AMBE-2000TM在雙路語音編解碼器中的應用

徐貴賢，蘇 旸

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

語音的數字化又叫語音編解碼，就是將原始模擬話音轉換成 1、0 數據流在信道中進行傳輸，在接收端再用此 1、0 數據流重建模擬語音。語音編碼技術可以分為波形編碼、參數編碼和介于兩者之間的混合編碼三大類[1]。波形編碼具有抗噪性能強、語音質量好等優點．但所需的編碼速率較高，一般在16～64 kb/s，典型的編碼方式有自適應差分脈沖編碼調制(ADPCMA,Adaptive Diflerential Pulse Code Modulation)、連續可變斜率增量調制(CVSD,Continuously Variable Slope Delta Modulation)。參數編碼的特點是編碼速率低，可以達到1.2～2.4 kb/s，甚至更低。但是通常它的重建語音自然度不夠好，魯棒性差，算法復雜。混合編碼器結合了上述兩種方法的優點，在較低的比特率上能獲得較高的語音質量[2]，當前正在得到人們較大的關注；多帶激勵(MBE, Multi-Band Excitation)、碼本激勵線性預測（CELP, Code-Excited Linear Prediction）等技術尤其是加載了增強型多帶激勵（AMBE, Advanced Multi-Band Excitation)算法的芯片得到了較廣泛的應用。文中設計的8 kb/s的語音編解碼器就是采用AMBE-2000芯片實現的。

1 AMBE-2000簡介

1.1 基本特點和工作原理

AMBE-2000芯片是DVSI公司加載了AMBE算法的第二代芯片，它具有語音質量好、對環境適應能力強[1]的特點，其簡化模型及基本應用框圖如圖 1所示[5]，它可以被看做由編碼器和解碼器兩個獨立模塊構成。編碼器接收8 kHz的話音數據流和輸出一個期望的波特率的信道數據流；反之，解碼器接收一個信道數據流并合成一個語音數據流。AMBE-2000的編碼器和解碼器的接口時序是完全異步的[4]，工作是同步的。在標準模式下，每 20 ms編碼器輸出一幀話音數據，同時解碼器接收一幀話音數據。這就需要在編碼器和解碼器之間建立某種通信協議來確保信息傳輸的可靠性。通常這種通信協議有2種：幀格式和非幀格式[3]。

圖1 AMBE-2000的簡化模型及基本應用框

1.2 關鍵管腳信號介紹

AMBE-2000可以通過管腳信號靈活配置工作方式，現簡要介紹一下關鍵管腳信號的功能和配置方式。

CHAN_SEL[1:0]：CHAN_SEL1用于設置傳輸碼流的串口的工作方式，0是主動模式，1是被動模式；CHAN_SEL0用于設置碼流格式，0是有幀格式的，1是無幀格式的。

BAUD_SEL[1:0]：無幀碼流波特率配置管腳，用于設置每16位字數據中的有效碼流bit數。00~11分別表示有 1,2,3,4bit有效碼流，有效碼流從 16位字數據的最高位開始。

CODEC_SEL[1:0]：AD/DA接口配置管腳，用于選擇AD/DA類型；RATE[4:0]：編解碼速率配置管腳，用于選擇編解碼速率，其對應關系分別見參考文獻[5]的 Table 6-A、Table 7-B。變編解碼速率在芯片復位后還可以通過發送有幀格式的數據包來改變。另外 VAD_EN是話音激活檢測使能管腳，ECHOCAN_ EN是回聲抵消使能管腳，SLIP_EN是容時鐘抖動使能管腳等。所有管腳都可以通過硬件直接配置，也可以通過軟件設置控制字實現。

2 雙路語音編解碼器設計及實現

2.1 設計輸入

根據系統需求，要求設計一雙路話音編解碼器，編解碼速率8 kb/s，A路話音的主要外部接口信號定義如表1所示，B路話音接口信號與A路話音完全相同。外部接口包括數字接口和模擬接口兩部分，分布在兩個16和14芯的接插件上，數字接口采用TTL電平，主要包括碼流時鐘，系統時鐘，碼流輸入，碼流輸出以及外部復位信號。模擬接口主要包括模擬話音輸入，模擬話音輸出以及電源和地。

2.2 系統設計

根據 AMBE-2000的工作原理，使用該芯片設計實現的具有雙路話音通道的編解碼器的原理框圖如圖2所示。從圖中可以看出，兩路話音使用了 4片AMBE-2000，每片芯片只使用了編碼或解碼功能，碼流的收發時鐘完全獨立，這是因為編碼和解碼功能相互影響，當其中一個功能異常死機時會導致另一個功能也出現死機現象。這樣將每路話音的編解碼分開，可以保證話音編解碼通道能完全獨立正常工作。

表1 外部接口信號定義

圖2 雙路語音編解碼器原理框

由表1可知編解碼器的收發碼流時鐘和幀時鐘都是由外部提供的，且外部碼流收發時鐘為8 kHz，與編解碼速率一樣，外部幀時鐘為128 kHz，是碼流時鐘8 kHz的16倍，因此設置CHAN_SEL[1:0]=11，BAUD_SEL[1:0]=00，RATE[4:0]= 11010，使 AMBE-2000工作于被動無幀模式，每16位字中只有1 bit有效碼流，編解碼速率為8 Kb/s，無糾錯編碼。限于編解碼器尺寸的要求，設計時沒有使用CPU，只使用了一片可編程邏輯器件CPLD實現所有的控制及數據流的交互工作，因此設置CODEC_SEL[1:0]=01，AD/DA器件選用AD73311，直接將AD/DA的采樣串口時鐘和 AMBE-2000的串口時鐘連接，二者的連接圖如圖3[5]所示。在開機后AMBE-2000直接發送配置命令到 AD73311，減少對AD/DA器件的額外配置要求。AD73311收到AMBE-2000的配置命令后，采樣率變為32 kHz。其他幾個管腳的配置為 VAD_EN=0，SLEEP_EN=0，SLIP_EN=0，SOFT_EN=1，除RATE[4:0]是由可編程邏輯的軟件控制的，其他都是硬件電路直接接電源或地。模擬信號的處理電路參照文獻[6]的Figure24和27進行設計，設計時要根據話音輸入、輸出頻響特性的要求，在電路的前后端增加運放和濾波電路，這里不再詳述。

