语音处理芯片AC48105在低速语音编码设备中的应用
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关键词：AC48105；DSP内核；工作模式；语音压缩编码
AC48105是AudioCodes公司生产的一种专用语音处理芯片，它具有低比特率的语音压缩编码、解压和传真等多种功能，内含５路相互独立的复用信道，可以传输语音、传真和数据信息。芯片内核为１６位的DSP，其中固化有芯片本身所提供的各种编码操作格式。文中将主要介绍AC48105在低速语音编码设备中通过配置ＤＳＰ内核来实现语音压缩和解压功能的具体方法。
１ 主要性能
语音压缩编码是相对于６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ（脉冲编码调制）常规语音编码而言的。近年来，低比特率语音编码的研究取得了较大的飞跃，目前甚至出现了速率在１ｋｂｐｓ左右的语音编码算法。而专用语音处理芯片ＡＣ４８１０５能提供多种低比特率的语音编码格式及服务，具体内容如下：
●基于Ｇ．７２９（附Ａ）协议的８ｋｂｐｓ ＣＳ－ＡＣＥＬＰ语音编码；
●基于Ｇ．７２３．１协议的６．３／５．３ｋｂｐｓ ＭＰ－ＭＬＱ语音编码；
●基于Ｇ．７２６／Ｇ．７２７协议的１６～４０ｋｂｐｓ ＡＤＰＣＭ和Ｅ－ＡＤＰＣＭ语音编码；
●基于Ｇ．７１１协议的６４ｋｂｐｓ μ律／Ａ律ＰＣＭ语音编码；
●６．４、７．２、８．０、８．８、９．６ｋｂｐｓ的ＮｅｔＣｏｄｅｒ语音编码；
●基于Ｇ．７２９（附Ｂ）协议的静音抑制，包括语音激活检测（ＶＡＤ）和舒适噪音发生器（ＣＮＧ）；
图1
●基于Ｇ．７２３．１（附Ａ）协议的ＶＡＤ和ＣＮＧ静音抑制。
ＡＣ４８１０５的主要特性有：
●可进行自动语音／传真／数据切换；
●损毁封包自动修复；
●Ｇ．１６８／Ｇ．１６５的自适应回声抑制；
●带有Ｅ＆Ｍ，ＡＢ，ＡＢＣＤ的接口；
●具有信道内信号的传输（ＣＡＳ）功能；
●可对ＴＩＡ ４６４Ｂ ＤＴＭＦ信号进行检测及再生；
●带内信号传输（ＩＢＳ），包括ＭＦ Ｒ１，Ｒ２，ＳＳ－４，ＳＳ－５，ＡＣ１５和呼叫过程；
●具有可编程音频信号传输功能；
●可控制输入、输出增益；
●片内带有ＰＣＭ的高速接口，可支持Ｔ１，Ｅ１和Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｅ１格式；
●具有并行主机处理器接口；
●可实时全双工工作。
２ 芯片工作模式和命令
ＡＣ４８１０５的内核是１６位的ＤＳＰ，其中固化了多种编码操作。其ＤＳＰ内核与外部主机的数据交换可通过８根复用的地址／数据总线来实现。ＡＣ４８１０５有如下四种工作模式：
（１） 重置和内核下载模式（Ｒｅｓｅｔ／Ｋｅｒｎｅｌ Ｄｏｗｎ-ｌｏａｄ Ｍｏｄｅ）；
（２） 编程下载模式?Ｐｒｏｇｒａｍ Ｄｏｗｎｌｏａｄ Ｍｏｄｅ?；
（３） 初始化模式?Ｉｎｉｔｉａｔｉｏｎ Ｍｏｄｅ?；
（４） 运行模式（包括闲置状态和激活状态）（Ｒｕｎ Ｍｏｄｅ（Ｉｄｌｅ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｔａｔｅ））。
上述四种模式一起组成了芯片完整的操作流程。图１是其工作模式序列图。
●重置和内核下载模式
上电时，该模式启动，当重置信号被激活(ＲＥＳＥＴ管脚箝制在低电平)时，其内核代码被下载到ＡＣ４８１０５中。
●编程下载模式
编程下载模式的启动需同时满足两个条件，一是主机设置ＡＣ４８１０５中的ＨＰＩＣ寄存器，使ＨＩＮＴ信号变为高电平；二是内核下载成功。
编程下载结束时，芯片自动进入初始化模式。
●初始化模式及命令
处于该模式时，主机发出的命令对芯片每个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别如表１、表２所列。
表1 主要初始化命令
| 命 令 名 称 | 操作码值（Opcode Value） | 信号（Signaling） |
| PCM命令 | 00h | 不相关 |
| Run命令 | 01h | 不相关 |
| Debug命令 | 03h | 不相关 |
