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語音處理芯片AC48105在低速語音編碼設備中的應用
摘要：AC48105是以色列AudioCodes公司生產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。該芯片內含５路相互獨立的復用信道，可以傳輸語音、傳真和數據信息，帶有的16位DSP內核可提供多種語音編碼格式。文中結合該芯片在低速語音編碼設備中的應用，詳細介紹了其工作模式及配置方法。關鍵詞：AC48105；DSP內核；工作模式；語音壓縮編碼
AC48105是AudioCodes公司生產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，內含５路相互獨立的復用信道，可以傳輸語音、傳真和數據信息。芯片內核為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在低速語音編碼設備中通過配置ＤＳＰ內核來實現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于６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ（脈沖編碼調制）常規語音編碼而言的。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，具體內容如下：
●基于Ｇ．７２９（附Ａ）協議的８ｋｂｐｓ ＣＳ－ＡＣＥＬＰ語音編碼；
●基于Ｇ．７２３．１協議的６．３／５．３ｋｂｐｓ ＭＰ－ＭＬＱ語音編碼；
●基于Ｇ．７２６／Ｇ．７２７協議的１６～４０ｋｂｐｓ ＡＤＰＣＭ和Ｅ－ＡＤＰＣＭ語音編碼；
●基于Ｇ．７１１協議的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）協議的靜音抑制，包括語音激活檢測（ＶＡＤ）和舒適噪音發生器（ＣＮＧ）；
圖1
●基于Ｇ．７２３．１（附Ａ）協議的ＶＡＤ和ＣＮＧ靜音抑制。
ＡＣ４８１０５的主要特性有：
●可進行自動語音／傳真／數據切換；
●損毀封包自動修復；
●Ｇ．１６８／Ｇ．１６５的自適應回聲抑制；
●帶有Ｅ＆Ｍ，ＡＢ，ＡＢＣＤ的接口；
●具有信道內信號的傳輸（ＣＡＳ）功能；
●可對ＴＩＡ ４６４Ｂ ＤＴＭＦ信號進行檢測及再生；
●帶內信號傳輸（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傳輸功能；
●可控制輸入、輸出增益；
●片內帶有ＰＣＭ的高速接口，可支持Ｔ１，Ｅ１和Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅ１格式；
●具有并行主機處理器接口；
●可實時全雙工工作。
２ 芯片工作模式和命令
ＡＣ４８１０５的內核是１６位的ＤＳＰ，其中固化了多種編碼操作。其ＤＳＰ內核與外部主機的數據交換可通過８根復用的地址／數據總線來實現。ＡＣ４８１０５有如下四種工作模式：
（１） 重置和內核下載模式（Ｒｅｓｅｔ／Ｋｅｒｎｅｌ Ｄｏｗｎ-ｌｏａｄ Ｍｏｄｅ）；
（２） 編程下載模式?Ｐｒｏｇｒａｍ Ｄｏｗｎｌｏａｄ Ｍｏｄｅ?；
（３） 初始化模式?Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ?；
（４） 運行模式（包括閑置狀態和激活狀態）（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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●重置和內核下載模式
上電時，該模式啟動，當重置信號被激活(ＲＥＳＥＴ管腳箝制在低電平)時，其內核代碼被下載到ＡＣ４８１０５中。
●編程下載模式
編程下載模式的啟動需同時滿足兩個條件，一是主機設置ＡＣ４８１０５中的ＨＰＩＣ寄存器，使ＨＩＮＴ信號變為高電平；二是內核下載成功。
編程下載結束時，芯片自動進入初始化模式。
●初始化模式及命令
處于該模式時，主機發出的命令對芯片每個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(幀結構） Bit Number(位結構） 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Syns Header(同步頭） 0 ID（識別號） AAh Command Header(命令頭） Length(長度） OPCode(操作碼） Parameter 1(參數1） …… Parameter n（參數n) Checksum Footer(校驗和頁腳） 0 Sequence Number(序列號） Checksum(校驗和)每個命令都有一個同步頭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數（１６進制）。
當主機發出Ｒｕｎ命令后，芯片就進入運行模式。
● 運行模式（包括閑置狀態和激活狀態）
芯片一旦進入該模式，所有的通道都被置為閑置狀態，此時主機便開始為每個通道設置運行參數。當某通道處在閑置狀態時，它所占有的時隙一般不會丟失。
