語音處理芯片AC48105在低速語音編碼設(shè)備中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：AC48105；DSP內(nèi)核；工作模式；語音壓縮編碼
AC48105是AudioCodes公司生產(chǎn)的一種專用語音處理芯片，它具有低比特率的語音壓縮編碼、解壓和傳真等多種功能，內(nèi)含５路相互獨立的復(fù)用信道，可以傳輸語音、傳真和數(shù)據(jù)信息。芯片內(nèi)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在低速語音編碼設(shè)備中通過配置ＤＳＰ內(nèi)核來實現(xiàn)語音壓縮和解壓功能的具體方法。
１ 主要性能
語音壓縮編碼是相對于６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ（脈沖編碼調(diào)制）常規(guī)語音編碼而言的。近年來，低比特率語音編碼的研究取得了較大的飛躍，目前甚至出現(xiàn)了速率在１ｋｂｐｓ左右的語音編碼算法。而專用語音處理芯片ＡＣ４８１０５能提供多種低比特率的語音編碼格式及服務(wù)，具體內(nèi)容如下：
●基于Ｇ．７２９（附Ａ）協(xié)議的８ｋｂｐｓ ＣＳ－ＡＣＥＬＰ語音編碼；
●基于Ｇ．７２３．１協(xié)議的６．３／５．３ｋｂｐｓ ＭＰ－ＭＬＱ語音編碼；
●基于Ｇ．７２６／Ｇ．７２７協(xié)議的１６～４０ｋｂｐｓ ＡＤＰＣＭ和Ｅ－ＡＤＰＣＭ語音編碼；
●基于Ｇ．７１１協(xié)議的６４ｋｂｐｓ μ律／Ａ律ＰＣＭ語音編碼；
●６．４、７．２、８．０、８．８、９．６ｋｂｐｓ的ＮｅｔＣｏｄｅｒ語音編碼；
●基于Ｇ．７２９（附Ｂ）協(xié)議的靜音抑制，包括語音激活檢測（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：
●可進行自動語音／傳真／數(shù)據(jù)切換；
●損毀封包自動修復(fù)；
●Ｇ．１６８／Ｇ．１６５的自適應(yīng)回聲抑制；
●帶有Ｅ＆Ｍ，ＡＢ，ＡＢＣＤ的接口；
●具有信道內(nèi)信號的傳輸（ＣＡＳ）功能；
●可對ＴＩＡ ４６４Ｂ ＤＴＭＦ信號進行檢測及再生；
●帶內(nèi)信號傳輸（ＩＢＳ），包括ＭＦ Ｒ１，Ｒ２，ＳＳ－４，ＳＳ－５，ＡＣ１５和呼叫過程；
●具有可編程音頻信號傳輸功能；
●可控制輸入、輸出增益；
●片內(nèi)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；
●可實時全雙工工作。
２ 芯片工作模式和命令
ＡＣ４８１０５的內(nèi)核是１６位的ＤＳＰ，其中固化了多種編碼操作。其ＤＳＰ內(nèi)核與外部主機的數(shù)據(jù)交換可通過８根復(fù)用的地址／數(shù)據(jù)總線來實現(xiàn)。ＡＣ４８１０５有如下四種工作模式：
（１） 重置和內(nèi)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(nèi)核下載模式
上電時，該模式啟動，當重置信號被激活(ＲＥＳＥＴ管腳箝制在低電平)時，其內(nèi)核代碼被下載到ＡＣ４８１０５中。
●編程下載模式
編程下載模式的啟動需同時滿足兩個條件，一是主機設(shè)置ＡＣ４８１０５中的ＨＰＩＣ寄存器，使ＨＩＮＴ信號變?yōu)楦唠娖?；二是?nèi)核下載成功。
編程下載結(jié)束時，芯片自動進入初始化模式。
●初始化模式及命令
處于該模式時，主機發(fā)出的命令對芯片每個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
| 命 令 名 稱 | 操作碼值（Opcode Value） | 信號（Signaling） |
| PCM命令 | 00h | 不相關(guān) |
| Run命令 | 01h | 不相關(guān) |
| Debug命令 | 03h | 不相關(guān) |
| MSIG命令 | 04h | 不相關(guān) |
| Extended Signal命令 | 06h | 僅當ES=1 |
| Call Progress命令 | 07h | 僅當ES=1 |
| 用戶自定義音頻命令 | 08h | 僅當ES=1 |
表2 初始化命令格式
| Frame Title(幀結(jié)構(gòu)） | Bit Number(位結(jié)構(gòu)） | |||||||||||||||
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
| Syns Header(同步頭） | 0 | ID（識別號） | AAh | |||||||||||||
| Command Header(命令頭） | Length(長度） | OPCode(操作碼） | ||||||||||||||
