新型聲碼器CMX638及其應(yīng)用設(shè)計(jì)

摘要：介紹一款高性能語音聲碼器CMX638及其應(yīng)用電路設(shè)計(jì)，簡述CMX638的主要特性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和控制原理。
CMX638配置靈活，集成模擬輸入/輸出通道，能直接采集模擬語音信號(hào)，或者與片外A／D或D／A轉(zhuǎn)換器配合使用，實(shí)
現(xiàn)全雙工的語音壓縮編解碼，在超低壓縮速率下達(dá)到長途話音質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：語音壓縮；幀格式；前向糾錯(cuò)；編解碼；CMX638

l 引言
    語音編解碼技術(shù)的迅速發(fā)展，使中低速率語音編碼技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代移動(dòng)通信。初期的脈沖編碼調(diào)制PCM方案傳輸速率為64 Kb/s，占用的頻帶寬，成本高。在實(shí)際通信中，有些信道難以擴(kuò)展且質(zhì)量差，而有些信道正廣泛使用，短期內(nèi)難以更新；有些昂貴的信道，壓縮每一個(gè)比特都意味著節(jié)省成本。如何在較窄的帶寬內(nèi)傳送更多的語音數(shù)據(jù)，這就要求利用各種壓縮編碼技術(shù)來擴(kuò)大通信容量。因此，這里給出了基于新型語音編碼器CMX638的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。

2 CMX638簡介
    CMX638是一款高集成，高性能全雙工語音編解碼器，采用魯棒的先進(jìn)低復(fù)雜性波形插入技術(shù)，提供超低位速率下長話級(jí)音質(zhì)性能，且具有FEC(前向糾錯(cuò))、SDD(軟決策解碼)、DTX(非連續(xù)發(fā)送檢測)、VAD(語音激活檢測)、CNG(舒適噪聲發(fā)生)、STD和DTMF信號(hào)檢測功能。因此，該語音編解碼器可廣泛用于語音存儲(chǔ)和回放、VoIP、數(shù)字PMR／LMR、再生數(shù)字語音中繼等領(lǐng)域。
2．1 主要特性
    CMX638具有以下主要特性：長話級(jí)音質(zhì)魯棒先進(jìn)的低復(fù)雜性波形插入編碼算法：多種壓縮速率模式則為2 050 b／s，2 400 b／s、2 750 b／s或3 600 b／s(帶FEC功能)；集成16位A/D和D／A轉(zhuǎn)換器、模擬增益放大器和數(shù)字低通濾波器：數(shù)據(jù)包壓縮時(shí)間長度分20 ms，40 ms，60 ms和80 ms；具有VAD、CNG、STD和DTMF功能；+1.8 V和+3.3 V雙電源供電：采用48引腳LQFP(L4)和48引腳VQFN(Q3)封裝；工作溫度范圍為-40℃～+85℃。
2．2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
    CMX638的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括模擬和數(shù)字兩部分，加圖1所示。當(dāng)端口CSEL輸入低電平時(shí)，即選擇使用外部語音解碼器(CODEC)，可通過串行接口SSP與外部器件交換數(shù)據(jù)，編碼器和解碼器選擇片外CODEC的數(shù)據(jù)通道，端口EEC和REC輸出分別使能和復(fù)位片外的CODEC；當(dāng)CSEL輸入高電平時(shí)，CMX638選用內(nèi)部CODEC模塊，該模塊包括輸入／輸出通道的可編程增益放大器(PGA)，16位PCM A／D和D／A轉(zhuǎn)換器以及通帶頻率為4 kHz的低通濾波器，可有效實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)及數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的過程。主機(jī)通過控制總線C-BUS接口配置內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)不同功能；端口SYNC使主機(jī)與CMX638同步；語音壓縮編碼器將源信號(hào)壓縮成低比特率的數(shù)據(jù)幀，解碼器把數(shù)據(jù)幀解壓縮，恢復(fù)源信號(hào)；如果使用FEC功能，開關(guān)則選擇前向糾錯(cuò)編碼器和解碼器，兩者加入到數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮過程中：STD／DTMF管理模塊提供語音信號(hào)的特殊處理功能，實(shí)現(xiàn)單音或雙音檢測，提高語音壓縮和解壓質(zhì)量。

2．3 與AMBE2000相比較
    與同類競爭產(chǎn)品語音壓縮編解碼器件AMBE2000相比CMX638具有以下特點(diǎn)：采用RALCWI算法，速度快，質(zhì)量好且結(jié)構(gòu)簡單；片內(nèi)集成增益放大器，A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，低通濾波器，能夠直接處理模擬信號(hào)，提高信噪比；可選用外部語音CODEC，具有靈活性；壓縮速率雖無AMBE2000的選項(xiàng)多，但配合壓縮包時(shí)間長度和FEC功能，可應(yīng)用于DMR TDMA和DMR FDMA及其他場合；封裝引腳數(shù)少，易于使用和布線，且成本低。表1列出CMX638與AMBE2000的異同點(diǎn)。

