MAXQ3120在編解碼應用中的應用

音頻編解碼器是現代數字電話(huà)的基石。它是將可聽(tīng)語(yǔ)音轉換為數字數據并再次轉換回可聽(tīng)語(yǔ)音的組件。本文使用MAXQ3120的A/D通道和外部DAC對標準μ律和A律格式的語(yǔ)音進(jìn)行編碼和解碼。這留下了大量的處理能力可用于執行其他與電信相關(guān)的功能，例如呼叫進(jìn)度檢測和生成、PCM 成幀和靜默信道檢測。

介紹

現代電話(huà)是數字化的。帶有數百個(gè)電觸點(diǎn)的喋喋不休的Strowger開(kāi)關(guān)，數英里的雙絞線(xiàn)電纜，就像扎染意大利面條，以及曾經(jīng)點(diǎn)綴在鄉村的微波塔，已經(jīng)一去不復返了。如今，語(yǔ)音流量會(huì )盡早轉換為數字形式，并與數千個(gè)其他語(yǔ)音呼叫、電子郵件和網(wǎng)頁(yè)一起在光纖上進(jìn)行傳輸。

數字電話(huà)推動(dòng)了信息時(shí)代，并繼續通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語(yǔ)音（VoIP）等技術(shù)改變通信格局。然而，一個(gè)事實(shí)仍然存在——在這條線(xiàn)的某個(gè)地方，語(yǔ)音必須轉換為比特，然后比特又轉換為語(yǔ)音。

這是編解碼器的工作。這個(gè)詞是編碼器/解碼器的縮寫(xiě)，設備在概念上很簡(jiǎn)單。它由一個(gè)模數轉換器 （ADC） 組成，用于將輸入音頻轉換為比特流，一個(gè)數模轉換器 （DAC） 將接收到的比特流轉換為音頻，以及一個(gè)接口，用于在可能附加其他編解碼器的總線(xiàn)之間插入和移除數字化音頻。

通常，編解碼器是獨立的混合信號半導體。只要編解碼器用于簡(jiǎn)單的應用程序（例如終端交換機的線(xiàn)卡）就可以了。然而，通常需要對傳輸的音頻執行某種預處理（例如峰值限制、動(dòng)態(tài)范圍壓縮或頻譜整形）或對接收的音頻進(jìn)行后處理（例如降噪）。對于獨立編解碼器來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)問(wèn)題，因為一旦模擬音頻呈現給（或取自）編解碼器，就沒(méi)有進(jìn)一步的機會(huì )執行處理 - 編解碼器直接與 PCM 高速公路接口。在這些情況下，系統設計人員有兩個(gè)難以處理的選擇：要么在模擬域中執行此處理（通常價(jià)格昂貴且可能噪聲大），要么放棄使用獨立的單芯片編解碼器，并使用獨立的精密ADC和DAC芯片在數字域中執行處理。這兩種選擇都不理想。 本文介紹了一種將MAXQ3120與外部DAC配合使用的方法，作為語(yǔ)音編解碼器，能夠對入站和出站位流進(jìn)行額外的處理。

編解碼器基礎知識

早在考慮數字電話(huà)之前，就已經(jīng)確定必須保持從約300Hz到約3.5kHz的頻率范圍才能使語(yǔ)音信號保持可理解性。超出此范圍的頻率會(huì )影響語(yǔ)音信號的保真度，但不會(huì )影響清晰度。（事實(shí)上，事實(shí)證明，帶限信號比寬帶信號更容易理解。根據奈奎斯特標準，即信號的采樣頻率必須至少是目標最高頻率的兩倍，所有語(yǔ)音編解碼器都以每秒8，000個(gè)樣本的速度工作 - 超過(guò)所需3.5kHz的兩倍 - 并且每個(gè)樣本都轉換為數字碼字。

