l 引言
語音編解碼技術的迅速發展，使中低速率語音編碼技術廣泛應用于現代移動通信。初期的脈沖編碼調制PCM方案傳輸速率為64 Kb/s，占用的頻帶寬，成本高。在實際通信中，有些信道難以擴展且質量差，而有些信道正廣泛使用，短期內難以更新；有些昂貴的信道，壓縮每一個比特都意味著節省成本。如何在較窄的帶寬內傳送更多的語音數據，這就要求利用各種壓縮編碼技術來擴大通信容量。因此，這里給出了基于新型語音編碼器CMX638的應用設計方案。
2 CMX638簡介
CMX638是一款高集成，高性能全雙工語音編解碼器，采用魯棒的先進低復雜性波形插入技術，提供超低位速率下長話級音質性能，且具有FEC(前向糾錯)、SDD(軟決策解碼)、DTX(非連續發送檢測)、VAD(語音激活檢測)、CNG(舒適噪聲發生)、STD和DTMF信號檢測功能。因此，該語音編解碼器可廣泛用于語音存儲和回放、VoIP、數字PMR／LMR、再生數字語音中繼等領域。
2．1 主要特性
CMX638具有以下主要特性：長話級音質魯棒先進的低復雜性波形插入編碼算法：多種壓縮速率模式則為2 050 b／s，2 400 b／s、2 750 b／s或3 600 b／s(帶FEC功能)；集成16位A/D和D／A轉換器、模擬增益放大器和數字低通濾波器：數據包壓縮時間長度分20 ms，40 ms，60 ms和80 ms；具有VAD、CNG、STD和DTMF功能；+1.8 V和+3.3 V雙電源供電：采用48引腳LQFP(L4)和48引腳VQFN(Q3)封裝；工作溫度范圍為-40℃～+85℃。
2．2 內部結構
CMX638的內部結構包括模擬和數字兩部分，加圖1所示。當端口CSEL輸入低電平時，即選擇使用外部語音解碼器(CODEC)，可通過串行接口SSP 與外部器件交換數據，編碼器和解碼器選擇片外CODEC的數據通道，端口EEC和REC輸出分別使能和復位片外的CODEC；當CSEL輸入高電平時，CMX638選用內部CODEC模塊，該模塊包括輸入／輸出通道的可編程增益放大器(PGA)，16位PCM A／D和D／A轉換器以及通帶頻率為4 kHz的低通濾波器，可有效實現模擬信號轉換成數字信號及數字信號轉換成模擬信號的過程。主機通過控制總線C-BUS接口配置內部寄存器，實現不同功能；端口SYNC使主機與CMX638同步；語音壓縮編碼器將源信號壓縮成低比特率的數據幀，解碼器把數據幀解壓縮，恢復源信號；如果使用FEC功能，開關則選擇前向糾錯編碼器和解碼器，兩者加入到數據的壓縮和解壓縮過程中：STD／DTMF管理模塊提供語音信號的特殊處理功能，實現單音或雙音檢測，提高語音壓縮和解壓質量。
2．3 與AMBE2000相比較
與同類競爭產品語音壓縮編解碼器件AMBE2000相比CMX638具有以下特點：采用RALCWI算法，速度快，質量好且結構簡單；片內集成增益放大器，A／D和D／A轉換器，低通濾波器，能夠直接處理模擬信號，提高信噪比；可選用外部語音CODEC，具有靈活性；壓縮速率雖無AMBE2000的選項多，但配合壓縮包時間長度和FEC功能，可應用于DMR TDMA和DMR FDMA及其他場合；封裝引腳數少，易于使用和布線，且成本低。表1列出CMX638與AMBE2000的異同點。
3 CMX638工作原理
3．1 編解碼過程
3．1．1 不帶FEC的簡單幀格式編解碼
CMX638提供簡單的編解碼數據幀格式，其壓縮速率包括2 050 b／s，2 400 b／s，2 750 b／s，此過程不帶FEC，STD和DTMF功能。CMX638每隔20 ms采集160個16位數據(A／D轉換器的采樣率為8 kHz)，當第一個20 ms結束后，開始編碼運算，由于信號的異同會產生不同抖動延時，主機在40 ms的時刻讀取第一幀數據。以后每隔20 ms操作一次，形成流水線作業。在解碼過程中，在0 ms時刻主機向CMX638輸入一幀數據后，CMX638開始解碼運算，與編碼相似也會出現算法抖動延時，第一個樣本的輸出時刻由內部寄存器IDD決定，其延時應確保輸出連續有效的數據。圖2為CMX638簡單幀格式編解碼過程。
3.1.2 帶FEC的復雜幀格式編解碼
CMX638可提供帶前向糾錯的編解碼數據幀格式，其數據包長度為60 ms，包括3幀數據，其壓縮速率為3 600 b／s。CMX638在0時刻開始采樣，每隔20 ms進行編碼運算，會出現抖動延時，每隔60 ms插入一次FEC編碼(圖3黑色部分)，在80 ms時刻一個數據包穩定有效，主機讀出數據，以后每隔60 ms操作一次。在解碼過程中，主機向CMX638輸入數據包后，開始對每一幀數據解碼運算，并會出現抖動延時，設置適當的內部寄存器IDD，可在延時后輸出連續有效的數據。圖3是帶FEC的復發幀格式編解碼過程，其數據包壓縮時間為60 ms。
3．2 數據幀格式