3 CMX638工作原理
3．1 編解碼過程
3．1．1 不帶FEC的簡單幀格式編解碼
    CMX638提供簡單的編解碼數(shù)據(jù)幀格式，其壓縮速率包括2 050 b／s，2 400 b／s，2 750 b／s，此過程不帶FEC，STD和DTMF功能。CMX638每隔20 ms采集160個(gè)16位數(shù)據(jù)(A／D轉(zhuǎn)換器的采樣率為8 kHz)，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)20 ms結(jié)束后，開始編碼運(yùn)算，由于信號(hào)的異同會(huì)產(chǎn)生不同抖動(dòng)延時(shí)，主機(jī)在40 ms的時(shí)刻讀取第一幀數(shù)據(jù)。以后每隔20 ms操作一次，形成流水線作業(yè)。在解碼過程中，在0 ms時(shí)刻主機(jī)向CMX638輸入一幀數(shù)據(jù)后，CMX638開始解碼運(yùn)算，與編碼相似也會(huì)出現(xiàn)算法抖動(dòng)延時(shí)，第一個(gè)樣本的輸出時(shí)刻由內(nèi)部寄存器IDD決定，其延時(shí)應(yīng)確保輸出連續(xù)有效的數(shù)據(jù)。圖2為CMX638簡單幀格式編解碼過程。

3.1.2 帶FEC的復(fù)雜幀格式編解碼
    CMX638可提供帶前向糾錯(cuò)的編解碼數(shù)據(jù)幀格式，其數(shù)據(jù)包長度為60 ms，包括3幀數(shù)據(jù)，其壓縮速率為3 600 b／s。CMX638在0時(shí)刻開始采樣，每隔20 ms進(jìn)行編碼運(yùn)算，會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)延時(shí)，每隔60 ms插入一次FEC編碼(圖3黑色部分)，在80 ms時(shí)刻一個(gè)數(shù)據(jù)包穩(wěn)定有效，主機(jī)讀出數(shù)據(jù)，以后每隔60 ms操作一次。在解碼過程中，主機(jī)向CMX638輸入數(shù)據(jù)包后，開始對每一幀數(shù)據(jù)解碼運(yùn)算，并會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)延時(shí)，設(shè)置適當(dāng)?shù)膬?nèi)部寄存器IDD，可在延時(shí)后輸出連續(xù)有效的數(shù)據(jù)。圖3是帶FEC的復(fù)發(fā)幀格式編解碼過程，其數(shù)據(jù)包壓縮時(shí)間為60 ms。

3．2 數(shù)據(jù)幀格式
    CMX638編碼后輸出的數(shù)據(jù)幀格式較簡單，無幀頭和其他控制標(biāo)志信息，直接輸出有效數(shù)據(jù)。當(dāng)壓縮速率為2 050b／s時(shí)，每隔20 ms產(chǎn)生一幀數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)位為41 bit，占用6字節(jié)，主機(jī)必須以字節(jié)為單位與CMX638交換數(shù)據(jù)，所以應(yīng)該輸入／輸出6字節(jié)，其中最高字節(jié)先進(jìn)先出，7個(gè)無效比特位不影響編解碼。當(dāng)壓縮速率為2 400 b／s時(shí)，其工作原理與2 050 b／s壓縮速率相同，有效數(shù)據(jù)為48 bit，恰好占用6字節(jié)，無無效比特位。當(dāng)壓縮速率為2 750 b／s，有效數(shù)據(jù)為55bit，占用7字節(jié)，1個(gè)無效比特位，必須輸入／輸出7字節(jié)。當(dāng)壓縮速率為3 600 b／s，帶FEC功能，每隔60 ms產(chǎn)生包括3幀的數(shù)據(jù)包，有效數(shù)據(jù)為216 bit，采用硬比特格式，占用27字節(jié)。而采用軟比特格式時(shí)，則占用108字節(jié)。
3．3 主機(jī)與片外CODEC接口
    主機(jī)通過C-BUS串行接口與CMX638交換數(shù)據(jù)。寫操作時(shí)，CSN為低，先寫入要訪問的寄存器地址，再寫入有效數(shù)據(jù)，以字節(jié)為單位，結(jié)束時(shí)CSN拉高；讀操作時(shí)，先寫入地址，接著讀取數(shù)據(jù)。在CLK上升沿采樣，最大時(shí)鐘頻率為5 MHz；每兩次CSN操作應(yīng)至少相隔1μs。
    當(dāng)CMX638選用外部CODEC時(shí)，利用SSP接口與外部CODEC交換數(shù)據(jù)。當(dāng)STRB同步脈沖到達(dá)，如果是寫操作，SDI輸入16 bit數(shù)據(jù)；如果是讀操作，SDO輸出16 bit數(shù)據(jù)。SCLK的最大時(shí)鐘頻率為6.6 MHz，時(shí)鐘沿采樣輸入數(shù)據(jù)方式取決于內(nèi)部寄存器EXCODECCONT($0B)。