然而，碼字的大小帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題。在任何數字系統中，都需要在信號完整性和字數之間進(jìn)行權衡。為了獲得最佳保真度，系統設計人員可以選擇較大的字大小，但更多的位需要更大的帶寬，并且帶寬需要花錢(qián)?；蛘?，設計人員可以選擇較小的字大小以節省帶寬成本，但語(yǔ)音質(zhì)量會(huì )受到影響。測試表明，小碼字（大約八位）可以提供良好的語(yǔ)音質(zhì)量，但前提是說(shuō)話(huà)者以安靜、一致的聲音說(shuō)話(huà)。語(yǔ)音音量的正常變化會(huì )使發(fā)射機飽和，導致削波和失真。人們可以降低增益以消除高電平的這種削波，但正常的聲音電平只會(huì )使用四到五位，使柔和的聲音聽(tīng)起來(lái)沙啞和不自然。為了適應各種人聲，從最柔和的耳語(yǔ)到最響亮的喊叫，似乎需要十二到十四位的分辨率。

解決方案是使用非線(xiàn)性編解碼器（見(jiàn)圖1）。這些編解碼器利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即耳朵對響亮聲音中的小錯誤比對柔和聲音中的小錯誤更寬容。在圖中，沉默以零線(xiàn)為中心;柔和的聲音僅偏離中心線(xiàn)的一小部分，而大的聲音偏離得更大。在這些器件中，零線(xiàn)周?chē)拇a比遠離零線(xiàn)的代碼更密集，從而使編解碼器能夠為低電平信號提供可接受的結果，同時(shí)保持高電平信號的良好動(dòng)態(tài)范圍。

圖1.這是典型PCM編解碼器的響應曲線(xiàn)。零相對振幅附近的區域包含的代碼比曲線(xiàn)末端多得多，使編解碼器能夠保持高語(yǔ)音保真度和寬動(dòng)態(tài)范圍。

在數字方面，有必要與PCM高速公路接口。通常，在公共總線(xiàn)（PCM 高速公路）上將多個(gè)編解碼器連接在一起，而不是使用一組單獨的電線(xiàn)將每個(gè)編解碼器連接到其關(guān)聯(lián)的中繼設備。為了協(xié)調傳輸，編解碼器共享一個(gè)公共位時(shí)鐘，并通過(guò)單個(gè)幀脈沖發(fā)出信號以開(kāi)始發(fā)送或接收。在常見(jiàn)的北美標準中，1 個(gè)編解碼器可以駐留在 PCM 高速公路上，該高速公路由某種類(lèi)型的序列器邏輯以每秒 544，000，125 位的速度計時(shí)。每<>μs，第一個(gè)編解碼器接收一個(gè)幀脈沖，并將<>位發(fā)送到高速公路上。在八個(gè)位時(shí)鐘之后，第二個(gè)編解碼器接收其幀脈沖，依此類(lèi)推。在所有 <> 個(gè)編解碼器傳輸完數據后，序列器提供一位時(shí)間用于信令目的，然后重復序列。因此，數字生成如下：

[(8 bits per sample x 24 channels) + 1 signaling bit] x 8,000 samples per second = 1,544,000 bits

per second

PCM 編解碼器的類(lèi)型

世界已經(jīng)對電話(huà)中使用的PCM編解碼器的幀速率（以及采樣率）進(jìn)行了標準化?？杀氖?，世界幾乎沒(méi)有其他標準化。有兩種類(lèi)型的轉碼算法需要考慮：在歐洲使用的 A-law 和主要在美國和日本使用的 μ-law。并且有兩種基本的線(xiàn)路速率正在使用：美國的DS1（1.544Mb / s）和歐洲的E1（2.048Mb / s）。本文介紹的設計是DS1（也稱(chēng)為T(mén)1）編解碼器，能夠在A(yíng)定律或μ定律模式下工作。

μ法編解碼器根據以下公式對樣本進(jìn)行編碼：

其中μ是等式的特征，通常為 255。

A 定律編解碼器根據略有不同的公式進(jìn)行編碼：

其中A是方程的特征，通常為87.6;或者在某些情況下，為 87.7。請注意，對于接近零的值，A 律函數是線(xiàn)性的;僅當輸入值大于 1/A 時(shí)，它才會(huì )變?yōu)閷怠?/p>

