AMBE-1000聲碼器在語音通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：AMBE-1000是一款語音質(zhì)量較好的低比特率聲碼器芯片。提出了應(yīng)用該芯片研制語音通信聲碼器的具體實(shí)現(xiàn)方案。給出了語音通信系統(tǒng)中電話用戶接口回路、PCM語音數(shù)字化編碼回路和AMBE-1000是支持電路。關(guān)鍵詞：AMBE-1000 聲碼器 語音通信 AMBE-1000是美國(guó)DVSI公司研制、Lucent公司生產(chǎn)的一款成熟的雙工聲碼器芯片。該芯片采用AMBE語音編碼算法，編碼速率為2.4～9.6kb/s。AMBE（Advanced Multi-Band Excitation）算法是MBE（Multi-Band Excitation）算法的改進(jìn)和擴(kuò)充。MBE語音編碼算法是將語音譜按基音頻率分成若干個(gè)帶，對(duì)各個(gè)帶的信號(hào)中清音/濁音（V、UV）分別處理，最后將各個(gè)帶信號(hào)疊加，形成全帶合成語音。AMBE-1000聲碼器在低速率和較強(qiáng)背景噪聲下具有比較好的語音質(zhì)量，從而使其在車、船載移動(dòng)衛(wèi)星語音通信系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。Inmarat（國(guó)際海事衛(wèi)星組織）已把AMBE-1000應(yīng)用于其各代衛(wèi)星語音通信系統(tǒng)中，該芯片還可應(yīng)用于語音壓縮與存儲(chǔ)等系統(tǒng)[3]。本文把AMBE-1000應(yīng)用于語音通信系統(tǒng)，提出了具體實(shí)現(xiàn)方案，給出了其電話用戶接口回路、PCM語音數(shù)字化編碼回路和AMBE-1000支持電路。1 AMBE-1000簡(jiǎn)介 1.1 AMBE-1000的主要特點(diǎn) （1）具有高語音質(zhì)量、低速率的全雙工編碼器。編碼速率從2.4kb/s至9.6kb/s可變，語音質(zhì)量和其它聲碼器的比較如圖1[1]所示。從圖1可以看出，在4.8kb/s的編碼速率下，AMBE-100有很好的語音質(zhì)量；在2.4kb/s的編碼速率下，該芯片產(chǎn)生的語音比GSM語音還好。 （2）有較強(qiáng)的抗背景噪聲能力，有FEC功能，有良好的抗信道干擾能力，具體如圖2[1]所示。 從圖2可以看出，AMBE-1000算法的抗背景噪聲能力明顯比較性預(yù)測(cè)CELP等其它算法的高。 （3）具有功耗低的優(yōu)點(diǎn)，還具有DTMF信號(hào)的檢測(cè)、識(shí)別、產(chǎn)生和發(fā)送以及話音激活、舒適噪音插入和回音消除等功能[2]。1.2 AMBE-1000的基本工作原理 AMBE-1000的AD/DA語音接口信號(hào)可以是標(biāo)準(zhǔn)的μ律或A律壓擴(kuò)量化的PCM信號(hào)，也可以是14或16比特線性量化的PCM信號(hào)。壓縮語音數(shù)據(jù)的傳輸接口能夠設(shè)置為主動(dòng)或被動(dòng)方式，且數(shù)據(jù)可按串行或并行的方式傳輸。AMBE-1000提供了用來設(shè)置芯片默認(rèn)工作狀態(tài)的一系列引腳，芯片加電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入由引腳設(shè)置的默認(rèn)狀態(tài)。這些設(shè)置包括AD/DA轉(zhuǎn)換格式、語音編碼速率、FEC速率、主動(dòng)/被動(dòng)方式、并/串?dāng)?shù)據(jù)方式、VAD使能、回音消除使能等。