在MAXQ3120上實(shí)現(xiàn)CODEC應(yīng)用

引言

今天的電話已數(shù)字化。而在過去，它往往意味著咔嗒作響的、包含數(shù)百個(gè)電氣觸點(diǎn)的史端橋式開關(guān)，數(shù)英里的雙絞線電纜就象多彩的意大利面條，星羅棋布于鄉(xiāng)村野外的微波塔。今天，話音業(yè)務(wù)在最開始的時(shí)候就被轉(zhuǎn)換成了數(shù)字形式，并和成百上千的其他話音、電子郵件和網(wǎng)頁等信息一同，由一條光纖傳輸。
數(shù)字電話催生了信息時(shí)代，并繼續(xù)以新的技術(shù)，如因特網(wǎng)話音(voip)，改變著通信工業(yè)的前景。然而，有一個(gè)事實(shí)沒有變 - 必須在線路上的某個(gè)點(diǎn)，將話音轉(zhuǎn)換為數(shù)字，并將數(shù)字轉(zhuǎn)換回話音。

這正是codec (編解碼器)的工作。這個(gè)名稱是coder/decoder (編碼器/解碼器)的縮寫，是一種概念上非常簡(jiǎn)單的器件。它包含一個(gè)模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器(adc)，用于將音頻轉(zhuǎn)換為位流；一個(gè)數(shù)字到模擬轉(zhuǎn)換器(dac)，用于將收到的位流轉(zhuǎn)換回音頻；和一個(gè)接口，用于和其他codec共享總線，并通過總線插入和取回?cái)?shù)字化的音頻信息。

通常，一個(gè)codec就是一片獨(dú)立的混合信號(hào)半導(dǎo)體器件。對(duì)于簡(jiǎn)單應(yīng)用，這種方案能夠很好地工作，例如端局交換機(jī)中的線卡。然而，很多時(shí)候我們還希望對(duì)要發(fā)送的音頻信號(hào)作一些預(yù)處理(例如限幅、動(dòng)態(tài)范圍壓縮或頻譜整形等)，或?qū)κ盏降囊纛l信號(hào)作一些后處理(例如噪聲抑制)。對(duì)于獨(dú)立式codec而言，這些處理任務(wù)比較難以實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)槟M音頻信號(hào)一經(jīng)codec轉(zhuǎn)換，就再也沒有機(jī)會(huì)作進(jìn)一步地處理了 - 獨(dú)立式codec直接連接到了pcm干線。這種情況下，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者就只有兩種很笨拙的選擇了：或者在模擬域執(zhí)行這種處理(通常很昂貴且可能引入噪聲)，或者放棄使用這種獨(dú)立式的單片codec，而改用獨(dú)立的精密adc和dac芯片，并在數(shù)字域進(jìn)行處理。這兩種方式都不理想。本文給出一種新的方案，它采用maxq3120微控制器和外部dac作音頻codec，同時(shí)能夠?qū)θ胝竞统稣疚涣鬟M(jìn)行額外的處理。

codec基礎(chǔ)

在數(shù)字電話還很遙遠(yuǎn)的時(shí)候，人們就認(rèn)識(shí)到保持一個(gè)話音信號(hào)清晰可辨的必要頻段大約為300hz至3.5khz。此范圍之外的頻率對(duì)于語音信號(hào)的保真度有貢獻(xiàn)，但對(duì)于清晰度無益(事實(shí)表明，限制帶寬的信號(hào)比寬帶信號(hào)反而更易于辨析)。根據(jù)nyquist定律，對(duì)于信號(hào)的采樣率必須至少為其最高頻率的兩倍，因此所有話音codec都工作于每秒8,000個(gè)采樣 - 多于所要求的3.5khz的兩倍 - 每個(gè)采樣都被轉(zhuǎn)換為一個(gè)數(shù)字化的碼字。

