AMBE-1000聲碼器在語音通信系統(tǒng)中的應用

摘要：AMBE-1000是一款語音質(zhì)量較好的低比特率聲碼器芯片。提出了應用該芯片研制語音通信聲碼器的具體實現(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。關鍵詞：AMBE-1000 聲碼器 語音通信 AMBE-1000是美國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）算法的改進和擴充。MBE語音編碼算法是將語音譜按基音頻率分成若干個帶，對各個帶的信號中清音/濁音（V、UV）分別處理，最后將各個帶信號疊加，形成全帶合成語音。AMBE-1000聲碼器在低速率和較強背景噪聲下具有比較好的語音質(zhì)量，從而使其在車、船載移動衛(wèi)星語音通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。Inmarat（國際海事衛(wèi)星組織）已把AMBE-1000應用于其各代衛(wèi)星語音通信系統(tǒng)中，該芯片還可應用于語音壓縮與存儲等系統(tǒng)[3]。本文把AMBE-1000應用于語音通信系統(tǒng)，提出了具體實現(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簡介 1.1 AMBE-1000的主要特點 （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測CELP等其它算法的高。 （3）具有功耗低的優(yōu)點，還具有DTMF信號的檢測、識別、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語音接口信號可以是標準的μ律或A律壓擴量化的PCM信號，也可以是14或16比特線性量化的PCM信號。壓縮語音數(shù)據(jù)的傳輸接口能夠設置為主動或被動方式，且數(shù)據(jù)可按串行或并行的方式傳輸。AMBE-1000提供了用來設置芯片默認工作狀態(tài)的一系列引腳，芯片加電時自動進入由引腳設置的默認狀態(tài)。這些設置包括AD/DA轉(zhuǎn)換格式、語音編碼速率、FEC速率、主動/被動方式、并/串數(shù)據(jù)方式、VAD使能、回音消除使能等。這些狀態(tài)可以通過硬件設置，也可以由軟件通過控制字進行更改[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，從而完成對數(shù)字語音的編、解碼。 2 AMBE-1000在語音通信系統(tǒng)中的應用 基于AMBE-1000具有的優(yōu)點，本文設計的系統(tǒng)總框圖如圖3所示。系統(tǒng)采用電話機輸入語音，提供了標準的RJ11接口，接口電路用MC3419-1L實現(xiàn)。語音的數(shù)字化PCM編碼采用MC14LC5480實現(xiàn)，最后采用AMBE-1000對語音實現(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）主要為用戶電話機回路提供“BORSHT”功能，由MC3419-1L實現(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、運放及外接平衡網(wǎng)絡完成2/4線轉(zhuǎn)換；具有用戶線狀態(tài)的檢測功能，并輸出相應的電平信息。MC3419-1L電路內(nèi)采用電流鏡來實現(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，輸出輸入電流有嚴格的比例關系。MC3419-1L使用6個電流鏡中的兩個組成直流饋電電路。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)功能也是利用運放和電流鏡實現(xiàn)的，二線用戶環(huán)路信號（平衡信號）可傳送到四線發(fā)送輸出端（非平衡信號），而四線接收輸入端的信號除了傳送到用戶環(huán)路外，還通過平衡網(wǎng)絡，抵消返回到發(fā)送運放輸入端的信號，實現(xiàn)接收至發(fā)送之間的隔離；芯片的用戶掛機、摘機檢測也是通過內(nèi)部電流鏡比較來實現(xiàn)的[5]。圖4是MC3419-1L的一個簡化應用電路。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)絡電路。 2.2 PCM電路 語音的PCM編碼是將模擬的語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的語音信號。它是語音數(shù)字化的第一步，也是語音壓縮的基礎。 MC14LC5480是Motorola公司生產(chǎn)的μ/A律PCM芯片，它有以下特點：低功耗；低噪聲的全差分模擬電路設計；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模擬語音信號的差分輸出和輸入；PI、PO+、PO-用來放大模擬信號以驅(qū)動模擬語音設備；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的具體應用電路圖[6]。 在圖6中，8kHz、2.048MHz時鐘源可用Motorola的MC74HC4060來產(chǎn)生。具體實現(xiàn)如圖7所示。 2.3 AMBE-1000電路 AMBE-1000的電路分三個部分：與PCM接口部分；芯片控制引腳設置部分；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。該接口電路的關鍵在于PCM語音數(shù)據(jù)的幀同步和比特位同步，具體實現(xiàn)電路如圖8所示。其中，輸入的8kHz時鐘源用于比特位同步，2.048MHz時鐘源用于幀同步。D觸發(fā)器和反向器用于兩個時鐘源的同步。 2.3.2 芯片控制引腳設置 AMBE-1000的引腳設置主要包括傳輸接口的設置，也就是對串行與并行、主動與被動、幀與非幀的傳輸接口模式設置，還包括芯片特定功能的設置。 傳輸接口的串、并行設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、被動模式是指壓縮語音數(shù)據(jù)輸入、輸出的選通脈沖信號是由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設置為主支、串行、幀格式格式下工作。 AMBE-1000特定功能的設置包括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。引腳設置為芯片設置了加電時自動進入的默認狀態(tài)。以上部分設置還可以通過AMBE-1000的軟件控制字進行更改，引腳設置的電路可以采用跳線座和跳線帽來實現(xiàn)，以方便硬設置的更改。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傳輸接口的設置電路以及與標準串口DB-9的連接電路。本系統(tǒng)傳輸接口的設置為主動、串行、幀格式模式，也就是CH_SEL2、CH_SEL1、CH_SEL0（98、99、2引腳）設置為0、1、0。圖9為芯片與DB-9的簡化連接電路圖。 其中，AMBE-1000中的CHS_I_CLK（串行輸入時鐘）CHS_O_CLK（串行輸出時鐘）、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）用于輸入輸出的時鐘同步。