在實(shí)際操作中，這兩個(gè)壓縮定律會(huì )產(chǎn)生非常相似的曲線(xiàn)。此外，在實(shí)踐中，這些線(xiàn)性公式實(shí)際上從未使用過(guò)。相反，需要分段線(xiàn)性近似來(lái)減輕計算開(kāi)銷(xiāo)。但是，此處介紹的設計通過(guò)查找表實(shí)現了這些確切的公式。

微控制器成為編解碼器

MAXQ3120包含兩個(gè)精密16位ADC通道和一個(gè)帶16位累加器的16 x 40乘法器。雖然沒(méi)有DAC通道，但有低成本的精密串行DAC可以滿(mǎn)足這種能力。剩下的就是構建軟件來(lái)連接這些外圍設備。

編碼

編碼有三個(gè)步驟：將模擬信號轉換為數字信號，對數字化樣本進(jìn)行重采樣和濾波，最后使用 A 律或μ律轉碼將樣本壓縮為 8 位表示。

首先是A/D轉換步驟，這也是最簡(jiǎn)單的，因為MAXQ3120內置了ADC通道。MAXQ3120每16μs產(chǎn)生一個(gè)新的48位結果。這意味著(zhù)系統在384MHz的處理器時(shí)鐘上有8個(gè)指令周期來(lái)處理樣本。

幸運的是，處理樣本很簡(jiǎn)單，只需讀取ADC并將數據存儲在循環(huán)緩沖器中即可。緩沖區始終包含 32 個(gè)最新的 16 位樣本。MAXQ3120包含256個(gè)16位字RAM;因此，循環(huán)緩沖區僅消耗單個(gè)通道可用RAM的12.5%。

雖然ADC每48μs產(chǎn)生一個(gè)樣本，但通信網(wǎng)絡(luò )每125μs需要一個(gè)新的樣本。因此，無(wú)論我們對信號做什么，都必須對其進(jìn)行重新采樣。一種簡(jiǎn)單的方法是，當接收到幀脈沖時(shí)，只接受最新的采樣進(jìn)行轉換，而丟棄所有其他樣本，但MAXQ3120可以做得更好。

在每個(gè)幀脈沖上，編解碼器軟件開(kāi)始對循環(huán)緩沖器中的累積樣本施加31抽頭FIR濾波器。該濾波器在3.3kHz時(shí)具有5db點(diǎn)，因此提供抗混疊和額外的重建功能，從而降低ADC通道中的噪聲。濾波器過(guò)程的結果是 16 位樣本，可用于 A 律或μ法壓縮。

表 1.前十個(gè)μ法和A法法典

有幾種方法可以將值從 16 位線(xiàn)性轉換為其代碼;直接計算和分段近似是兩種流行的方法。我們沒(méi)有使用這兩種方法，而是利用MAXQ3120相對較大的程序空間，設置兩個(gè)128字表，一個(gè)用于μ律編碼和解碼，另一個(gè)用于A(yíng)律。啟動(dòng)時(shí)，將輪詢(xún)外部引腳，并根據該引腳的級別將其中一個(gè)表加載到 RAM 中。編碼過(guò)程的操作如下：

取 16 位線(xiàn)性 PCM 樣本的絕對值。跟蹤符號位。

現在對適用的表執行二叉搜索：將 PCM 樣本與表的中間值進(jìn)行比較。如果小于中間值，則僅考慮表的下半部分;如果大于中間值，則僅考慮上半部分。重復此步驟，直到只剩下兩個(gè)表條目，然后選取最接近的表條目。

要發(fā)出的代碼是表條目的索引。例如，如果樣本值0x006D并且轉換為 A-law，則上表中最接近的值將是 0x006F。其指數為7;這是要發(fā)出的代碼。

最后，應用原始樣本值的符號。 生成的八位數字是對數 PCM 值。然而，這還不是結束。網(wǎng)絡(luò )上發(fā)出的 PCM 值不僅僅是二進(jìn)制補碼值。相反，每個(gè)轉碼法都有適用的特殊規則。