CMX638編碼后輸出的數據幀格式較簡單，無幀頭和其他控制標志信息，直接輸出有效數據。當壓縮速率為2 050b／s時，每隔20 ms產生一幀數據，有效數據位為41 bit，占用6字節，主機必須以字節為單位與CMX638交換數據，所以應該輸入／輸出6字節，其中最高字節先進先出，7個無效比特位不影響編解碼。當壓縮速率為2 400 b／s時，其工作原理與2 050 b／s壓縮速率相同，有效數據為48 bit，恰好占用6字節，無無效比特位。當壓縮速率為2 750 b／s，有效數據為55bit，占用7字節，1個無效比特位，必須輸入／輸出7字節。當壓縮速率為3 600 b／s，帶FEC功能，每隔60 ms產生包括3幀的數據包，有效數據為216 bit，采用硬比特格式，占用27字節。而采用軟比特格式時，則占用108字節。
3．3 主機與片外CODEC接口
主機通過C-BUS串行接口與CMX638交換數據。寫操作時，CSN為低，先寫入要訪問的寄存器地址，再寫入有效數據，以字節為單位，結束時CSN拉高；讀操作時，先寫入地址，接著讀取數據。在CLK上升沿采樣，最大時鐘頻率為5 MHz；每兩次CSN操作應至少相隔1μs。
當CMX638選用外部CODEC時，利用SSP接口與外部CODEC交換數據。當STRB同步脈沖到達，如果是寫操作，SDI輸入16 bit數據；如果是讀操作，SDO輸出16 bit數據。SCLK的最大時鐘頻率為6.6 MHz，時鐘沿采樣輸入數據方式取決于內部寄存器EXCODECCONT($0B)。
4 應用電路
4．1 CMX638采集電路設計
圖4是基于CMX638的語音采樣、壓縮、解壓縮的應用電路，采集麥克風的語音信號，直接壓縮；再解壓縮恢復源語音信號輸出到喇叭。CMX638使用片內的語音CODEC，可直接采集模擬信號。輸入／輸出通道分別有兩個可編程增益放大器，通過配置寄存器AIG($05)和AOG($06)確定其增益。當輸入/輸出增益較大時，可能出現噪聲，但這些噪聲被片內數字低通濾波器濾除。信號的輸入/輸出端無需接放大電路和濾波電路，提高信噪比。
麥克風和喇叭的輸入/輸出采用差分接法，提高抗干擾性能。晶體振蕩器頻率為12 MHz，對應的XTALSEL[3：1]引腳輸入值為“010”，引腳ENABXTAL輸入高電平。由于選用片內語音CODEC，引腳CSEL輸入高電平，則與片外語音CODEC通信的數字接口SDI，SDO，SCLK，STRB必須全部接地。引腳EEC和FEC是輸出端口，可以懸空。C-BUS接口與微控制器對應相接，CLK時鐘頻率為1 MHz，通過C-BUS接口先配置內部寄存器，確定其工作方式。在編碼正常工作狀態下，微控制器根據SYNC端口與CMX638同步，通過IRQN接收中斷信號，讀取壓縮的數據幀并存儲為后級處理；在解碼過程中，微控制器向CMX638送入數據幀解碼，恢復源語音信號。
4．2 CMX638與PCM3500接口電路設計
CMX638使用靈活，當選用片外語音CODEC時，其典型應用是與PCM3500配合使用，圖5為應用電路。PCM3500是Burr-Brown公司開發的16位低功耗A／D和D／A轉換器，系統晶體振蕩器時鐘頻率為4.096 MHz，采樣率為8 kHz。端口BCK時鐘頻率為128 kHz。MS端輸入高電平為主動工作模式，FS主動輸出同步信號，BCK輸出時鐘信號。引腳TSC輸入低電平，控制時隙操作模式，當同時使用多片 PCM3500時才使能該功能，對應的FSO為輸出口，可懸空。引腳LOOP使能A／D轉換器與D／A轉換器循環連接。HPFD輸入高電平，取消高通濾波器，可濾除輸入的直流分量。麥克風和喇叭采用單端輸入/輸出方式，輸入端接增益為22的放大電路和直流偏置電路，輸出端接上低通濾波器，提高信噪比。數字接口與CMX638的SPI接口對應連接，實現數據交換。
由于CMX638選用片外的語音CODEC，端口CSEL應輸入低電平，利用REC連接PCM3500的PDWN端口，對其復位；模擬輸入／輸出端需要增加相應的放大和濾波電路。微控制器配置內部寄存器EXCODECCONT($0B)可使CMX638與PCM3500的通信接口工作方式相對應，如圖5所示。該電路同樣實現麥克風的語音信號的采集，直接壓縮；再解壓縮恢復源信號輸出到喇叭。圖4和圖5都可以靈活應用于話音記錄儀，語音通信系統，數字鏈路等領域。
5 結語
隨著數字語音通信的高速發展，要求在極低傳輸速率中保持高質量語音信號。改進編碼速率低于4 Kb／s的壓縮算法無疑成為當前研究熱點。作為最有潛力的波形內插語音編碼算法，其今后研究重點為與其他低速率語音編碼技術更合理相互補充；特征波形提取和對齊問題。CMX638采用魯棒的先進低復雜性波形插入技術的語音編解碼算法，在低速率下保持長話級的語音質量，不但節約存儲資源，而且能夠減小對通信帶寬的要求。聲碼器CMX638集成了A／D和D／A轉換器，可直接處理模擬信號，使用靈活，具有廣闊的應用前景。