然而，碼字的長(zhǎng)度又帶來另一個(gè)問題。在任何數(shù)字系統(tǒng)中，都必須在信號(hào)的完整性和字長(zhǎng)間做出妥協(xié)。為獲得高保真，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)選擇較大的字長(zhǎng)，但位數(shù)越多帶寬越高，而帶寬是要付出成本的。另一方面，如果設(shè)計(jì)者選擇較小的字長(zhǎng)以節(jié)省帶寬成本，話音質(zhì)量就會(huì)有所損失。實(shí)驗(yàn)表明較小的字長(zhǎng) - 大約八位 - 也可以提供較好的話音質(zhì)量，但前提是講話者必須是在安靜的環(huán)境中用恒定的話音講話。這種情況下正常的音量變化就會(huì)造成發(fā)送器飽和，導(dǎo)致箝位和失真。降低增益當(dāng)然可以消除高音量時(shí)的箝位問題，但正常音量可用的位數(shù)卻減少至四到五位，使比較輕的話音聽起來有刮擦聲且不自然。為了適應(yīng)人類話音的整個(gè)范圍，從最輕的低語到大聲的喊叫，看起來有必要采用十二到十四位分辨率。

最佳方案是非線性codec (見圖1)。這種類型的codec利用了這樣一件事實(shí)：我們的耳朵對(duì)于響亮聲音的小誤差更“寬容”，而對(duì)于微弱聲音的小誤差很敏感。圖1中，靜默狀態(tài)位于零線附近；輕微的話音相對(duì)于中心線有小量偏移，而響亮的話音偏移較多。在這樣的器件中，零線附近的編碼密度高于遠(yuǎn)離零線處的編碼密度，使codec既能為低電平信號(hào)提供滿意的性能，同時(shí)為高電平信號(hào)提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。

在數(shù)字側(cè)，器件必須與pcm干線接口。各codec并不是通過單獨(dú)的一組線連接到其相應(yīng)的中繼設(shè)備上，而是一定數(shù)量的codec一同被連接到一條共享的總線 - pcm干線上。為了協(xié)調(diào)傳輸過程，這些codec共用一個(gè)位時(shí)鐘，而用單獨(dú)的幀脈沖指揮每個(gè)器件開始發(fā)送和接收。按照北美標(biāo)準(zhǔn)，24個(gè)codec共享一條pcm干線，某種類型的時(shí)序器邏輯以1,544,000位/秒的速率控制著其運(yùn)行節(jié)奏。每過125μs，第一個(gè)codec收到一個(gè)幀脈沖并發(fā)送八位數(shù)據(jù)到干線上。8個(gè)位時(shí)鐘后，第二個(gè)codec收到其幀脈沖，依此類推。所有24個(gè)codec發(fā)完數(shù)據(jù)后，時(shí)序器提供一位的時(shí)間用于傳送信令，然后重復(fù)上述過程。這樣，總的數(shù)據(jù)量為：

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

pcm codec的類型
用于電話的pcm codec已有了全世界統(tǒng)一的幀速率(采樣率)。不幸的是，在其它方面幾乎沒有統(tǒng)一的全球標(biāo)準(zhǔn)。常用的編碼方案有兩種：用于歐洲的a率和主要用于美國(guó)和日本的μ率。有兩種基本線速率正在使用：美國(guó)的ds1 (1.544mbps)和歐洲的e1 (2.048mbps)。本文所討論的設(shè)計(jì)為ds1 (或稱為t1) codec，工作于a率或μ率模式。
μ率codec按照以下規(guī)則對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行編碼：

其中μ是本規(guī)則的特征參數(shù)，典型為255。

a率codec的編碼方式略有不同：

其中a是本規(guī)則的特征參數(shù)，通常為87.6，有些情況下為87.7。需要注意的是，當(dāng)接近于零時(shí)，a率函數(shù)是線性的；只有當(dāng)輸入大于1/a后它才變?yōu)閷?duì)數(shù)。

在具體實(shí)踐中，這兩種壓擴(kuò)率所形成的曲線非常近似。并且，實(shí)際應(yīng)用中從未使用這些線性公式。為了減輕運(yùn)算開銷，常常采用分段線性逼近的方式。然而，在本設(shè)計(jì)中，我們通過查表的方式嚴(yán)格按照這些規(guī)則來做。

將一個(gè)微控制器變?yōu)閏odec
maxq3120包含有兩個(gè)精密的16位adc通道、一個(gè)16 x 16乘法器以及一個(gè)40位累加器。雖然maxq3120不含dac通道，有很多低成本的精密串行dac可用于此功能。剩下的工作就是構(gòu)建一個(gè)軟件來連接這些外圍器件。