與初始化模式不同的是，運行模式中的命令都只是針對單個通道有效。
如果系統中有多個ＡＣ４８１０５芯片，主機必須依次對各芯片進行配置。表３所列為閑置狀態的命令格式。
表3 閑置狀態命令格式
從閑置狀態進入激活狀態后，數據包將在每個幀間隙內通過激活通道，在ＡＣ４８１０５和主機之間傳輸。對于語音傳輸來說，幀間隙長度由現行的語音編碼方式和數據包有效載荷的塊數決定。
３ 芯片與主機接口（ＨＰＩ）
ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是一個８位的并行接口，主機可以通過ＨＰＩ訪問語音芯片內部的存儲器。由于語音芯片的內核是１６－ｂｉｔ的處理器，因此，為了協調主機與ＡＣ４８１０５之間的數據傳送，ＨＰＩ會自動將來自片內存儲器的數據由字轉換為兩個字節的形式，同樣它也會在向片內存儲器寫入數據之前，將兩個字節的數據壓縮成字的形式。ＨＰＩ可以訪問的片內存儲器為２ｋＢ，地址為１０００Ｈ～１７ＦＦＨ，同時主機也可以通過ＨＰＩ訪問這些地址，有關地址的分配如表４所列。
表4 HPI地址分配
實際上，ＨＰＩ只需對片內存儲器的４個寄存器進行訪問即可，這四個寄存器分別是：控制寄存器，地址寄存器和數據寄存器，其中數據寄存器分為地址自動累加和地址不影響兩種。
４ 在數字程控交換機中的應用
４．１ 系統簡介
低速語音編碼和數據交換設備能夠完成的功能主要是實現基于數字交換的３０路本地用戶通話；５～１４路局間語音交換、語音壓縮及復接、速率在６４ｋ、１２８ｋ、２５６ｋ可調、電話會議、全部話務員功能以及實現微機監控等。該設備全部采用模塊化設計，按功能可以分為以下幾個模塊：交換及控制模塊、用戶電路模塊、語音壓縮及復接模塊和穩壓電源及接口部分。各個模塊之間的關系如圖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個獨立通道，對應著５個時隙，這樣，３片芯片一共可以處理１５個時隙信號，分別對應１５個中繼用戶信息。同時每片ＡＣ４８１０５還外帶一片ＳＲＡＭ，用于為其內部的ＤＳＰ運算提供所需的空間，但主機對ＳＲＡＭ不做額外地控制。
本系統中，主機采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２單片機，其中Ｐ０口作為數據／地址低８位復用；Ｐ２口作為地址的高８位使用，該設計只用到了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位信號，Ｐ１．３作為壓縮芯片的讀／寫復用信號。同時，壓縮芯片的分離讀信號和寫信號分別接單片機的讀、寫控制口（即Ｐ３口的Ｐ３．６和Ｐ３．７）。單片機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時選通語音芯片Ａ，００１時選通語音芯片Ｂ，０１０時選通語音芯片Ｃ。
采用的編碼協議為Ｇ．７２９。該協議中以１０ｍｓ為一個語音幀，每幀包含８０個樣本，這８０個樣本已經不是普通的語音信號，而是一些ＣＥＬＰ模式的參數，包括線譜對、自適應碼本延遲、基音延遲奇偶性、固定碼本指標、固定碼本符號、碼本增益（第１級）、碼本增益（第２級）等，對這些參數進行編碼并傳輸之后，即可在譯碼器端，用于恢復激勵與合成濾波器的參數。這樣，在加電后，語音芯片開始加載其所需的兩個軟件程序代碼：內核代碼（ｋｅｒｎｅｌ ｃｏｄｅ）和程序代碼（ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｄｅ），這兩個文件共占用１２２ｋ Ｂｙｔｅｓ的空間，可選一片Ａｔｍｅｌ的ＡＴ２８Ｃ０１０－１２８ｋ×８的Ｅ２ＰＲＯＭ存儲器來存儲，對Ｅ２ＰＲＯＭ的訪問可通過Ａ１５、Ａ１４、Ａ１３的譯碼和單片機的讀信號來得到。值得注意的是，單片機對Ｅ２ＰＲＯＭ的尋址必須順序執行，兩個軟件按順序從Ｅ２ＰＲＯＭ的首地址開始放置，當兩個軟件順序下載到一片語音芯片之后，在ＦＰＧＡ的內部將產生一個硬件清零，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３片ＡＣ４８１０５進行正確加載后，單片機開始配置其工作狀態，而后執行壓縮／解壓操作。由于每片語音芯片的內部只能存放１５包數據，即每路通道有３包數據，每包代表１０ｍｓ的語音幀，因此單片機需要在足夠有效的時間段里依次輪詢三片語音芯片，否則就會出現漏包而造成較大的數據流失。所以，單片機與３片語音芯片的數據交換需要一個緩沖區。本系統中，這個緩沖區由ＦＰＧＡ內部的雙口ＲＡＭ來完成，雙口ＲＡＭ寫入與讀出數據的時鐘可以不相同，這樣可保證寫入與讀出數據時相互不受影響。
當在閑置態運行激活命令時，語音芯片就進入激活態，此時語音芯片開始和單片機進行數據交換。在Ｇ．７２９協議下，每包數據代表１０ｍｓ的語音數據（稱為一個語音幀），一共８０Ｂｙｔｅｓ，當單片機向語音芯片寫入待壓縮數據時，需要在每個語音幀的幀頭加１６Ｂｙｔｅｓ的命令頭，中間是語音數據，末尾還要加上０～４Ｂｙｔｅｓ的后綴。反之，當單片機從語音芯片中取出已解壓的數據時，每個語音幀的幀頭也有由語音芯片的ＤＳＰ內核產生的１６Ｂｙｔｅｓ狀態頭，緊接狀態頭的是語音數據，末尾是０～４Ｂｙｔｅｓ的后綴。
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