用L9320实现ADPCM语音编解码

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摘要：L9320是LANWAVE公司推出的一款自适应音频脉冲编码（ADPCM）编解码器。该器件除具有正常的ADPCM编码解码模式外，还有PCM编解码模式、电源测试模式以及编解码器测试模式。文中主要对L9320编解码器的工作原理和使用方法进行了分析，给出了L9320在便携式语音系统中的典型应用电路。
    关键词：语音编码器；编解码；ADPCM；PCM；L9320
Ｌ９３２０是ＬＡＮＷＡＶＥ 公司生产的一款自适应音频脉冲编码（ＡＤＰＣＭ）编解码芯片，它所采用的语音压缩编解码方法符合国际电话与电报顾问委员会（ＣＣＩＴＴ）的Ｇ．７２１和Ｇ．７２６标准，同时也兼容ＣＣＩＴＴ的Ｇ．７１４标准。Ｌ９３２０ 可以将模拟话音转化成速率为３２、２４或１６ｋＢ／ｓ的数字信号；并可将相同速率的数字信号进行逆变换以形成模拟话音信号。Ｌ９３２０具有ＡＤＰＣＭ编解码器和ＰＣＭ编解码器／滤波器的双向信号通道，除具有正常的ＡＤＰＣＭ编解码模式外，还具有ＰＣＭ编解码模式、电源测试模式和编解码器测试模式。应用Ｌ９３２０的不同速率信道可实现不同的倍增比，从而有效提高信道的利用率。
１ Ｌ９３２０的主要功能
１．１ 概述
Ｌ９３２０带有可预设的串行端口（ＳＳＰ），该端口可与１６字节的状态设置寄存器进行接口。微控制器能够从ＳＳＰ接口获得内部的数据。另外，该芯片由于包含有带ＰＣＭ编码解码滤波器的输出放大器，因而能够对模拟接口进行简单控制。Ｌ９３２０主要具有以下特点：
●能在２．７～５．２５Ｖ电压范围内全双工工作；
●主时钟频率为１０．２４ＭＨｚ?
●内部集成有１４ｂｉｔｓ的Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器；
●可完成μ律和Ａ律压缩；
●可以对３２、２４和１６ｋＢ／ｓ的数据进行ＡＤＰＣＭ编码，编码后的数据可以达到１２８?２０４８ｋｂｐｓ；
●具有可编程的发射增益、接收衰减和侧音增益控制功能；
●采用２８脚ＤＩＰ或ＳＯＰ封装。