| MSIG命令 | 04h | 不相关 |
| Extended Signal命令 | 06h | 仅当ES=1 |
| Call Progress命令 | 07h | 仅当ES=1 |
| 用户自定义音频命令 | 08h | 仅当ES=1 |
表2 初始化命令格式
| Frame Title(帧结构） | Bit Number(位结构） | |||||||||||||||
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
| Syns Header(同步头） | 0 | ID（识别号） | AAh | |||||||||||||
| Command Header(命令头） | Length(长度） | OPCode(操作码） | ||||||||||||||
| Parameter 1(参数1） | ||||||||||||||||
| …… | ||||||||||||||||
| Parameter n（参数n) | ||||||||||||||||
| Checksum Footer(校验和页脚） | 0 | Sequence Number(序列号） | Checksum(校验和) | |||||||||||||
每个命令都有一个同步头ＡＡ ｈ。命令头中，操作码用来表示命令的类型，长度域则用于表明命令的字节数（１６进制）。
当主机发出Ｒｕｎ命令后，芯片就进入运行模式。
● 运行模式（包括闲置状态和激活状态）
芯片一旦进入该模式，所有的通道都被置为闲置状态，此时主机便开始为每个通道设置运行参数。当某通道处在闲置状态时，它所占有的时隙一般不会丢失。
与初始化模式不同的是，运行模式中的命令都只是针对单个通道有效。
如果系统中有多个ＡＣ４８１０５芯片，主机必须依次对各芯片进行配置。表３所列为闲置状态的命令格式。
表3 闲置状态命令格式
| Frame Title（帧结构） | Bit Number（位结构） | |||||||||||||||
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 | |
| Sync Header(同步头） | 00h | AAh | ||||||||||||||
| Command Header(命令头） | Length(长度) | OPCode(操作码) | ||||||||||||||
| Parameter 1(参数1） | ||||||||||||||||
| …… | ||||||||||||||||
| Parameter[（Length-4)/2](参数（Length-4)/2]) | ||||||||||||||||
从闲置状态进入激活状态后，数据包将在每个帧间隙内通过激活通道，在ＡＣ４８１０５和主机之间传输。对于语音传输来说，帧间隙长度由现行的语音编码方式和数据包有效载荷的块数决定。
３ 芯片与主机接口（ＨＰＩ）
ＨＰＩ（Ｈｏｓｔ Ｐｏｒｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）是一个８位的并行接口，主机可以通过ＨＰＩ访问语音芯片内部的存储器。由于语音芯片的内核是１６－ｂｉｔ的处理器，因此，为了协调主机与ＡＣ４８１０５之间的数据传送，ＨＰＩ会自动将来自片内存储器的数据由字转换为两个字节的形式，同样它也会在向片内存储器写入数据之前，将两个字节的数据压缩成字的形式。ＨＰＩ可以访问的片内存储器为２ｋＢ，地址为１０００Ｈ～１７ＦＦＨ，同时主机也可以通过ＨＰＩ访问这些地址，有关地址的分配如表４所列。
表4 HPI地址分配
| 地 址 范 围 | 寄存器/缓冲区 | 寄存器内容 |
| 1000 | 内核下载缓冲 | - |
| 104B | 导入状态寄存器 | 满包=0，空包=1，校验和错误=2 |
| 104C | 程序下载块缓冲区 | - |
| 166D | 存储包数量缓冲区 | 范围为0-15 |
| 166E | 主机读包状态缓冲区 | 满包=0，空包=1 |
| 166F | 主机写包状态缓冲区 | 满包=0，空包=1 |
