hù)通話(huà)；５～１４路局間語(yǔ)音交換、語(yǔ)音壓縮及復接、速率在６４ｋ、１２８ｋ、２５６ｋ可調、電話(huà)會(huì )議、全部話(huà)務(wù)員功能以及實(shí)現微機監控等。該設備全部采用模塊化設計，按功能可以分為以下幾個(gè)模塊：交換及控制模塊、用戶(hù)電路模塊、語(yǔ)音壓縮及復接模塊和穩壓電源及接口部分。各個(gè)模塊之間的關(guān)系如圖２所示。

４．２ 語(yǔ)音壓縮模塊的工作原理和工作流程

該模塊使用了３片ＡＣ４８１０５芯片，每片芯片可配置成５個(gè)獨立通道，對應著(zhù)５個(gè)時(shí)隙，這樣，３片芯片一共可以處理１５個(gè)時(shí)隙信號，分別對應１５個(gè)中繼用戶(hù)信息。同時(shí)每片ＡＣ４８１０５還外帶一片ＳＲＡＭ，用于為其內部的ＤＳＰ運算提供所需的空間，但主機對ＳＲＡＭ不做額外地控制。

本系統中，主機采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２單片機，其中Ｐ０口作為數據／地址低８位復用；Ｐ２口作為地址的高８位使用，該設計只用到了Ａ８、Ａ９、Ａ１３、Ａ１４、Ａ１５；Ｐ１口的Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２分別用作三片語(yǔ)音壓縮芯片的復位信號，Ｐ１．３作為壓縮芯片的讀／寫(xiě)復用信號。同時(shí)，壓縮芯片的分離讀信號和寫(xiě)信號分別接單片機的讀、寫(xiě)控制口（即Ｐ３口的Ｐ３．６和Ｐ３．７）。單片機可通過(guò)高位地址譯碼訪(fǎng)問(wèn)三片語(yǔ)音芯片，具體操作為：在ＦＰＧＡ中將Ａ１５、Ａ１４和Ａ１３接３～８ 譯碼器，０００時(shí)選通語(yǔ)音芯片Ａ，００１時(shí)選通語(yǔ)音芯片Ｂ，０１０時(shí)選通語(yǔ)音芯片Ｃ。

采用的編碼協(xié)議為Ｇ．７２９。該協(xié)議中以１０ｍｓ為一個(gè)語(yǔ)音幀，每幀包含８０個(gè)樣本，這８０個(gè)樣本已經(jīng)不是普通的語(yǔ)音信號，而是一些ＣＥＬＰ模式的參數，包括線(xiàn)譜對、自適應碼本延遲、基音延遲奇偶性、固定碼本指標、固定碼本符號、碼本增益（第１級）、碼本增益（第２級）等，對這些參數進(jìn)行編碼并傳輸之后，即可在譯碼器端，用于恢復激勵與合成濾波器的參數。這樣，在加電后，語(yǔ)音芯片開(kāi)始加載其所需的兩個(gè)軟件程序代碼：內核代碼（ｋｅｒｎｅｌ ｃｏｄｅ）和程序代碼（ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｄｅ），這兩個(gè)文件共占用１２２ｋ Ｂｙｔｅｓ的空間，可選一片Ａｔｍｅｌ的ＡＴ２８Ｃ０１０－１２８ｋ８的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器來(lái)存儲，對Ｅ２ＰＲＯＭ的訪(fǎng)問(wèn)可通過(guò)Ａ１５、Ａ１４、Ａ１３的譯碼和單片機的讀信號來(lái)得到。值得注意的是，單片機對Ｅ２ＰＲＯＭ的尋址必須順序執行，兩個(gè)軟件按順序從Ｅ２ＰＲＯＭ的首地址開(kāi)始放置，當兩個(gè)軟件順序下載到一片語(yǔ)音芯片之后，在ＦＰＧＡ的內部將產(chǎn)生一個(gè)硬件清零，從而使Ｅ２ＰＲＯＭ的地址指針再次指向首地址處，以用于下一片語(yǔ)音芯片的下載。在對３片ＡＣ４８１０５進(jìn)行正確加載后，單片機開(kāi)始配置其工作狀態(tài)，而后執行壓縮／解壓操作。由于每片語(yǔ)音芯片的內部只能存放１５包數據，即每路通道有３包數據，每包代表１０ｍｓ的語(yǔ)音幀，因此單片機需要在足夠有效的時(shí)間段里依次輪詢(xún)三片語(yǔ)音芯片，否則就會(huì )出現漏包而造成較大的數據流失。所以，單片機與３片語(yǔ)音芯片的數據交換需要一個(gè)緩沖區。本系統中，這個(gè)緩沖區由ＦＰＧＡ內部的雙口ＲＡＭ來(lái)完成，雙口ＲＡＭ寫(xiě)入與讀出數據的時(shí)鐘可以不相同，這樣可保證寫(xiě)入與讀出數據時(shí)相互不受影響。

當在閑置態(tài)運行激活命令時(shí)，語(yǔ)音芯片就進(jìn)入激活態(tài)，此時(shí)語(yǔ)音芯片開(kāi)始和單片機進(jìn)行數據交換。在Ｇ．７２９協(xié)議下，每包數據代表１０ｍｓ的語(yǔ)音數據（稱(chēng)為一個(gè)語(yǔ)音幀），一共８０Ｂｙｔｅｓ，當單片機向語(yǔ)音芯片寫(xiě)入待壓縮數據時(shí)，需要在每個(gè)語(yǔ)音幀的幀頭加１６Ｂｙｔｅｓ的命令頭，中間是語(yǔ)音數據，末尾還要加上０～４Ｂｙｔｅｓ的后綴。反之，當單片機從語(yǔ)音芯片中取出已解壓的數據時(shí)，每個(gè)語(yǔ)音幀的幀頭也有由語(yǔ)音芯片的ＤＳＰ內核產(chǎn)生的１６Ｂｙｔｅｓ狀態(tài)頭，緊接狀態(tài)頭的是語(yǔ)音數據，末尾是０～４Ｂｙｔｅｓ的后綴。