音頻編解碼器是現(xiàn)代數(shù)字電話的基石。它是將可聽語音轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并再次轉(zhuǎn)換回可聽語音的組件。本文使用MAXQ3120的A/D通道和外部DAC對標(biāo)準(zhǔn)μ律和A律格式的語音進(jìn)行編碼和解碼。這留下了大量的處理能力可用于執(zhí)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(xiàn)代電話是數(shù)字化的。帶有數(shù)百個(gè)電觸點(diǎn)的喋喋不休的Strowger開關(guān)，數(shù)英里的雙絞線電纜，就像扎染意大利面條，以及曾經(jīng)點(diǎn)綴在鄉(xiāng)村的微波塔，已經(jīng)一去不復(fù)返了。如今，語音流量會(huì)盡早轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并與數(shù)千個(gè)其他語音呼叫、電子郵件和網(wǎng)頁一起在光纖上進(jìn)行傳輸。

數(shù)字電話推動(dòng)了信息時(shí)代，并繼續(xù)通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議語音（VoIP）等技術(shù)改變通信格局。然而，一個(gè)事實(shí)仍然存在——在這條線的某個(gè)地方，語音必須轉(zhuǎn)換為比特，然后比特又轉(zhuǎn)換為語音。

這是編解碼器的工作。這個(gè)詞是編碼器/解碼器的縮寫，設(shè)備在概念上很簡單。它由一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 組成，用于將輸入音頻轉(zhuǎn)換為比特流，一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 將接收到的比特流轉(zhuǎn)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之間插入和移除數(shù)字化音頻。

通常，編解碼器是獨(dú)立的混合信號(hào)半導(dǎo)體。只要編解碼器用于簡單的應(yīng)用程序（例如終端交換機(jī)的線卡）就可以了。然而，通常需要對傳輸?shù)囊纛l執(zhí)行某種預(yù)處理（例如峰值限制、動(dòng)態(tài)范圍壓縮或頻譜整形）或?qū)邮盏囊纛l進(jìn)行后處理（例如降噪）。對于獨(dú)立編解碼器來說，這是一個(gè)問題，因?yàn)橐坏?a href="http://m.1cnz.cn/analog/" target="_blank">模擬音頻呈現(xiàn)給（或取自）編解碼器，就沒有進(jìn)一步的機(jī)會(huì)執(zhí)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員有兩個(gè)難以處理的選擇：要么在模擬域中執(zhí)行此處理（通常價(jià)格昂貴且可能噪聲大），要么放棄使用獨(dú)立的單芯片編解碼器，并使用獨(dú)立的精密ADC和DAC芯片在數(shù)字域中執(zhí)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，作為語音編解碼器，能夠?qū)θ胝竞统稣疚涣鬟M(jìn)行額外的處理。

編解碼器基礎(chǔ)知識(shí)

早在考慮數(shù)字電話之前，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音信號(hào)保持可理解性。超出此范圍的頻率會(huì)影響語音信號(hào)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(hào)比寬帶信號(hào)更容易理解。根據(jù)奈奎斯特標(biāo)準(zhǔn)，即信號(hào)的采樣頻率必須至少是目標(biāo)最高頻率的兩倍，所有語音編解碼器都以每秒8，000個(gè)樣本的速度工作 - 超過所需3.5kHz的兩倍 - 并且每個(gè)樣本都轉(zhuǎn)換為數(shù)字碼字。

然而，碼字的大小帶來了一個(gè)問題。在任何數(shù)字系統(tǒng)中，都需要在信號(hào)完整性和字?jǐn)?shù)之間進(jìn)行權(quán)衡。為了獲得最佳保真度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?guī)捫枰ㄥX。或者，設(shè)計(jì)人員可以選擇較小的字大小以節(jié)省帶寬成本，但語音質(zhì)量會(huì)受到影響。測試表明，小碼字（大約八位）可以提供良好的語音質(zhì)量，但前提是說話者以安靜、一致的聲音說話。語音音量的正常變化會(huì)使發(fā)射機(jī)飽和，導(dǎo)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，使柔和的聲音聽起來沙啞和不自然。為了適應(yīng)各種人聲，從最柔和的耳語到最響亮的喊叫，似乎需要十二到十四位的分辨率。

解決方案是使用非線性編解碼器（見圖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(cuò)誤比對柔和聲音中的小錯(cuò)誤更寬容。在圖中，沉默以零線為中心;柔和的聲音僅偏離中心線的一小部分，而大的聲音偏離得更大。在這些器件中，零線周圍的代碼比遠(yuǎn)離零線的代碼更密集，從而使編解碼器能夠?yàn)榈碗娖叫盘?hào)提供可接受的結(jié)果，同時(shí)保持高電平信號(hào)的良好動(dòng)態(tài)范圍。