１．２ 引脚功能
Ｌ９３２０的引脚排列如图１所示。

２ Ｌ９３２０内部原理
图２给出了Ｌ９３２０的内部功能原理框图。该器件包括∑－Δ编解码滤波、电源管理、ＤＳＰ处理和寄存器状态控制四个子系统。
２．１ 电源管理
Ｌ９３２０的电源管理系统主要由一组专为模拟信号处理单元供电的５Ｖ电源和一组专为数字信号处理单元供电的３Ｖ电源组成。除了输出功率放大器ＡＸ０和ＰＯ外，所有的模拟电路都由这组５．５Ｖ电源供电。值得注意的是，ＡＸ０和ＰＯ的驱动电流由ＶＥＸＴ引脚提供。当ＶＥＸＴ为＋５Ｖ±５％时，ＶＤＤ应该与ＶＥＸＴ直接相连，而没有必要使用充电电容Ｃ１＋和Ｃ１－。但此时ＢＲＯ?ｂ２?必须设置为“１”，以使充电电流泵电路关闭。当ＶＥＸＴ为２．７～５．２５Ｖ时，ＶＤＤ是电流泵电路的输出电压，因此不能与ＶＥＸＴ相连接，而应通过０．１μＦ的电容耦合到Ｖｓｓ。全数字电路应通过ＶＤＳＰ由３Ｖ供电，不管ＶＥＸＴ上的电压如何变化，数字电路部分均由ＶＤＳＰ供电，这样能够降低芯片的总功耗。要注意的是，ＶＤＳＰ应该通过０．１μＦ的电容耦合到Ｖｓｓ。此外，其它的模拟参考电压，如ＲＯ、ＡＸ０和ＰＯ上的电压大小均可由ＢＲ０?ｂ２?决定，一般为２．５Ｖ或ＶＥＸＴ／２。
２．２ ∑－Δ编解码滤波
通常在ＰＣＭ通信系统中，当语音信号进入ＰＣＭ编码器之前，必须经过一个３００～３４００Ｈｚ的滤波器，以滤除语音中的高频分量，从而防止抽样过程中可能出现的混叠现象，这个滤波器也称为前置去混叠滤波器。由于ＰＣＭ解码器的输出信号是阶梯波形，因此必须采用一个具有ｘ／ｓｉｎｘ补偿因子的３００～３４００Ｈｚ 的低通滤波器，才能恢复出原语音信号。但是，音频模拟滤波器的小型化始终是一个难题，在此频段，采用ＬＣ滤波器进行设计是最不可取的，而ＲＣ有源滤波器虽然可使电路体积减小，但在灵敏度、稳定性和精度方面也不能令人满意。因此，设计时应尽量采用Ｌ９３２０内部集成的开关电容滤波器，它的准确性和温度稳定性都很高。
Ｌ９３２０内部本身带有采用∑－Δ技术的线性１４ｂｉｔ ＰＣＭ编解码滤波器。Ｌ９３２０可分为发射通道和接收通道。对于发射通道，当来自麦克风的模拟信号送入功率放大器后，其放大增益可以通过增益控制模块由软件进行控制，范围为０～７ｄＢ，步进量为１ ｄＢ。∑－Δ调制功能模块以１．０２４ＭＨｚ的频率对输入的模拟信号进行过采样，下一级的抗混叠滤波器可将采样频率降到３２ｋＨｚ，接着再对其进行４倍抽取而得到８ｋＨｚ。这样经过各种滤波处理后，Ａ／Ｄ后的１４ｂｉｔｓ数据便可以送入ＤＳＰ处理模块以进行进一步的处理。对于接收通道，来自ＤＳＰ处理模块中Ｒｘ衰减控制部分的１４ｂｉｔｓ线性数字信号首先送入数字抗混叠内插滤波器，以完成与发射通道相反的功能，采样率也将从８ｋＨｚ（１４ｂｉｔｓ）提高到１．０２４ＭＨｚ（１４ｂｉｔｓ），∑－Δ解调功能模块则将１４ ｂｉｔｓ采样（１．０２４ＭＨｚ）转换为１ｂｉｔ采样（１．０２４ＭＨｚ）。输出的数字信号送入开关电容低通滤波器，再经平滑滤波器消除由电容滤波器所引起的其它频谱成分，同时恢复出原语音信号。最后，再将输出的模拟信号送入功率放大器ＲＯ输出。
需要说明的是，Ｌ９３２０中另一个功率放大器ＰＯ采用的是推挽式结构。ＡＸ０和ＰＯ在不同的应用电路中有不同的配置方式，其中ＡＸ０主要用于便携式领域，而ＰＯ主要用于高增益范围，此时的增益范围可以通过外部的两个电阻来调节。
２．３ ＤＳＰ处理模块
ＤＳＰ处理模块是Ｌ９３２０中最核心的部分，同样也可以分为发射通道和接收通道。发射通道主要完成侧音增益处理、μ／Ａ律压缩以及ＡＤＰＣＭ编码和音调编码。而在侧音增益部分，输入采样将反馈到接收通道并和数字接收增益输出相加，然后将Ａ／Ｄ后的结果依次存入ＢＲ９?ｂ７?ｂ０?和ＢＲ１０?ｂ７?ｂ２?寄存器。ＡＤＰＣＭ编码／音调编码到底是提供１６ｋｂｐｓ?２４ｋｂｐｓ、３２ｋｂｐｓ的ＡＤＰＣＭ数据，还是提供６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ数据，应根据所传输的帧形式来决定。帧长代表的是帧同步ＦＳＴ为“１”时（即ＦＳＴ有效时）ＢＣＬＫ的上下降沿的个数。由于帧同步时钟为８ｋＨｚ，因此，每１２５μｓ应进行一次编码中断请求。
在接收通道，Ｌ９３２０通常在ＢＣＬＫ和ＦＳＲ的控制下从ＤＲ接收来自串行数据口的数据。同样，由于接收帧同步时钟为８ｋＨｚ，因此，每１２５μｓ应发一次解码中断请求；而ＡＤＰＣＭ解码／音调解码不但可以提供１６ｋｂｐｓ、２４ｋｂｐｓ或３２ｋｂｐｓ的ＡＤＰＣＭ数据，而且可以提供６４ｋｂｐｓ的ＰＣＭ数据。Ｌ９３２０的数字接收增益灵敏度范围可以通过ＳＳＰ端口的ＢＲ３（ｂ０：ｂ０）进行选择和控制。为了消除噪声影响，还可以通过设置ＢＲ７（ｂ６）使能噪声检测算法来检测干扰杂音，以便在必要的情况下采取降噪措施。把重建后的线性ＰＣＭ数据进行同步并送入ＳＳＰ端口的ＢＲ１１（ｂ７?ｂ０），可进行Ｇ．７２６ ＣＣＩＴＴ标准调整。合成后的ＰＣＭ数据将和发射通道侧音增益模块的反馈信号进行叠加，然后再送入Ｒｘ衰减增益控制模块以保护输出驱动器和避免失真；Ｒｘ衰减增益可以通过ＳＳＰ端口的ＢＲ２（ｂ２?ｂ０）寄存器来进行选择和控制，其衰减范围为０ｄＢ～－７ｄＢ，增益步进量为１ｄＢ。