編碼
可通過三步完成編碼：轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)為數(shù)字量，對(duì)數(shù)字采樣進(jìn)行再抽樣并濾波，最后，用a率或μ率編碼轉(zhuǎn)換方式壓縮采樣至八位。
第一步是a/d轉(zhuǎn)換，最容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閍dc通道已內(nèi)置于maxq3120。maxq3120每48μs產(chǎn)生一個(gè)新的16位轉(zhuǎn)換結(jié)果。這意味著對(duì)于8mhz的處理器時(shí)鐘，系統(tǒng)可以有384個(gè)指令周期來處理采樣。

幸好，采樣的處理只是簡(jiǎn)單地讀取adc并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于一個(gè)環(huán)形緩沖器。緩沖器總是保存著32個(gè)最近的16位采樣結(jié)果。maxq3120有256字的16位ram。這樣，每個(gè)通道的環(huán)形緩沖器僅消耗全部可用ram的12.5%。

adc每48μs采一個(gè)樣，但通信網(wǎng)絡(luò)每125μs需要一個(gè)新的采樣。因此，無論我們?nèi)绾翁幚硇盘?hào)，都必須對(duì)其進(jìn)行再抽樣。最簡(jiǎn)陋的方法之一就是，當(dāng)收到一個(gè)幀脈沖時(shí)，只接受最近的一個(gè)采樣來做進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換，而扔掉所有其他采樣。不過maxq3120還能夠做的更好。

每收到一個(gè)幀脈沖，maxq3120的codec軟件對(duì)環(huán)形緩沖器中匯集的采樣實(shí)施31抽頭fir濾波器算法。該濾波器的3db截止點(diǎn)位于3.5khz，可提供抗混疊和進(jìn)一步的采樣重構(gòu)功能，降低- adc通道的噪聲。經(jīng)濾波處理后的結(jié)果是一個(gè)16位采樣，可用于a率或μ率壓縮。

有多種方法可以對(duì)16位線性編碼進(jìn)行壓縮。直接計(jì)算和分段逼近是兩種常用方法。在本設(shè)計(jì)中我們并沒有采用這兩種方法，而是利用maxq3120程序空間較大的特點(diǎn)，建立了兩個(gè)128字的表格，一個(gè)用于μ率編碼和解碼，另一個(gè)用于a率。首先，查詢一個(gè)外部引腳的電平狀態(tài)，根據(jù)該引腳的電平，將兩個(gè)128字表格中的一個(gè)載入ram。編碼過程的操作如下：

獲取16位線性pcm采樣的絕對(duì)值。并保持對(duì)符號(hào)位的跟蹤。

在所采用的表格中執(zhí)行對(duì)分檢索：比較pcm采樣和表格的中間值。如果pcm采樣小于中間值，只考慮表格的下半部分；如果采樣大于中間值，則只需考慮上半部分。重復(fù)上述操作，直至僅剩下兩個(gè)表格項(xiàng)，選擇最接近的一個(gè)。

壓縮后的編碼實(shí)際上是表格項(xiàng)的索引號(hào)。例如，如果采樣值為0x006d，采用a率壓縮，上述表格中最接近的值為0x006f。其索引號(hào)為7；這正是壓縮后的編碼。

最后，沿用原始采樣的符號(hào)位。得到的8位碼是對(duì)數(shù)pcm值。然而，這還沒有結(jié)束。發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的并不是簡(jiǎn)單的二進(jìn)制補(bǔ)碼。每種編碼規(guī)則都有一套特殊的處理方法。

對(duì)于μ率：

負(fù)值符號(hào)位為“0”；正值符號(hào)位為“1”。

幅值采用反碼。因此，零表示為0b11111111，而+1表示為0b11111110。這是為了保證發(fā)送數(shù)據(jù)流中有大量的“1”位。(很多類型的物理層傳輸設(shè)備僅在“1”位有電平跳變；因此，大量的“1”位使時(shí)鐘恢復(fù)更容易。)
有“正零”和“負(fù)零”之別，分別表示為0b11111111和0b01111111。