這些狀態(tài)可以通過硬件設(shè)置，也可以由軟件通過控制字進(jìn)行更改[2]。AMBE-1000的數(shù)據(jù)格式可以是幀格式也可以是非幀格式，通常使用幀格式。對(duì)于幀格式，AMBE-1000以20ms為周期全雙工并行工作。在20ms之后，AMBE-1000將A/D轉(zhuǎn)換器送來的數(shù)字化語音壓縮，按其幀格式打包后送到編碼輸出緩沖器，并將解碼器輸入緩沖器的數(shù)據(jù)包解壓還原送向D/A轉(zhuǎn)換器，從而完成對(duì)數(shù)字語音的編、解碼。 2 AMBE-1000在語音通信系統(tǒng)中的應(yīng)用 基于AMBE-1000具有的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)總框圖如圖3所示。系統(tǒng)采用電話機(jī)輸入語音，提供了標(biāo)準(zhǔn)的RJ11接口，接口電路用MC3419-1L實(shí)現(xiàn)。語音的數(shù)字化PCM編碼采用MC14LC5480實(shí)現(xiàn)，最后采用AMBE-1000對(duì)語音實(shí)現(xiàn)壓縮。2.1 用戶回路接口電路 用戶回路接口電路SCIL（Subscriber Loop Interface Circuit）主要為用戶電話機(jī)回路提供“BORSHT”功能，由MC3419-1L實(shí)現(xiàn)。 MC3419-1L是Motrola公司生產(chǎn)的用戶回路接口電路接口芯片，其基本性能有：向用戶環(huán)路饋送直流電源；采用電流鏡、運(yùn)放及外接平衡網(wǎng)絡(luò)完成2/4線轉(zhuǎn)換；具有用戶線狀態(tài)的檢測(cè)功能，并輸出相應(yīng)的電平信息。MC3419-1L電路內(nèi)采用電流鏡來實(shí)現(xiàn)各種主要功能。電流鏡最重要的特性是它可將一路輸入電流分解為若干路輸出電流，輸入為低阻抗，輸出為高阻抗，輸出輸入電流有嚴(yán)格的比例關(guān)系。MC3419-1L使用6個(gè)電流鏡中的兩個(gè)組成直流饋電電路。為了提高饋電能力并降低芯片功能，需要外接TIP125/111作為輸出電流的功放管；芯片的2/4線轉(zhuǎn)功能也是利用運(yùn)放和電流鏡實(shí)現(xiàn)的，二線用戶環(huán)路信號(hào)（平衡信號(hào)）可傳送到四線發(fā)送輸出端（非平衡信號(hào)），而四線接收輸入端的信號(hào)除了傳送到用戶環(huán)路外，還通過平衡網(wǎng)絡(luò)，抵消返回到發(fā)送運(yùn)放輸入端的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)接收至發(fā)送之間的隔離；芯片的用戶掛機(jī)、摘機(jī)檢測(cè)也是通過內(nèi)部電流鏡比較來實(shí)現(xiàn)的[5]。圖4是MC3419-1L的一個(gè)簡(jiǎn)化應(yīng)用電路。在圖4中，TIP125和TIP111都是電流饋電功放輸出管；-48伏電源與用戶線之間的二極管橋和電阻主要起過壓過流保護(hù)作用，電容起防沖擊作用；接入CC引腳的外接阻容元件主要用于抑制工頻共模干擾；MC3419-1L與PCM的連接部分為平衡網(wǎng)絡(luò)電路。 2.2 PCM電路 語音的PCM編碼是將模擬的語音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的語音信號(hào)。它是語音數(shù)字化的第一步，也是語音壓縮的基礎(chǔ)。 MC14LC5480是Motorola公司生產(chǎn)的μ/A律PCM芯片，它有以下特點(diǎn)：低功耗；低噪聲的全差分模擬電路設(shè)計(jì)；片內(nèi)集成有發(fā)送帶通濾波器和接收低通濾波器；具有RC預(yù)濾波器后濾波器；μ/A律可選擇。