| Parameter 1(參數(shù)1） | ||||||||||||||||
| …… | ||||||||||||||||
| Parameter n（參數(shù)n) | ||||||||||||||||
| Checksum Footer(校驗和頁腳） | 0 | Sequence Number(序列號） | Checksum(校驗和) | |||||||||||||
每個命令都有一個同步頭ＡＡ ｈ。命令頭中，操作碼用來表示命令的類型，長度域則用于表明命令的字節(jié)數(shù)（１６進制）。
當主機發(fā)出Ｒｕｎ命令后，芯片就進入運行模式。
● 運行模式（包括閑置狀態(tài)和激活狀態(tài)）
芯片一旦進入該模式，所有的通道都被置為閑置狀態(tài)，此時主機便開始為每個通道設(shè)置運行參數(shù)。當某通道處在閑置狀態(tài)時，它所占有的時隙一般不會丟失。
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通道有效。
如果系統(tǒng)中有多個ＡＣ４８１０５芯片，主機必須依次對各芯片進行配置。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
| Frame Title（幀結(jié)構(gòu)） | Bit Number（位結(jié)構(gòu)） | |||||||||||||||
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
| Sync Header(同步頭） | 00h | AAh | ||||||||||||||
| Command Header(命令頭） | Length(長度) | OPCode(操作碼) | ||||||||||||||
| Parameter 1(參數(shù)1） | ||||||||||||||||
| …… | ||||||||||||||||
| Parameter[（Length-4)/2](參數(shù)（Length-4)/2]) | ||||||||||||||||
從閑置狀態(tài)進入激活狀態(tài)后，數(shù)據(jù)包將在每個幀間隙內(nèi)通過激活通道，在ＡＣ４８１０５和主機之間傳輸。對于語音傳輸來說，幀間隙長度由現(xiàn)行的語音編碼方式和數(shù)據(jù)包有效載荷的塊數(shù)決定。
３ 芯片與主機接口（ＨＰＩ）
ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是一個８位的并行接口，主機可以通過ＨＰＩ訪問語音芯片內(nèi)部的存儲器。由于語音芯片的內(nèi)核是１６－ｂｉｔ的處理器，因此，為了協(xié)調(diào)主機與ＡＣ４８１０５之間的數(shù)據(jù)傳送，ＨＰＩ會自動將來自片內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)由字轉(zhuǎn)換為兩個字節(jié)的形式，同樣它也會在向片內(nèi)存儲器寫入數(shù)據(jù)之前，將兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)壓縮成字的形式。ＨＰＩ可以訪問的片內(nèi)存儲器為２ｋＢ，地址為１０００Ｈ～１７ＦＦＨ，同時主機也可以通過ＨＰＩ訪問這些地址，有關(guān)地址的分配如表４所列。
表4 HPI地址分配
| 地 址 范 圍 | 寄存器/緩沖區(qū) | 寄存器內(nèi)容 |
| 1000 | 內(nèi)核下載緩沖 | - |
| 104B | 導(dǎo)入狀態(tài)寄存器 | 滿包=0，空包=1，校驗和錯誤=2 |
| 104C | 程序下載塊緩沖區(qū) | - |
| 166D | 存儲包數(shù)量緩沖區(qū) | 范圍為0-15 |
| 166E | 主機讀包狀態(tài)緩沖區(qū) | 滿包=0，空包=1 |
| 166F | 主機寫包狀態(tài)緩沖區(qū) | 滿包=0，空包=1 |
| 1670-1737 | 主機寫包緩沖區(qū) | |
| 1738-17FF | 主機寫包緩沖區(qū) |
實際上，ＨＰＩ只需對片內(nèi)存儲器的４個寄存器進行訪問即可，這四個寄存器分別是：控制寄存器，地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器，其中數(shù)據(jù)寄存器分為地址自動累加和地址不影響兩種。
４ 在數(shù)字程控交換機中的應(yīng)用
４．１ 系統(tǒng)簡介