4 應(yīng)用電路
4．1 CMX638采集電路設(shè)計(jì)
    圖4是基于CMX638的語音采樣、壓縮、解壓縮的應(yīng)用電路，采集麥克風(fēng)的語音信號(hào)，直接壓縮；再解壓縮恢復(fù)源語音信號(hào)輸出到喇叭。CMX638使用片內(nèi)的語音CODEC，可直接采集模擬信號(hào)。輸入／輸出通道分別有兩個(gè)可編程增益放大器，通過配置寄存器AIG($05)和AOG($06)確定其增益。當(dāng)輸入/輸出增益較大時(shí)，可能出現(xiàn)噪聲，但這些噪聲被片內(nèi)數(shù)字低通濾波器濾除。信號(hào)的輸入/輸出端無需接放大電路和濾波電路，提高信噪比。

    麥克風(fēng)和喇叭的輸入/輸出采用差分接法，提高抗干擾性能。晶體振蕩器頻率為12 MHz，對應(yīng)的XTALSEL[3：1]引腳輸入值為“010”，引腳ENABXTAL輸入高電平。由于選用片內(nèi)語音CODEC，引腳CSEL輸入高電平，則與片外語音CODEC通信的數(shù)字接口SDI，SDO，SCLK，STRB必須全部接地。引腳EEC和FEC是輸出端口，可以懸空。C-BUS接口與微控制器對應(yīng)相接，CLK時(shí)鐘頻率為1 MHz，通過C-BUS接口先配置內(nèi)部寄存器，確定其工作方式。在編碼正常工作狀態(tài)下，微控制器根據(jù)SYNC端口與CMX638同步，通過IRQN接收中斷信號(hào)，讀取壓縮的數(shù)據(jù)幀并存儲(chǔ)為后級(jí)處理；在解碼過程中，微控制器向CMX638送入數(shù)據(jù)幀解碼，恢復(fù)源語音信號(hào)。
4．2 CMX638與PCM3500接口電路設(shè)計(jì)
    CMX638使用靈活，當(dāng)選用片外語音CODEC時(shí)，其典型應(yīng)用是與PCM3500配合使用，圖5為應(yīng)用電路。PCM3500是Burr-Brown公司開發(fā)的16位低功耗A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)晶體振蕩器時(shí)鐘頻率為4.096 MHz，采樣率為8 kHz。端口BCK時(shí)鐘頻率為128 kHz。MS端輸入高電平為主動(dòng)工作模式，F(xiàn)S主動(dòng)輸出同步信號(hào)，BCK輸出時(shí)鐘信號(hào)。引腳TSC輸入低電平，控制時(shí)隙操作模式，當(dāng)同時(shí)使用多片PCM3500時(shí)才使能該功能，對應(yīng)的FSO為輸出口，可懸空。引腳LOOP使能A／D轉(zhuǎn)換器與D／A轉(zhuǎn)換器循環(huán)連接。HPFD輸入高電平，取消高通濾波器，可濾除輸入的直流分量。麥克風(fēng)和喇叭采用單端輸入/輸出方式，輸入端接增益為22的放大電路和直流偏置電路，輸出端接上低通濾波器，提高信噪比。數(shù)字接口與CMX638的SPI接口對應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
    由于CMX638選用片外的語音CODEC，端口CSEL應(yīng)輸入低電平，利用REC連接PCM3500的PDWN端口，對其復(fù)位；模擬輸入／輸出端需要增加相應(yīng)的放大和濾波電路。微控制器配置內(nèi)部寄存器EXCODECCONT($0B)可使CMX638與PCM3500的通信接口工作方式相對應(yīng)，如圖5所示。該電路同樣實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)的語音信號(hào)的采集，直接壓縮；再解壓縮恢復(fù)源信號(hào)輸出到喇叭。圖4和圖5都可以靈活應(yīng)用于話音記錄儀，語音通信系統(tǒng)，數(shù)字鏈路等領(lǐng)域。

5 結(jié)語
    隨著數(shù)字語音通信的高速發(fā)展，要求在極低傳輸速率中保持高質(zhì)量語音信號(hào)。改進(jìn)編碼速率低于4 Kb／s的壓縮算法無疑成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)。作為最有潛力的波形內(nèi)插語音編碼算法，其今后研究重點(diǎn)為與其他低速率語音編碼技術(shù)更合理相互補(bǔ)充；特征波形提取和對齊問題。CMX638采用魯棒的先進(jìn)低復(fù)雜性波形插入技術(shù)的語音編解碼算法，在低速率下保持長話級(jí)的語音質(zhì)量，不但節(jié)約存儲(chǔ)資源，而且能夠減小對通信帶寬的要求。聲碼器CMX638集成了A／D和D／A轉(zhuǎn)換器，可直接處理模擬信號(hào)，使用靈活，具有廣闊的應(yīng)用前景。