對于μ法：

負數具有零號位;正值有一個(gè)符號位。

幅度值反轉：因此，0 由 11111111b1 表示，而 +0 由 11111110b<> 表示。這保證了傳輸流中大量的一位（許多類(lèi)型的物理層傳輸機制僅在一位上具有電平轉換;因此，高數量的一位使時(shí)鐘恢復更容易。

有一個(gè)“正零”值和一個(gè)“負零”值，分別由0b11111111和0b01111111表示。

最大的負數是 -127，用 0b00000000 表示。但是，為了保持時(shí)序完整性，許多系統不允許全零值，這些系統通過(guò)反轉位1自動(dòng)阻止全零碼。這使得代碼流發(fā)生了不可逆轉的更改（0b00000000 變?yōu)?0b00000010），但對于音頻傳輸，它不會(huì )對感知聲音產(chǎn)生太大變化 - 兩個(gè)代碼都非常響亮?。ù嗽O計不執行此功能，但很容易進(jìn)行更改。

對于A(yíng)法：

就像在μ定律中一樣，負數有一個(gè)零號位。

就像在μ定律中一樣，有一個(gè)“負零”值和一個(gè)“正零”值，分別由 0b00000000 和 0b10000000 表示。

在傳輸之前，每個(gè)A定律單詞都與0x55進(jìn)行異或運算;有效地反轉字節中的其他位。與μ定律的反轉一樣，這保證了高密度，使時(shí)鐘恢復更容易。

譯碼

解碼八位PCM樣本比編碼容易得多，因為無(wú)需對信號進(jìn)行重新采樣。應用 PCM 法律規則后，將保留一個(gè) 16 位有符號量級值。將該值用作適用 PCM 表的索引（考慮登錄）;結果是一個(gè) <> 位有符號值，可以傳送到 DAC。

本項目選擇的轉換器是MAX5722雙通道DAC。這是一款 12 位 DAC，采用經(jīng)濟型 5722 引腳 μMAX 封裝。與大多數DAC一樣，MAX1需要外部電壓基準。幸運的是，MAXQ25上有一個(gè)3120.<>V帶隙基準，適合此目的。

MAX5722為串行接口DAC，這意味著(zhù)微控制器必須創(chuàng )建適合DAC的串行流。DAC接口是同步的，因此不需要連續時(shí)鐘，只需要片選低時(shí)的時(shí)鐘。這允許僅使用微控制器的通用I/O使用三線(xiàn)接口。

請注意，在本設計中，ADC通道的輸入范圍為-1.0V至+1.0V，而DAC輸出通道的輸入范圍為0.0V至+1.25V。在實(shí)際的電信應用中，例如線(xiàn)卡，這些電平可能會(huì )轉換為其他模擬電平（例如，通常將1Ω阻抗中的600mW定義為0dBm，這是電信網(wǎng)絡(luò )中通常遇到的最大電平）。

PCM 總線(xiàn)

現在我們知道了如何將模擬波形轉換為壓縮的PCM格式并返回，只剩下一個(gè)問(wèn)題：與PCM總線(xiàn)接口。

大多數情況下，與PCM高速公路的接口涉及連接到四線(xiàn)總線(xiàn)：終端將數據放置在其上的傳輸數據線(xiàn);中繼設備在其上放置數據以及終端接收數據的接收數據線(xiàn);通常對每個(gè)終端唯一的幀同步線(xiàn)，當總線(xiàn)包含用于該終端的數據時(shí)，該同步線(xiàn)會(huì )發(fā)出脈沖以指示;還有一個(gè)位時(shí)鐘。由于我們的編解碼器旨在作為終端設備，它將接收位時(shí)鐘和幀脈沖，在接收數據線(xiàn)上接收數據，并在發(fā)送數據線(xiàn)上傳輸其數據。