圖3 AMBE-2000和AD73311的連接

2.3 CPLD軟件設計

圖2中的處理單元由可編程邏輯器件CPLD實現，主要功能包括上電復位、兩路碼流的收發、配合其他硬件電路產生編解碼同步時鐘等。上電復位功能模塊在上電后產生復位脈沖，和外部輸入的復位信號一起對4片AD73311和AMBE-2000芯片進行復位，保證AMBE-2000配置AD73311的可靠性。

兩路碼流收發功能模塊完全一樣，分別使用兩路話音的碼流設置和幀時鐘進行時序控制。圖4和圖5分別是A路話音編碼的和A路話音解碼的時序圖，圖中的SYSCLKXA、SCLKXA、103A、SYSCLKRA、SCLKRA、104A是表1中定義的接口信號,表示系統發時鐘128 kHz、碼流發時鐘8 kHz、發送碼流、時鐘收時鐘 128 kHz、碼流收時鐘 8 kHz、接收碼流；CHAN_TX_DATA和CHAN_RX_DATA分別是ABME-2000第42,32管腳，表示編碼碼流輸出和輸入解碼碼流。編解碼器和外部的數據接口時序是編解碼時鐘的下降沿發送。在圖4中，CPLD程序在a時刻讀取AMBE-2000的編碼碼流并在b時刻送到外部接口；在圖5中，CPLD程序在a時刻讀取碼流數據并在b時刻送給AMBE-2000進行解碼，兩者都同時滿足外部接口和 AMBE-2000的時序要求。下面重點講述一下配合硬件電路產生同步時鐘的功能設計。

圖4 A路話音編碼時序

圖5 A路話音解碼時序

2.4 同步時鐘設計

碼流的收發時鐘和幀時鐘是由外部提供的，如果采用常規的設計方案，編解碼時鐘直接由本地晶振提供，勢必會存在2種時鐘不匹配的情況，嚴重時會出現語音的斷續；且AMBE-2000在非幀格式下，由于沒有同步頭，在正確合成語音波形前必須等待 10～12組話音數據包發送完，才能獲得同步信號[3]，對時鐘的穩定度要求也很高。因此在設計時除要滿足圖4、圖5的時序關系外還要重點考慮AMBE- 2000內部的編解碼時鐘與碼流收發接口時鐘時序的一致性，即要進行時鐘的同步設計，通常采用鎖相環來解決。

鎖相環原理圖如圖 6示。圖中的時鐘源 SIGIN128 kHz系統幀時鐘通過CPLD后直接提供，鎖相環的輸出時鐘VCOOUT為16.384 MHz，一路經CPLD直接送ADDA作為主時鐘，一路經CPLD分頻后產生128 kHz的比較時鐘COMPIN再回送給鎖相環電路。鎖相環參數的計算主要是確定與VCO輸出頻率有關的電阻R1，R2，電容C1的值以及環路濾波參數的值，即R3，R4及C2的值[7]。由于鎖相環輸出頻率及環路濾波參數等指標是相互制約的，具體設計時需參照文獻[8]中的Figure 11-47綜合考慮。

圖6 鎖相環路原理

每路編解碼通道的同步時鐘是獨立的，AMBE-2000的工作時鐘不影響編解碼的時序，直接由本地16.384 MHz的晶振提供，由于有4片AMBE-2000，為了保證驅動能力，將晶振通過CPLD分別在4個接口送出。

3 結語

由于 AMBE-2000速率可變、設置方便以及話音質量高的特點，在很多領域都得到了廣泛應用。文中設計的編解碼器已應用于在本單位的多款通信設備中，經實驗和使用檢驗，性能良好，滿足設計要求，得到了用戶認可。

[1] 徐玉濱,王繼東,沙學軍.AMBE聲碼器特性分析及其應用.通信技術,2003(07):1-3.

[2] 李宇翀,劉鳳榮,廖文彬.窄帶語音通信系統的研究與設計[EB/OL]. (2011-10-25)[2011-12-20].http://www.elecfans.com.

[3] 劉斌,張欣.高效語音壓縮芯片 AMBE-2000TM及其在語音壓縮中的應用[J].現代電子技術,2002(03):83-85.

[4] 付君,張爍.基于 AMBE-2000芯片的通用語音處理系統[J]. 現代通信技術,2007(03):61-64.

[5] Digital Voice Systems,Inc.AMBE-2000? Vocoder Chip User’s Manual Version 4.3[EB/OL].(2005-02-01)[2011-10-12]. http://www.dvsinc.com.

[6] Analog Devices, Inc.Low Cost, Low Power CMOS General Purpose Analog Front End AD73311[EB/OL].(1998-07-22)[2011-10-12].http://www.analog. com.

[7] 王躍球,唐杰.基于CD4046的新型頻率跟蹤移相PWM控制電路研究[J]. 航電技術,2006(06):25-28.

[8] Texas Instruments,Inc. CD54HC4046A,CD74HC4046A,CD54HCT4046A,CD74HCT4046A High-Speed CMOS Logic Phase-Locked Loop with VCO[EB/OL]. (2003-12-13)[2011-10-12]. http://www.ti.com.