用L9320實(shí)現(xiàn)ADPCM語音編解碼

關(guān)鍵詞：語音編碼器；編解碼；ADPCM；PCM；L9320

Ｌ９３２０是ＬＡＮＷＡＶＥ 公司生產(chǎn)的一款自適應(yīng)音頻脈沖編碼（ＡＤＰＣＭ）編解碼芯片，它所采用的語音壓縮編解碼方法符合國際電話與電報(bào)顧問委員會（ＣＣＩＴＴ）的Ｇ．７２１和Ｇ．７２６標(biāo)準(zhǔn)，同時也兼容ＣＣＩＴＴ的Ｇ．７１４標(biāo)準(zhǔn)。Ｌ９３２０ 可以將模擬話音轉(zhuǎn)化成速率為３２、２４或１６ｋＢ／ｓ的數(shù)字信號；并可將相同速率的數(shù)字信號進(jìn)行逆變換以形成模擬話音信號。Ｌ９３２０具有ＡＤＰＣＭ編解碼器和ＰＣＭ編解碼器／濾波器的雙向信號通道，除具有正常的ＡＤＰＣＭ編解碼模式外，還具有ＰＣＭ編解碼模式、電源測試模式和編解碼器測試模式。應(yīng)用Ｌ９３２０的不同速率信道可實(shí)現(xiàn)不同的倍增比，從而有效提高信道的利用率。

１ Ｌ９３２０的主要功能

１．１ 概述

Ｌ９３２０帶有可預(yù)設(shè)的串行端口（ＳＳＰ），該端口可與１６字節(jié)的狀態(tài)設(shè)置寄存器進(jìn)行接口。微控制器能夠從ＳＳＰ接口獲得內(nèi)部的數(shù)據(jù)。另外，該芯片由于包含有帶ＰＣＭ編碼解碼濾波器的輸出放大器，因而能夠?qū)δM接口進(jìn)行簡單控制。Ｌ９３２０主要具有以下特點(diǎn)：

●能在２．７～５．２５Ｖ電壓范圍內(nèi)全雙工工作；

●主時鐘頻率為１０．２４ＭＨｚ?

●內(nèi)部集成有１４ｂｉｔｓ的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換器；

●可完成μ律和Ａ律壓縮；

●可以對３２、２４和１６ｋＢ／ｓ的數(shù)據(jù)進(jìn)行ＡＤＰＣＭ編碼，編碼后的數(shù)據(jù)可以達(dá)到１２８?２０４８ｋｂｐｓ；

●具有可編程的發(fā)射增益、接收衰減和側(cè)音增益控制功能；

●采用２８腳ＤＩＰ或ＳＯＰ封裝。

１．２ 引腳功能

Ｌ９３２０的引腳排列如圖１所示。

２ Ｌ９３２０內(nèi)部原理

圖２給出了Ｌ９３２０的內(nèi)部功能原理框圖。該器件包括∑－Δ編解碼濾波、電源管理、ＤＳＰ處理和寄存器狀態(tài)控制四個子系統(tǒng)。

２．１ 電源管理

Ｌ９３２０的電源管理系統(tǒng)主要由一組專為模擬信號處理單元供電的５Ｖ電源和一組專為數(shù)字信號處理單元供電的３Ｖ電源組成。除了輸出功率放大器ＡＸ０和ＰＯ外，所有的模擬電路都由這組５．５Ｖ電源供電。值得注意的是，ＡＸ０和ＰＯ的驅(qū)動電流由ＶＥＸＴ引腳提供。當(dāng)ＶＥＸＴ為＋５Ｖ５％時，ＶＤＤ應(yīng)該與ＶＥＸＴ直接相連，而沒有必要使用充電電容Ｃ１＋和Ｃ１－。但此時ＢＲＯ?ｂ２?必須設(shè)置為“１”，以使充電電流泵電路關(guān)閉。當(dāng)ＶＥＸＴ為２．７～５．２５Ｖ時，ＶＤＤ是電流泵電路的輸出電壓，因此不能與ＶＥＸＴ相連接，而應(yīng)通過０．１μＦ的電容耦合到Ｖｓｓ。全數(shù)字電路應(yīng)通過ＶＤＳＰ由３Ｖ供電，不管ＶＥＸＴ上的電壓如何變化，數(shù)字電路部分均由ＶＤＳＰ供電，這樣能夠降低芯片的總功耗。要注意的是，ＶＤＳＰ應(yīng)該通過０．１μＦ的電容耦合到Ｖｓｓ。此外，其它的模擬參考電壓，如ＲＯ、ＡＸ０和ＰＯ上的電壓大小均可由ＢＲ０?ｂ２?決定，一般為２．５Ｖ或ＶＥＸＴ／２。