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

在數(shù)字方面，有必要與PCM高速公路接口。通常，在公共總線（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(dú)的電線將每個(gè)編解碼器連接到其關(guān)聯(lián)的中繼設(shè)備。為了協(xié)調(diào)傳輸，編解碼器共享一個(gè)公共位時(shí)鐘，并通過單個(gè)幀脈沖發(fā)出信號(hào)以開始發(fā)送或接收。在常見的北美標(biāo)準(zhǔn)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型的序列器邏輯以每秒 544，000，125 位的速度計(jì)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，依此類推。在所有 <> 個(gè)編解碼器傳輸完數(shù)據(jù)后，序列器提供一位時(shí)間用于信令目的，然后重復(fù)序列。因此，數(shù)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 編解碼器的類型

世界已經(jīng)對電話中使用的PCM編解碼器的幀速率（以及采樣率）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。可悲的是，世界幾乎沒有其他標(biāo)準(zhǔn)化。有兩種類型的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)是DS1（也稱為T1）編解碼器，能夠在A定律或μ定律模式下工作。

μ法編解碼器根據(jù)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(jù)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(shù)是線性的;僅當(dāng)輸入值大于 1/A 時(shí)，它才會(huì)變?yōu)閷?shù)。

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。此外，在實(shí)踐中，這些線性公式實(shí)際上從未使用過。相反，需要分段線性近似來減輕計(jì)算開銷。但是，此處介紹的設(shè)計(jì)通過查找表實(shí)現(xiàn)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。雖然沒有DAC通道，但有低成本的精密串行DAC可以滿足這種能力。剩下的就是構(gòu)建軟件來連接這些外圍設(shè)備。

編碼

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

首先是A/D轉(zhuǎn)換步驟，這也是最簡單的，因?yàn)镸AXQ3120內(nèi)置了ADC通道。MAXQ3120每16μs產(chǎn)生一個(gè)新的48位結(jié)果。這意味著系統(tǒng)在384MHz的處理器時(shí)鐘上有8個(gè)指令周期來處理樣本。

幸運(yùn)的是，處理樣本很簡單，只需讀取ADC并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在循環(huán)緩沖器中即可。緩沖區(qū)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(qū)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，無論我們對信號(hào)做什么，都必須對其進(jìn)行重新采樣。一種簡單的方法是，當(dāng)接收到幀脈沖時(shí)，只接受最新的采樣進(jìn)行轉(zhuǎn)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。濾波器過程的結(jié)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 位線性轉(zhuǎn)換為其代碼;直接計(jì)算和分段近似是兩種流行的方法。我們沒有使用這兩種方法，而是利用MAXQ3120相對較大的程序空間，設(shè)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律。啟動(dòng)時(shí)，將輪詢外部引腳，并根據(jù)該引腳的級別將其中一個(gè)表加載到 RAM 中。編碼過程的操作如下：

取 16 位線性 PCM 樣本的絕對值。跟蹤符號(hào)位。

現(xiàn)在對適用的表執(zhí)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(fù)此步驟，直到只剩下兩個(gè)表?xiàng)l目，然后選取最接近的表?xiàng)l目。

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

最后，應(yīng)用原始樣本值的符號(hào)。 生成的八位數(shù)字是對數(shù) PCM 值。然而，這還不是結(jié)束。網(wǎng)絡(luò)上發(fā)出的 PCM 值不僅僅是二進(jìn)制補(bǔ)碼值。相反，每個(gè)轉(zhuǎn)碼法都有適用的特殊規(guī)則。

對于μ法：

負(fù)數(shù)具有零號(hào)位;正值有一個(gè)符號(hào)位。

幅度值反轉(zhuǎn)：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（許多類型的物理層傳輸機(jī)制僅在一位上具有電平轉(zhuǎn)換;因此，高數(shù)量的一位使時(shí)鐘恢復(fù)更容易。

有一個(gè)“正零”值和一個(gè)“負(fù)零”值，分別由0b11111111和0b01111111表示。

最大的負(fù)數(shù)是 -127，用 0b00000000 表示。但是，為了保持時(shí)序完整性，許多系統(tǒng)不允許全零值，這些系統(tǒng)通過反轉(zhuǎn)位1自動(dòng)阻止全零碼。這使得代碼流發(fā)生了不可逆轉(zhuǎn)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！（此設(shè)計(jì)不執(zhí)行此功能，但很容易進(jìn)行更改。

對于A法：

就像在μ定律中一樣，負(fù)數(shù)有一個(gè)零號(hào)位。

就像在μ定律中一樣，有一個(gè)“負(fù)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(yùn)算;有效地反轉(zhuǎn)字節(jié)中的其他位。與μ定律的反轉(zhuǎn)一樣，這保證了高密度，使時(shí)鐘恢復(fù)更容易。

