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語音處理芯片AC48105在低速語音編碼設(shè)備中的應(yīng)用
摘要：AC48105是以色列AudioCodes公司生產(chǎn)的一種專用語音處理芯片，可用于完成低比特率的語音壓縮編碼解壓和傳真等功能。該芯片內(nèi)含５路相互獨(dú)立的復(fù)用信道，可以傳輸語音、傳真和數(shù)據(jù)信息，帶有的16位DSP內(nèi)核可提供多種語音編碼格式。文中結(jié)合該芯片在低速語音編碼設(shè)備中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了其工作模式及配置方法。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(dú)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(shí)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(duì)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(jìn)行自動(dòng)語音／傳真／數(shù)據(jù)切換；
●損毀封包自動(dòng)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(hào)的傳輸（ＣＡＳ）功能；
●可對(duì)ＴＩＡ ４６４Ｂ ＤＴＭＦ信號(hào)進(jìn)行檢測及再生；
●帶內(nèi)信號(hào)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(hào)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(jī)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(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(jī)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(shí)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(yùn)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。
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●重置和內(nèi)核下載模式
上電時(shí)，該模式啟動(dòng)，當(dāng)重置信號(hào)被激活(ＲＥＳＥＴ管腳箝制在低電平)時(shí)，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(dòng)需同時(shí)滿足兩個(gè)條件，一是主機(jī)設(shè)置ＡＣ４８１０５中的ＨＰＩＣ寄存器，使ＨＩＮＴ信號(hào)變?yōu)楦唠娖�；二是�?nèi)核下載成功。
編程下載結(jié)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(jī)發(fā)出的命令對(duì)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
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(shí)別號(hào)） 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(yàn)和頁腳） 0 Sequence Number(序列號(hào)） Checksum(校驗(yàn)和)每個(gè)命令都有一個(gè)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(jìn)制）。
當(dāng)主機(jī)發(fā)出Ｒｕｎ命令后，芯片就進(jìn)入運(yùn)行模式。
● 運(yùn)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(jī)便開始為每個(gè)通道設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。當(dāng)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(yùn)行模式中的命令都只是針對(duì)單個(gè)通道有效。
如果系統(tǒng)中有多個(gè)ＡＣ４８１０５芯片，主機(jī)必須依次對(duì)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(shù)據(jù)包將在每個(gè)幀間隙內(nèi)通過激活通道，在ＡＣ４８１０５和主機(jī)之間傳輸。對(duì)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(jī)接口（ＨＰＩ）
ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是一個(gè)８位的并行接口，主機(jī)可以通過ＨＰＩ訪問語音芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)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(jī)與ＡＣ４８１０５之間的數(shù)據(jù)傳送，ＨＰＩ會(huì)自動(dòng)將來自片內(nèi)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)由字轉(zhuǎn)換為兩個(gè)字節(jié)的形式，同樣它也會(huì)在向片內(nèi)存儲(chǔ)器寫入數(shù)據(jù)之前，將兩個(gè)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(chǔ)器為２ｋＢ，地址為１０００Ｈ～１７ＦＦＨ，同時(shí)主機(jī)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
實(shí)際上，ＨＰＩ只需對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器的４個(gè)寄存器進(jìn)行訪問即可，這四個(gè)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(dòng)累加和地址不影響兩種。
４ 在數(shù)字程控交換機(jī)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(shí)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(huì)議、全部話務(wù)員功能以及實(shí)現(xiàn)微機(jī)監(jiān)控等。該設(shè)備全部采用模塊化設(shè)計(jì)，按功能可以分為以下幾個(gè)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(gè)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(gè)獨(dú)立通道，對(duì)應(yīng)著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(hào)，分別對(duì)應(yīng)１５個(gè)中繼用戶信息。同時(shí)每片ＡＣ４８１０５還外帶一片ＳＲＡＭ，用于為其內(nèi)部的ＤＳＰ運(yùn)算提供所需的空間，但主機(jī)對(duì)ＳＲＡＭ不做額外地控制。
本系統(tǒng)中，主機(jī)采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２單片機(jī)，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(jì)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(hào)，Ｐ１．３作為壓縮芯片的讀／寫復(fù)用信號(hào)。同時(shí)，壓縮芯片的分離讀信號(hào)和寫信號(hào)分別接單片機(jī)的讀、寫控制口（即Ｐ３口的Ｐ３．６和Ｐ３．７）。單片機(jī)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(shí)選通語音芯片Ａ，００１時(shí)選通語音芯片Ｂ，０１０時(shí)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(gè)語音幀，每幀包含８０個(gè)樣本，這８０個(gè)樣本已經(jīng)不是普通的語音信號(hào)，而是一些ＣＥＬＰ模式的參數(shù)，包括線譜對(duì)、自適應(yīng)碼本延遲、基音延遲奇偶性、固定碼本指標(biāo)、固定碼本符號(hào)、碼本增益（第１級(jí)）、碼本增益（第２級(jí)）等，對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行編碼并傳輸之后，即可在譯碼器端，用于恢復(fù)激勵(lì)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(gè)軟件程序代碼：內(nèi)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ＡＴ２８Ｃ０１０－１２８ｋ×８的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)，對(duì)Ｅ２ＰＲＯＭ的訪問可通過Ａ１５、Ａ１４、Ａ１３的譯碼和單片機(jī)的讀信號(hào)來得到。值得注意的是，單片機(jī)對(duì)Ｅ２ＰＲＯＭ的尋址必須順序執(zhí)行，兩個(gè)軟件按順序從Ｅ２ＰＲＯＭ的首地址開始放置，當(dāng)兩個(gè)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(gè)硬件清零，從而使Ｅ２ＰＲＯＭ的地址指針再次指向首地址處，以用于下一片語音芯片的下載。在對(duì)３片ＡＣ４８１０５進(jìn)行正確加載后，單片機(jī)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(jī)需要在足夠有效的時(shí)間段里依次輪詢?nèi)Z音芯片，否則就會(huì)出現(xiàn)漏包而造成較大的數(shù)據(jù)流失。所以，單片機(jī)與３片語音芯片的數(shù)據(jù)交換需要一個(gè)緩沖區(qū)。本系統(tǒng)中，這個(gè)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(shí)鐘可以不相同，這樣可保證寫入與讀出數(shù)據(jù)時(shí)相互不受影響。
當(dāng)在閑置態(tài)運(yùn)行激活命令時(shí)，語音芯片就進(jìn)入激活態(tài)，此時(shí)語音芯片開始和單片機(jī)進(jìn)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(gè)語音幀），一共８０Ｂｙｔｅｓ，當(dāng)單片機(jī)向語音芯片寫入待壓縮數(shù)據(jù)時(shí)，需要在每個(gè)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(dāng)單片機(jī)從語音芯片中取出已解壓的數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)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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