在T1系統中，時(shí)鐘運行在1.544MHz。這意味著(zhù)當幀脈沖到達時(shí)，我們必須在短短幾個(gè)時(shí)鐘周期內非?？焖俚刈龀鲰憫?。一位時(shí)間略高于625ns，或五個(gè)指令周期。由于此時(shí)間遠小于典型的中斷延遲（當考慮中斷、上下文保存和開(kāi)銷(xiāo)時(shí)），因此僅用中斷響應幀脈沖信號還不夠快，必須找到另一種解決方案。

該方案是使用MAXQ3120中的三個(gè)定時(shí)器之一，在幀脈沖到達前幾微秒中斷處理器。然后，當幀脈沖最終到達時(shí)，處理器已被中斷，已保存其上下文，并準備將每個(gè)周期專(zhuān)用于 PCM 總線(xiàn)任務(wù)。它的工作原理如下：設置一個(gè)計時(shí)器在 110μs 后過(guò)期。在所有位移出后，在每個(gè)幀事件結束時(shí)啟動(dòng)計時(shí)器。在T1系統中，兩個(gè)樣品在10.4μs內移出。當定時(shí)器中斷處理器時(shí)，軟件立即開(kāi)始尋找幀脈沖的前緣。這是系統中唯一的中斷。其他所有內容都會(huì )被輪詢(xún)，并且可以等到將 PCM 數據上下總線(xiàn)的重要任務(wù)完成。

一旦幀脈沖到達，處理器就會(huì )保持非常繁忙的狀態(tài)。它必須移動(dòng)發(fā)送緩沖器并將輸出位寫(xiě)入端口，然后在五個(gè)周期內讀取輸入位并移位接收緩沖器。MAXQ3120在<>個(gè)周期內完成此操作。

您可能會(huì )注意到，此討論以 T1 總線(xiàn)為中心，但 E1 呢？在2.048MHz時(shí)，E1系統每比特僅允許略高于488ns或少于四個(gè)指令周期。因此，E1 PCM 總線(xiàn)的管理需要外部硬件的幫助。例如，由位時(shí)鐘驅動(dòng)的廉價(jià)移位寄存器將減輕位電平時(shí)序的嚴格要求。

附加功能

編解碼器已完成。但是，由于獨立編解碼器價(jià)格低廉且數量豐富，因此從微控制器構建編解碼器是沒(méi)有意義的，當然，除非作為設計師，您別有用心。以下是一些可能促使設計人員考慮此類(lèi)系統的想法：

預過(guò)濾當信號采用線(xiàn)性PCM格式時(shí)，這是對信號應用均衡、動(dòng)態(tài)范圍壓縮、噪聲門(mén)控或任何其他操作的絕佳機會(huì )。雖然MAXQ3120不是傳統意義上的DSP，但這些功能很容易在處理器可用的馬力范圍內。

帶內信令提取高效、簡(jiǎn)單的算法可用于檢測線(xiàn)性 PCM 流中的帶內音調?？梢岳眠@些算法來(lái)檢測DTMF數字，并使用這些算法來(lái)實(shí)現某些特性和功能。還可以使用音調檢測，通過(guò)精確檢測撥號音（在北美，350Hz + 440Hz）、站鈴（440Hz + 480Hz）和忙音（480Hz + 620Hz）來(lái)確定呼叫進(jìn)度。

會(huì )議橋將通道 1 的接收音頻混合并將其與通道 2 的傳輸音頻組合在一起很簡(jiǎn)單，反之亦然。通過(guò)這樣做，您有效地為兩個(gè)渠道創(chuàng )建了一個(gè)數字會(huì )議橋。由于網(wǎng)橋是數字的，因此不會(huì )損失語(yǔ)音質(zhì)量。如果希望橋接兩個(gè)以上的通道，只需添加更多的MAXQ3120器件即可。

結論

雖然MAXQ3120并非專(zhuān)門(mén)針對電信行業(yè)，但其片內精密ADC和DSP功能為設計人員提供了廣泛的機會(huì )來(lái)創(chuàng )建定制的硬件和軟件解決方案。各種開(kāi)發(fā)工具的可用性使設計任務(wù)變得簡(jiǎn)單。

審核編輯：郭婷