最大的負(fù)數(shù)為-127，表示為0b00000000。然而，為保持定時(shí)的完整性，許多系統(tǒng)不允許全零值。這些系統(tǒng)通過自動(dòng)對(duì)第1位取反來阻止全零碼的出現(xiàn)。雖然這會(huì)給碼流造成不可恢復(fù)的變化(0b00000000變?yōu)?b00000010)，但對(duì)于音頻傳輸而言，它在聽覺上造成的變化微乎其微 - 兩種碼所表達(dá)的聲音都非常響！(本設(shè)計(jì)中未執(zhí)行該功能，盡管實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單。)

對(duì)于a率：

和μ率一樣，負(fù)數(shù)符號(hào)位為零。
和μ率一樣，有“負(fù)零”和“正零”之別，分別表示為0b00000000和0b10000000。
傳輸之前，每個(gè)a率字被0x55“異或”，相當(dāng)于對(duì)編碼字節(jié)隔位取反。和μ率中的取反類似，也可以確保高密度的“1”，使時(shí)鐘恢復(fù)更容易。
解碼
解碼8位pcm采樣要比編碼容易得多，因?yàn)闊o需對(duì)信號(hào)進(jìn)行再抽樣。經(jīng)過適當(dāng)?shù)膒cm編碼規(guī)則處理后，得到一個(gè)8位、帶符號(hào)的幅度值。以這個(gè)數(shù)值為索引，檢索相應(yīng)的pcm表格(同時(shí)考慮符號(hào))，得到一個(gè)16位、帶符號(hào)的數(shù)值，可直接送給dac。

為本項(xiàng)目選擇的轉(zhuǎn)換器是max5722雙通道dac。這是一款12位dac，采用低成本8引腳μmax封裝。和大多數(shù)dac一樣，max5722需要一個(gè)外部基準(zhǔn)電壓源。正好，maxq3120上的1.25v帶隙基準(zhǔn)源適用于此目的。

max5722是一款串行dac，這就意味著微控制器必須以串行方式和dac通信。dac接口是同步的，因此無需連續(xù)為其提供時(shí)鐘 - 只有當(dāng)片選為低時(shí)才需要提供時(shí)鐘給它。因此可以利用微控制器的通用i/o組成一個(gè)3線接口與其通信。

在本設(shè)計(jì)中，注意到adc通道的輸入范圍為-1.0v至+1.0v，而dac輸出通道的范圍為0.0v至+1.25v。在一個(gè)真正的電信應(yīng)用中，例如線卡，這樣的信號(hào)電平很可能還需要轉(zhuǎn)換為其他模擬電平(例如，電信網(wǎng)絡(luò)中通常能遇到的最大電平為0dbm，即對(duì)600阻抗輸出1mw)。如果在你的應(yīng)用中必須保持輸入、輸出電平相等，請(qǐng)參考max5722數(shù)據(jù)資料中關(guān)于產(chǎn)生雙極性輸出的詳細(xì)說明。

pcm總線

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了如何將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為壓縮的pcm碼，或者反之，余下的就一個(gè)問題了：與pcm總線的連接。

大多數(shù)情況下，與pcm干線的連接涉及一條四線總線的連接：一條發(fā)送數(shù)據(jù)線(終端發(fā)送其數(shù)據(jù)到這條線)；一條接收數(shù)據(jù)線(中繼設(shè)備發(fā)送其數(shù)據(jù)到這條線，終端從中取回?cái)?shù)據(jù))；一條幀同步線(每個(gè)終端獨(dú)占一條，其上脈沖指示何時(shí)總線上載有用于該終端的數(shù)據(jù))；以及一條位時(shí)鐘線。我們的codec旨在用于終端設(shè)備，它接收位時(shí)鐘和幀脈沖，從接收數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù)，向發(fā)送數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)。 在t1系統(tǒng)中，時(shí)鐘工作于1.544mhz。這就意味著當(dāng)一個(gè)幀脈沖到來時(shí)我們必須非?？斓仨憫?yīng)(幾個(gè)時(shí)鐘脈沖內(nèi))，一位所占時(shí)間略大于625ns，或五個(gè)指令周期。由于這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)小于通常的中斷響應(yīng)時(shí)間(考慮現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)和其他中斷響應(yīng)時(shí)的開銷)，簡(jiǎn)單地以中斷方式響應(yīng)幀脈沖信號(hào)速度不夠 - 必須考慮其他方案。