| 1670-1737 | 主机写包缓冲区 | |
| 1738-17FF | 主机写包缓冲区 |
实际上，ＨＰＩ只需对片内存储器的４个寄存器进行访问即可，这四个寄存器分别是：控制寄存器，地址寄存器和数据寄存器，其中数据寄存器分为地址自动累加和地址不影响两种。
４ 在数字程控交换机中的应用
４．１ 系统简介
低速语音编码和数据交换设备能够完成的功能主要是实现基于数字交换的３０路本地用户通话；５～１４路局间语音交换、语音压缩及复接、速率在６４ｋ、１２８ｋ、２５６ｋ可调、电话会议、全部话务员功能以及实现微机监控等。该设备全部采用模块化设计，按功能可以分为以下几个模块：交换及控制模块、用户电路模块、语音压缩及复接模块和稳压电源及接口部分。各个模块之间的关系如图２所示。
４．２ 语音压缩模块的工作原理和工作流程
该模块使用了３片ＡＣ４８１０５芯片，每片芯片可配置成５个独立通道，对应着５个时隙，这样，３片芯片一共可以处理１５个时隙信号，分别对应１５个中继用户信息。同时每片ＡＣ４８１０５还外带一片ＳＲＡＭ，用于为其内部的ＤＳＰ运算提供所需的空间，但主机对ＳＲＡＭ不做额外地控制。
本系统中，主机采用Ａｔｍｅｌ公司的ＡＴ８９Ｃ５２单片机，其中Ｐ０口作为数据／地址低８位复用；Ｐ２口作为地址的高８位使用，该设计只用到了Ａ８、Ａ９、Ａ１３、Ａ１４、Ａ１５；Ｐ１口的Ｐ１．０、Ｐ１．１、Ｐ１．２分别用作三片语音压缩芯片的复位信号，Ｐ１．３作为压缩芯片的读／写复用信号。同时，压缩芯片的分离读信号和写信号分别接单片机的读、写控制口（即Ｐ３口的Ｐ３．６和Ｐ３．７）。单片机可通过高位地址译码访问三片语音芯片，具体操作为：在ＦＰＧＡ中将Ａ１５、Ａ１４和Ａ１３接３～８ 译码器，０００时选通语音芯片Ａ，００１时选通语音芯片Ｂ，０１０时选通语音芯片Ｃ。
采用的编码协议为Ｇ．７２９。该协议中以１０ｍｓ为一个语音帧，每帧包含８０个样本，这８０个样本已经不是普通的语音信号，而是一些ＣＥＬＰ模式的参数，包括线谱对、自适应码本延迟、基音延迟奇偶性、固定码本指标、固定码本符号、码本增益（第１级）、码本增益（第２级）等，对这些参数进行编码并传输之后，即可在译码器端，用于恢复激励与合成滤波器的参数。这样，在加电后，语音芯片开始加载其所需的两个软件程序代码：内核代码（ｋｅｒｎｅｌ ｃｏｄｅ）和程序代码（ｐｒｏｇｒａｍ ｃｏｄｅ），这两个文件共占用１２２ｋ Ｂｙｔｅｓ的空间，可选一片Ａｔｍｅｌ的ＡＴ２８Ｃ０１０－１２８ｋ×８的Ｅ２ＰＲＯＭ存储器来存储，对Ｅ２ＰＲＯＭ的访问可通过Ａ１５、Ａ１４、Ａ１３的译码和单片机的读信号来得到。值得注意的是，单片机对Ｅ２ＰＲＯＭ的寻址必须顺序执行，两个软件按顺序从Ｅ２ＰＲＯＭ的首地址开始放置，当两个软件顺序下载到一片语音芯片之后，在ＦＰＧＡ的内部将产生一个硬件清零，从而使Ｅ２ＰＲＯＭ的地址指针再次指向首地址处，以用于下一片语音芯片的下载。在对３片ＡＣ４８１０５进行正确加载后，单片机开始配置其工作状态，而后执行压缩／解压操作。由于每片语音芯片的内部只能存放１５包数据，即每路通道有３包数据，每包代表１０ｍｓ的语音帧，因此单片机需要在足够有效的时间段里依次轮询三片语音芯片，否则就会出现漏包而造成较大的数据流失。所以，单片机与３片语音芯片的数据交换需要一个缓冲区。本系统中，这个缓冲区由ＦＰＧＡ内部的双口ＲＡＭ来完成，双口ＲＡＭ写入与读出数据的时钟可以不相同，这样可保证写入与读出数据时相互不受影响。
当在闲置态运行激活命令时，语音芯片就进入激活态，此时语音芯片开始和单片机进行数据交换。在Ｇ．７２９协议下，每包数据代表１０ｍｓ的语音数据（称为一个语音帧），一共８０Ｂｙｔｅｓ，当单片机向语音芯片写入待压缩数据时，需要在每个语音帧的帧头加１６Ｂｙｔｅｓ的命令头，中间是语音数据，末尾还要加上０～４Ｂｙｔｅｓ的后缀。反之，当单片机从语音芯片中取出已解压的数据时，每个语音帧的帧头也有由语音芯片的ＤＳＰ内核产生的１６Ｂｙｔｅｓ状态头，紧接状态头的是语音数据，末尾是０～４Ｂｙｔｅｓ的后缀。
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