图2

    ２．４ 时序和控制
Ｌ９３２０的时序和控制部分主要用来提供诸如∑－Δ编解码滤波所需的１．０２４ＭＨｚ和８ｋＨｚ等时钟信号。ＤＳＰ处理部分的ＭＣＬＫ主时钟可以异步于其它部分的时钟，它在无线应用中的典型值为１０．２４ＭＨｚ或１６．３８４ＭＨｚ。∑－Δ编解码滤波可以直接利用ＢＣＬＫＲ来作为１．０２４ＭＨｚ输入时钟，但是它的上升沿必须和ＦＳＴ的上升沿基本保持一致。如果选用这种模式，则应由ＢＣＬＫＴ控制ＡＤＰＣＭ的收发工作，这可以通过配置ＳＳＰ端口的ＢＲ０?ｂ７?寄存器来实现。
此外，有两种方法可以降低芯片的总功耗。第一种方法是使ＰＤＩ／ＲＥＳＥＴ保持为０，这样可使硬件电路处于低功耗状态。第二种方法是利用软件来实现，即当ＢＲ０（ｂ１）设置为模拟低功率状态时，所有的模拟信号处理时钟将停止工作；而当ＢＲ０（ｂ０）设置为１时，所有的数字信号处理时钟将停止工作。如果芯片处于低功耗状态，那么，ＶＡＧ、ＴＧ、ＲＯ、ＰＯ、ＡＸＯ、ＤＴ和ＳＳＰ Ｔｘ的输出均为高阻态；而当功耗模式被重新激活时，ＡＤＰＣＭ算法便复位到ＣＣＩＴＴ初始状态。

３ Ｌ９３２０的应用
将Ｌ９３２０编解码器用于典型的无线便携式产品时，ＶＥＸＴ可以采用２．７～５．２５Ｖ的电池供电，电路的连接方法如图３所示。要注意的是，这里的ＶＤＤ和ＶＤＳＰ不能用来对外部系统供电，而且在这种模式下，ＳＳＰ端口的ＢＲ０（ｂ２）寄存器必须首先清零。Ｌ９３２０可以广泛应用于低成本无线语音通信产品中，笔者所在的科研小组曾用Ｌ９３２０成功开发出了无线会议系统的ＡＤＰＣＭ语音编解码电路，该系统中，Ｌ９３２０编解码器的控制是由ＭＣＳ－５１系列单片机完成的。此外，Ｌ９３２０也可以广泛应用于公共电话交换网中。

图3

４　结束语
Ｌ９３２０音频脉冲编解码器具有ＡＤＰＣＭ编解码器和ＰＣＭ编解码器／滤波器的双向信号通道，它除具有正常的ＡＤＰＣＭ编解码模式外，还有ＰＣＭ编解码模式、电源测试模式和编解码器测试模式。因此，应用Ｌ９３２０的不同速率可在各信道实现不同的倍增比，从而有效提高信道的利用率。Ｌ９３２０有两个主要应用领域：一是无线电话系统，二是在公共电话交换网中进行线路对话量的增容。此外，Ｌ９３２０还可用于便携式、低功耗无线通信产品中，比如无线会议系统等。