我們的方案是，采用maxq3120三個(gè)定時(shí)器中的一個(gè)，超前預(yù)期的幀脈沖到達(dá)時(shí)間幾個(gè)微秒中斷處理器。當(dāng)幀脈沖到來時(shí)，處理器已被中斷，并完成現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，已準(zhǔn)備好投入每個(gè)時(shí)鐘周期來執(zhí)行pcm總線任務(wù)。其工作如下：設(shè)置定時(shí)器溢出間隔為110μs。在每一幀所有數(shù)據(jù)位被移出，幀事件處理完畢后啟動(dòng)定時(shí)器。以t1系統(tǒng)為例，在10.4μs要移出兩個(gè)采樣的數(shù)據(jù)。當(dāng)定時(shí)器中斷處理器后，軟件立即開始監(jiān)視幀脈沖的前沿。這是系統(tǒng)唯一的中斷。所有其它事務(wù)都工作于查詢方式，且要等待最重要的任務(wù)(通過總線收發(fā)pcm數(shù)據(jù))完成后方能著手處理。

幀脈沖到來時(shí)處理器會(huì)非常忙碌。它需要移位發(fā)送緩沖器并將要輸出的位寫到合適的端口；接著在五個(gè)周期內(nèi)讀取一個(gè)輸入位并移位接收緩沖器。maxq3120能夠非常精確地在5個(gè)周期內(nèi)完成這些任務(wù)。

你或許已注意到，這里的討論只聚焦于t1總線，那e1的情況又如何呢？工作于2.048mhz的e1系統(tǒng)每一位的時(shí)間只略大于488ns - 少于四個(gè)指令周期。因此，e1 pcm總線的管理有賴于外部硬件。例如一片廉價(jià)的、由位時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的移位寄存器，就可將處理器從苛刻的位級(jí)定時(shí)解放出來。

額外功能

我們的codec完成了。然而，專用codec已非常廉價(jià)且供應(yīng)充足，因此，除非有特別動(dòng)機(jī)，否則，用微控制器搭建codec將無任何意義。以下是一些可能促使設(shè)計(jì)者考慮該系統(tǒng)的想法：

前置濾波 當(dāng)信號(hào)還是線性pcm格式時(shí)，我們有非常好的機(jī)會(huì)來對(duì)其進(jìn)行均衡、動(dòng)態(tài)范圍壓縮、噪聲抑制或大量其他類型的信號(hào)操作。雖然maxq3120并非傳統(tǒng)意義上的dsp，憑借該處理器的能力，還是能夠輕松應(yīng)付這些功能的。
帶內(nèi)信令提取 在線性pcm碼流中探測(cè)帶內(nèi)音的高效、簡(jiǎn)單算法很容易找到。可以將這些算法拓展為探測(cè)dtmf數(shù)字信號(hào)，并用它們實(shí)現(xiàn)一些特定的性能和功能。利用該算法精密監(jiān)聽撥號(hào)音(北美為350hz + 440hz)、振鈴(440hz + 480hz)和忙音(480hz + 620hz)，我們還可以知道一次通話的進(jìn)程情況。
會(huì)議電話橋分器 可以非常簡(jiǎn)單地對(duì)通道1接收的音頻信號(hào)進(jìn)行混合，并將其與通道2發(fā)送的音頻相組合，反之亦然。通過這種操作，你實(shí)際上等效于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)兩通道的數(shù)字會(huì)議電話橋分器。由于是數(shù)字橋，話音質(zhì)量沒有損失。如果希望橋接兩個(gè)以上通道，只需簡(jiǎn)單地增加更多maxq3120器件。

結(jié)語

雖然maxq3120并不是專為電信類應(yīng)用設(shè)計(jì)，其片上精密adc和dsp功能卻為設(shè)計(jì)者帶來了廣闊的機(jī)會(huì)，很容易用它們實(shí)現(xiàn)用戶化的硬件和軟件方案。各種各樣唾手可得的開發(fā)工具簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)。