低速語音編碼和數(shù)據(jù)交換設(shè)備能夠完成的功能主要是實現(xiàn)基于數(shù)字交換的３０路本地用戶通話；５～１４路局間語音交換、語音壓縮及復(fù)接、速率在６４ｋ、１２８ｋ、２５６ｋ可調(diào)、電話會議、全部話務(wù)員功能以及實現(xiàn)微機監(jiān)控等。該設(shè)備全部采用模塊化設(shè)計，按功能可以分為以下幾個模塊：交換及控制模塊、用戶電路模塊、語音壓縮及復(fù)接模塊和穩(wěn)壓電源及接口部分。各個模塊之間的關(guān)系如圖２所示。
４．２ 語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個獨立通道，對應(yīng)著５個時隙，這樣，３片芯片一共可以處理１５個時隙信號，分別對應(yīng)１５個中繼用戶信息。同時每片ＡＣ４８１０５還外帶一片ＳＲＡＭ，用于為其內(nèi)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(tǒng)中，主機采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２單片機，其中Ｐ０口作為數(shù)據(jù)／地址低８位復(fù)用；Ｐ２口作為地址的高８位使用，該設(shè)計只用到了Ａ８、Ａ９、Ａ１３、Ａ１４、Ａ１５；Ｐ１口的Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２分別用作三片語音壓縮芯片的復(fù)位信號，Ｐ１．３作為壓縮芯片的讀／寫復(fù)用信號。同時，壓縮芯片的分離讀信號和寫信號分別接單片機的讀、寫控制口（即Ｐ３口的Ｐ３．６和Ｐ３．７）。單片機可通過高位地址譯碼訪問三片語音芯片，具體操作為：在ＦＰＧＡ中將Ａ１５、Ａ１４和Ａ１３接３～８ 譯碼器，０００時選通語音芯片Ａ，００１時選通語音芯片Ｂ，０１０時選通語音芯片Ｃ。
采用的編碼協(xié)議為Ｇ．７２９。該協(xié)議中以１０ｍｓ為一個語音幀，每幀包含８０個樣本，這８０個樣本已經(jīng)不是普通的語音信號，而是一些ＣＥＬＰ模式的參數(shù)，包括線譜對、自適應(yīng)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(shù)進行編碼并傳輸之后，即可在譯碼器端，用于恢復(fù)激勵與合成濾波器的參數(shù)。這樣，在加電后，語音芯片開始加載其所需的兩個軟件程序代碼：內(nèi)核代碼（ｋｅｒｎｅｌ ｃｏｄｅ）和程序代碼（ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｄｅ），這兩個文件共占用１２２ｋ Ｂｙｔｅｓ的空間，可選一片Ａｔｍｅｌ的ＡＴ２８Ｃ０１０－１２８ｋ×８的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器來存儲，對Ｅ２ＰＲＯＭ的訪問可通過Ａ１５、Ａ１４、Ａ１３的譯碼和單片機的讀信號來得到。值得注意的是，單片機對Ｅ２ＰＲＯＭ的尋址必須順序執(zhí)行，兩個軟件按順序從Ｅ２ＰＲＯＭ的首地址開始放置，當兩個軟件順序下載到一片語音芯片之后，在ＦＰＧＡ的內(nèi)部將產(chǎn)生一個硬件清零，從而使Ｅ２ＰＲＯＭ的地址指針再次指向首地址處，以用于下一片語音芯片的下載。在對３片ＡＣ４８１０５進行正確加載后，單片機開始配置其工作狀態(tài)，而后執(zhí)行壓縮／解壓操作。由于每片語音芯片的內(nèi)部只能存放１５包數(shù)據(jù)，即每路通道有３包數(shù)據(jù)，每包代表１０ｍｓ的語音幀，因此單片機需要在足夠有效的時間段里依次輪詢?nèi)Z音芯片，否則就會出現(xiàn)漏包而造成較大的數(shù)據(jù)流失。所以，單片機與３片語音芯片的數(shù)據(jù)交換需要一個緩沖區(qū)。本系統(tǒng)中，這個緩沖區(qū)由ＦＰＧＡ內(nèi)部的雙口ＲＡＭ來完成，雙口ＲＡＭ寫入與讀出數(shù)據(jù)的時鐘可以不相同，這樣可保證寫入與讀出數(shù)據(jù)時相互不受影響。
當在閑置態(tài)運行激活命令時，語音芯片就進入激活態(tài)，此時語音芯片開始和單片機進行數(shù)據(jù)交換。在Ｇ．７２９協(xié)議下，每包數(shù)據(jù)代表１０ｍｓ的語音數(shù)據(jù)（稱為一個語音幀），一共８０Ｂｙｔｅｓ，當單片機向語音芯片寫入待壓縮數(shù)據(jù)時，需要在每個語音幀的幀頭加１６Ｂｙｔｅｓ的命令頭，中間是語音數(shù)據(jù)，末尾還要加上０～４Ｂｙｔｅｓ的后綴。反之，當單片機從語音芯片中取出已解壓的數(shù)據(jù)時，每個語音幀的幀頭也有由語音芯片的ＤＳＰ內(nèi)核產(chǎn)生的１６Ｂｙｔｅｓ狀態(tài)頭，緊接狀態(tài)頭的是語音數(shù)據(jù)，末尾是０～４Ｂｙｔｅｓ的后綴。
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