譯碼

解碼八位PCM樣本比編碼容易得多，因?yàn)闊o需對信號(hào)進(jìn)行重新采樣。應(yīng)用 PCM 法律規(guī)則后，將保留一個(gè) 16 位有符號(hào)量級值。將該值用作適用 PCM 表的索引（考慮登錄）;結(jié)果是一個(gè) <> 位有符號(hào)值，可以傳送到 DAC。

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

MAX5722為串行接口DAC，這意味著微控制器必須創(chuàng)建適合DAC的串行流。DAC接口是同步的，因此不需要連續(xù)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使用三線接口。

請注意，在本設(shè)計(jì)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(yīng)用中，例如線卡，這些電平可能會(huì)轉(zhuǎn)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）。如果保持輸入和輸出電平相同對于應(yīng)用很重要，請參考MAX5722數(shù)據(jù)資料，了解產(chǎn)生雙極性輸出的詳細(xì)信息。

PCM 總線

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

大多數(shù)情況下，與PCM高速公路的接口涉及連接到四線總線：終端將數(shù)據(jù)放置在其上的傳輸數(shù)據(jù)線;中繼設(shè)備在其上放置數(shù)據(jù)以及終端接收數(shù)據(jù)的接收數(shù)據(jù)線;通常對每個(gè)終端唯一的幀同步線，當(dāng)總線包含用于該終端的數(shù)據(jù)時(shí)，該同步線會(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(shè)備，它將接收位時(shí)鐘和幀脈沖，在接收數(shù)據(jù)線上接收數(shù)據(jù)，并在發(fā)送數(shù)據(jù)線上傳輸其數(shù)據(jù)。

在T1系統(tǒng)中，時(shí)鐘運(yùn)行在1.544MHz。這意味著當(dāng)幀脈沖到達(dá)時(shí)，我們必須在短短幾個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)非常快速地做出響應(yīng)。一位時(shí)間略高于625ns，或五個(gè)指令周期。由于此時(shí)間遠(yuǎn)小于典型的中斷延遲（當(dāng)考慮中斷、上下文保存和開銷時(shí)），因此僅用中斷響應(yīng)幀脈沖信號(hào)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(dá)前幾微秒中斷處理器。然后，當(dāng)幀脈沖最終到達(dá)時(shí)，處理器已被中斷，已保存其上下文，并準(zhǔn)備將每個(gè)周期專用于 PCM 總線任務(wù)。它的工作原理如下：設(shè)置一個(gè)計(jì)時(shí)器在 110μs 后過期。在所有位移出后，在每個(gè)幀事件結(jié)束時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。在T1系統(tǒng)中，兩個(gè)樣品在10.4μs內(nèi)移出。當(dāng)定時(shí)器中斷處理器時(shí)，軟件立即開始尋找?guī)}沖的前緣。這是系統(tǒng)中唯一的中斷。其他所有內(nèi)容都會(huì)被輪詢，并且可以等到將 PCM 數(shù)據(jù)上下總線的重要任務(wù)完成。

一旦幀脈沖到達(dá)，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入端口，然后在五個(gè)周期內(nèi)讀取輸入位并移位接收緩沖器。MAXQ3120在<>個(gè)周期內(nèi)完成此操作。

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

附加功能

編解碼器已完成。但是，由于獨(dú)立編解碼器價(jià)格低廉且數(shù)量豐富，因此從微控制器構(gòu)建編解碼器是沒有意義的，當(dāng)然，除非作為設(shè)計(jì)師，您別有用心。以下是一些可能促使設(shè)計(jì)人員考慮此類系統(tǒng)的想法：

預(yù)過濾當(dāng)信號(hào)采用線性PCM格式時(shí)，這是對信號(hào)應(yīng)用均衡、動(dòng)態(tài)范圍壓縮、噪聲門控或任何其他操作的絕佳機(jī)會(huì)。雖然MAXQ3120不是傳統(tǒng)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(nèi)。

帶內(nèi)信令提取高效、簡單的算法可用于檢測線性 PCM 流中的帶內(nèi)音調(diào)。可以利用這些算法來檢測DTMF數(shù)字，并使用這些算法來實(shí)現(xiàn)某些特性和功能。還可以使用音調(diào)檢測，通過精確檢測撥號(hào)音（在北美，350Hz + 440Hz）、站鈴（440Hz + 480Hz）和忙音（480Hz + 620Hz）來確定呼叫進(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單，反之亦然。通過這樣做，您有效地為兩個(gè)渠道創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)字會(huì)議橋。由于網(wǎng)橋是數(shù)字的，因此不會(huì)損失語音質(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(jié)論

雖然MAXQ3120并非專門針對電信行業(yè)，但其片內(nèi)精密ADC和DSP功能為設(shè)計(jì)人員提供了廣泛的機(jī)會(huì)來創(chuàng)建定制的硬件和軟件解決方案。各種開發(fā)工具的可用性使設(shè)計(jì)任務(wù)變得簡單。

審核編輯：郭婷