２．２ ∑－Δ編解碼濾波

通常在ＰＣＭ通信系統(tǒng)中，當(dāng)語音信號進(jìn)入ＰＣＭ編碼器之前，必須經(jīng)過一個３００～３４００Ｈｚ的濾波器，以濾除語音中的高頻分量，從而防止抽樣過程中可能出現(xiàn)的混疊現(xiàn)象，這個濾波器也稱為前置去混疊濾波器。由于ＰＣＭ解碼器的輸出信號是階梯波形，因此必須采用一個具有ｘ／ｓｉｎｘ補(bǔ)償因子的３００～３４００Ｈｚ 的低通濾波器，才能恢復(fù)出原語音信號。但是，音頻模擬濾波器的小型化始終是一個難題，在此頻段，采用ＬＣ濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)是最不可取的，而ＲＣ有源濾波器雖然可使電路體積減小，但在靈敏度、穩(wěn)定性和精度方面也不能令人滿意。因此，設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量采用Ｌ９３２０內(nèi)部集成的開關(guān)電容濾波器，它的準(zhǔn)確性和溫度穩(wěn)定性都很高。

Ｌ９３２０內(nèi)部本身帶有采用∑－Δ技術(shù)的線性１４ｂｉｔ ＰＣＭ編解碼濾波器。Ｌ９３２０可分為發(fā)射通道和接收通道。對于發(fā)射通道，當(dāng)來自麥克風(fēng)的模擬信號送入功率放大器后，其放大增益可以通過增益控制模塊由軟件進(jìn)行控制，范圍為０～７ｄＢ，步進(jìn)量為１ ｄＢ?！疲ふ{(diào)制功能模塊以１．０２４ＭＨｚ的頻率對輸入的模擬信號進(jìn)行過采樣，下一級的抗混疊濾波器可將采樣頻率降到３２ｋＨｚ，接著再對其進(jìn)行４倍抽取而得到８ｋＨｚ。這樣經(jīng)過各種濾波處理后，Ａ／Ｄ后的１４ｂｉｔｓ數(shù)據(jù)便可以送入ＤＳＰ處理模塊以進(jìn)行進(jìn)一步的處理。對于接收通道，來自ＤＳＰ處理模塊中Ｒｘ衰減控制部分的１４ｂｉｔｓ線性數(shù)字信號首先送入數(shù)字抗混疊內(nèi)插濾波器，以完成與發(fā)射通道相反的功能，采樣率也將從８ｋＨｚ（１４ｂｉｔｓ）提高到１．０２４ＭＨｚ（１４ｂｉｔｓ），∑－Δ解調(diào)功能模塊則將１４ ｂｉｔｓ采樣（１．０２４ＭＨｚ）轉(zhuǎn)換為１ｂｉｔ采樣（１．０２４ＭＨｚ）。輸出的數(shù)字信號送入開關(guān)電容低通濾波器，再經(jīng)平滑濾波器消除由電容濾波器所引起的其它頻譜成分，同時恢復(fù)出原語音信號。最后，再將輸出的模擬信號送入功率放大器ＲＯ輸出。

需要說明的是，Ｌ９３２０中另一個功率放大器ＰＯ采用的是推挽式結(jié)構(gòu)。ＡＸ０和ＰＯ在不同的應(yīng)用電路中有不同的配置方式，其中ＡＸ０主要用于便攜式領(lǐng)域，而ＰＯ主要用于高增益范圍，此時的增益范圍可以通過外部的兩個電阻來調(diào)節(jié)。

２．３ ＤＳＰ處理模塊

ＤＳＰ處理模塊是Ｌ９３２０中最核心的部分，同樣也可以分為發(fā)射通道和接收通道。發(fā)射通道主要完成側(cè)音增益處理、μ／Ａ律壓縮以及ＡＤＰＣＭ編碼和音調(diào)編碼。而在側(cè)音增益部分，輸入采樣將反饋到接收通道并和數(shù)字接收增益輸出相加，然后將Ａ／Ｄ后的結(jié)果依次存入ＢＲ９?ｂ７?ｂ０?和ＢＲ１０?ｂ７?ｂ２?寄存器。ＡＤＰＣＭ編碼／音調(diào)編碼到底是提供１６ｋｂｐｓ?２４ｋｂｐｓ、３２ｋｂｐｓ的ＡＤＰＣＭ數(shù)據(jù)，還是提供６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)所傳輸?shù)膸问絹頉Q定。幀長代表的是幀同步ＦＳＴ為“１”時（即ＦＳＴ有效時）ＢＣＬＫ的上下降沿的個數(shù)。由于幀同步時鐘為８ｋＨｚ，因此，每１２５μｓ應(yīng)進(jìn)行一次編碼中斷請求。

