l 引言

　　語(yǔ)音編解碼技術(shù)的迅速發(fā)展,，使中低速率語(yǔ)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?jìng)鬏斔俾蕿?4 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(yǔ)音數(shù)據(jù),，這就要求利用各種壓縮編碼技術(shù)來(lái)擴(kuò)大通信容量,。因此，這里給出了基于新型語(yǔ)音編碼器CMX638的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案,。

　　2 CMX638簡(jiǎn)介

　　CMX638是一款高集成,，高性能全雙工語(yǔ)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(zhǎng)話(huà)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(cè)),、VAD(語(yǔ)音激活檢測(cè)),、CNG(舒適噪聲發(fā)生),、STD和DTMF信號(hào)檢測(cè)功能,。因此，該語(yǔ)音編解碼器可廣泛用于語(yǔ)音存儲(chǔ)和回放,、VoIP,、數(shù)字PMR／LMR、再生數(shù)字語(yǔ)音中繼等領(lǐng)域,。

　　2．1 主要特性

　　CMX638具有以下主要特性：長(zhǎng)話(huà)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(zhǎng)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(yǔ)音解碼器(CODEC),，可通過(guò)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(guò)程,。主機(jī)通過(guò)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(yǔ)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(kāi)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(guò)程中：STD／DTMF管理模塊提供語(yǔ)音信號(hào)的特殊處理功能，實(shí)現(xiàn)單音或雙音檢測(cè),，提高語(yǔ)音壓縮和解壓質(zhì)量,。

　　2．3 與AMBE2000相比較

　　與同類(lèi)競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品語(yǔ)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(jiǎn)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(yǔ)音CODEC,，具有靈活性；壓縮速率雖無(wú)AMBE2000的選項(xiàng)多,，但配合壓縮包時(shí)間長(zhǎng)度和FEC功能,，可應(yīng)用于DMR TDMA和DMR FDMA及其他場(chǎng)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(guò)程

　　3．1．1 不帶FEC的簡(jiǎn)單幀格式編解碼

　　CMX638提供簡(jiǎn)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(guò)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(kāi)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(guò)程中，在0 ms時(shí)刻主機(jī)向CMX638輸入一幀數(shù)據(jù)后,，CMX638開(kāi)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(jiǎn)單幀格式編解碼過(guò)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(zhǎng)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(kāi)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(guò)程中，主機(jī)向CMX638輸入數(shù)據(jù)包后,，開(kāi)始對(duì)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(guò)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(jiǎn)單,，無(wú)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(wú)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(wú)無(wú)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(wú)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(guò)C-BUS串行接口與CMX638交換數(shù)據(jù)。寫(xiě)操作時(shí),，CSN為低,，先寫(xiě)入要訪問(wèn)的寄存器地址，再寫(xiě)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(xiě)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?jī)纱蜟SN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(xiě)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(yǔ)音采樣,、壓縮,、解壓縮的應(yīng)用電路，采集麥克風(fēng)的語(yǔ)音信號(hào),，直接壓縮,；再解壓縮恢復(fù)源語(yǔ)音信號(hào)輸出到喇叭。CMX638使用片內(nèi)的語(yǔ)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(guò)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(wú)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(duì)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(yǔ)音CODEC，引腳CSEL輸入高電平,，則與片外語(yǔ)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(duì)應(yīng)相接,，CLK時(shí)鐘頻率為1 MHz，通過(guò)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(guò)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(guò)程中,，微控制器向CMX638送入數(shù)據(jù)幀解碼,，恢復(fù)源語(yǔ)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(yǔ)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(kāi)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(duì)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(duì)應(yīng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,。

　　由于CMX638選用片外的語(yǔ)音CODEC,，端口CSEL應(yīng)輸入低電平，利用REC連接PCM3500的PDWN端口,，對(duì)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(duì)應(yīng),，如圖5所示,。該電路同樣實(shí)現(xiàn)麥克風(fēng)的語(yǔ)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(huà)音記錄儀，語(yǔ)音通信系統(tǒng),，數(shù)字鏈路等領(lǐng)域,。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　隨著數(shù)字語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào),。改進(jìn)編碼速率低于4 Kb／s的壓縮算法無(wú)疑成為當(dāng)前研究熱點(diǎn),。作為最有潛力的波形內(nèi)插語(yǔ)音編碼算法，其今后研究重點(diǎn)為與其他低速率語(yǔ)音編碼技術(shù)更合理相互補(bǔ)充,；特征波形提取和對(duì)齊問(wèn)題,。CMX638采用魯棒的先進(jìn)低復(fù)雜性波形插入技術(shù)的語(yǔ)音編解碼算法，在低速率下保持長(zhǎng)話(huà)級(jí)的語(yǔ)音質(zhì)量,，不但節(jié)約存儲(chǔ)資源,，而且能夠減小對(duì)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。