圖5是MC14LC548的原理框圖[5]。 在圖5中，RO+、RO-和TI+、TI-分別是PCM模擬語音信號(hào)的差分輸出和輸入；PI、PO+、PO-用來放大模擬信號(hào)以驅(qū)動(dòng)模擬語音設(shè)備；同步控制部分主要用于控制幀同步和比特位同步，控制引腳主要用于μ/A律的選擇和低功耗模式的選擇。 圖6是MC14LC5480的具體應(yīng)用電路圖[6]。 在圖6中，8kHz、2.048MHz時(shí)鐘源可用Motorola的MC74HC4060來產(chǎn)生。具體實(shí)現(xiàn)如圖7所示。 2.3 AMBE-1000電路 AMBE-1000的電路分三個(gè)部分：與PCM接口部分；芯片控制引腳設(shè)置部分；壓縮數(shù)據(jù)輸入、輸出部分[1][2]。 2.3.1 AMBE-1000與PCM的接口電路 AMBE-1000要求PCM語音數(shù)據(jù)以串行的方式輸入、輸出。該接口電路的關(guān)鍵在于PCM語音數(shù)據(jù)的幀同步和比特位同步，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖8所示。其中，輸入的8kHz時(shí)鐘源用于比特位同步，2.048MHz時(shí)鐘源用于幀同步。D觸發(fā)器和反向器用于兩個(gè)時(shí)鐘源的同步。 2.3.2 芯片控制引腳設(shè)置 AMBE-1000的引腳設(shè)置主要包括傳輸接口的設(shè)置，也就是對(duì)串行與并行、主動(dòng)與被動(dòng)、幀與非幀的傳輸接口模式設(shè)置，還包括芯片特定功能的設(shè)置。 傳輸接口的串、并行設(shè)置就是選擇壓縮語音數(shù)據(jù)是以8比特寬并行方式輸入、輸出，還是以串行的方式輸入、輸出。芯片的主動(dòng)、被動(dòng)模式是指壓縮語音數(shù)據(jù)輸入、輸出的選通脈沖信號(hào)是由AMBE-1000提供還是由外部提供。幀與非幀的模式是指輸入、輸出數(shù)據(jù)是由外部提供。幀與非幀的模式是指輸入、輸出數(shù)據(jù)是否用AMBE-1000的固定數(shù)據(jù)幀格式封裝。在本系統(tǒng)中AMBE-1000設(shè)置為主支、串行、幀格式格式下工作。 AMBE-1000特定功能的設(shè)置包括AD/DA轉(zhuǎn)換格式、語音編碼速率、FEC速率、VAD使能、CNI使能、回音使能、DTMF處理以及低功耗模式等。引腳設(shè)置為芯片設(shè)置了加電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入的默認(rèn)狀態(tài)。以上部分設(shè)置還可以通過AMBE-1000的軟件控制字進(jìn)行更改，引腳設(shè)置的電路可以采用跳線座和跳線帽來實(shí)現(xiàn)，以方便硬設(shè)置的更改。2.3.3 壓縮語音數(shù)據(jù)的輸入輸出電路 壓縮語音數(shù)據(jù)的輸入輸出電路主要是指?jìng)鬏斀涌诘脑O(shè)置電路以及與標(biāo)準(zhǔn)串口DB-9的連接電路。本系統(tǒng)傳輸接口的設(shè)置為主動(dòng)、串行、幀格式模式，也就是CH_SEL2、CH_SEL1、CH_SEL0（98、99、2引腳）設(shè)置為0、1、0。圖9為芯片與DB-9的簡(jiǎn)化連接電路圖。 其中，AMBE-1000中的CHS_I_CLK（串行輸入時(shí)鐘）CHS_O_CLK（串行輸出時(shí)鐘）、CHS_I_STRB（輸入數(shù)據(jù)選通）、CHS_）_STRB（輸出數(shù)據(jù)選通）、CHS_SYNC（串行同步）用于輸入輸出的時(shí)鐘同步。