在接收通道，Ｌ９３２０通常在ＢＣＬＫ和ＦＳＲ的控制下從ＤＲ接收來自串行數(shù)據(jù)口的數(shù)據(jù)。同樣，由于接收幀同步時鐘為８ｋＨｚ，因此，每１２５μｓ應(yīng)發(fā)一次解碼中斷請求；而ＡＤＰＣＭ解碼／音調(diào)解碼不但可以提供１６ｋｂｐｓ、２４ｋｂｐｓ或３２ｋｂｐｓ的ＡＤＰＣＭ數(shù)據(jù)，而且可以提供６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ數(shù)據(jù)。Ｌ９３２０的數(shù)字接收增益靈敏度范圍可以通過ＳＳＰ端口的ＢＲ３（ｂ０：ｂ０）進(jìn)行選擇和控制。為了消除噪聲影響，還可以通過設(shè)置ＢＲ７（ｂ６）使能噪聲檢測算法來檢測干擾雜音，以便在必要的情況下采取降噪措施。把重建后的線性ＰＣＭ數(shù)據(jù)進(jìn)行同步并送入ＳＳＰ端口的ＢＲ１１（ｂ７?ｂ０），可進(jìn)行Ｇ．７２６ ＣＣＩＴＴ標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整。合成后的ＰＣＭ數(shù)據(jù)將和發(fā)射通道側(cè)音增益模塊的反饋信號進(jìn)行疊加，然后再送入Ｒｘ衰減增益控制模塊以保護(hù)輸出驅(qū)動器和避免失真；Ｒｘ衰減增益可以通過ＳＳＰ端口的ＢＲ２（ｂ２?ｂ０）寄存器來進(jìn)行選擇和控制，其衰減范圍為０ｄＢ～－７ｄＢ，增益步進(jìn)量為１ｄＢ。

圖2

２．４ 時序和控制

Ｌ９３２０的時序和控制部分主要用來提供諸如∑－Δ編解碼濾波所需的１．０２４ＭＨｚ和８ｋＨｚ等時鐘信號。ＤＳＰ處理部分的ＭＣＬＫ主時鐘可以異步于其它部分的時鐘，它在無線應(yīng)用中的典型值為１０．２４ＭＨｚ或１６．３８４ＭＨｚ?！疲ぞ幗獯a濾波可以直接利用ＢＣＬＫＲ來作為１．０２４ＭＨｚ輸入時鐘，但是它的上升沿必須和ＦＳＴ的上升沿基本保持一致。如果選用這種模式，則應(yīng)由ＢＣＬＫＴ控制ＡＤＰＣＭ的收發(fā)工作，這可以通過配置ＳＳＰ端口的ＢＲ０?ｂ７?寄存器來實(shí)現(xiàn)。

此外，有兩種方法可以降低芯片的總功耗。第一種方法是使ＰＤＩ／ＲＥＳＥＴ保持為０，這樣可使硬件電路處于低功耗狀態(tài)。第二種方法是利用軟件來實(shí)現(xiàn)，即當(dāng)ＢＲ０（ｂ１）設(shè)置為模擬低功率狀態(tài)時，所有的模擬信號處理時鐘將停止工作；而當(dāng)ＢＲ０（ｂ０）設(shè)置為１時，所有的數(shù)字信號處理時鐘將停止工作。如果芯片處于低功耗狀態(tài)，那么，ＶＡＧ、ＴＧ、ＲＯ、ＰＯ、ＡＸＯ、ＤＴ和ＳＳＰ Ｔｘ的輸出均為高阻態(tài)；而當(dāng)功耗模式被重新激活時，ＡＤＰＣＭ算法便復(fù)位到ＣＣＩＴＴ初始狀態(tài)。

３ Ｌ９３２０的應(yīng)用

將Ｌ９３２０編解碼器用于典型的無線便攜式產(chǎn)品時，ＶＥＸＴ可以采用２．７～５．２５Ｖ的電池供電，電路的連接方法如圖３所示。要注意的是，這里的ＶＤＤ和ＶＤＳＰ不能用來對外部系統(tǒng)供電，而且在這種模式下，ＳＳＰ端口的ＢＲ０（ｂ２）寄存器必須首先清零。Ｌ９３２０可以廣泛應(yīng)用于低成本無線語音通信產(chǎn)品中，筆者所在的科研小組曾用Ｌ９３２０成功開發(fā)出了無線會議系統(tǒng)的ＡＤＰＣＭ語音編解碼電路，該系統(tǒng)中，Ｌ９３２０編解碼器的控制是由ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)完成的。此外，Ｌ９３２０也可以廣泛應(yīng)用于公共電話交換網(wǎng)中。

圖3

４　結(jié)束語

Ｌ９３２０音頻脈沖編解碼器具有ＡＤＰＣＭ編解碼器和ＰＣＭ編解碼器／濾波器的雙向信號通道，它除具有正常的ＡＤＰＣＭ編解碼模式外，還有ＰＣＭ編解碼模式、電源測試模式和編解碼器測試模式。因此，應(yīng)用Ｌ９３２０的不同速率可在各信道實(shí)現(xiàn)不同的倍增比，從而有效提高信道的利用率。Ｌ９３２０有兩個主要應(yīng)用領(lǐng)域：一是無線電話系統(tǒng)，二是在公共電話交換網(wǎng)中進(jìn)行線路對話量的增容。此外，Ｌ９３２０還可用于便攜式、低功耗無線通信產(chǎn)品中，比如無線會議系統(tǒng)等。