1、前言-发送与接收给Codec(编码器/解码器)提出新要求

今天，话音业务在最开始的时候就被转换成了数字形式，并和成百上千的其他话音、电子邮件和网页等信息一同，由一条光纤传输。
数字电话催生了信息时代，并继续以新的技术，如因特网话音(VolP)，改变着通信工业的前景。然而，无论变化常最大， Codec(编解码器)的工作不会改变,那就是必须在线路上的某个点，将话音转换为数字，并将数字转换回话音。

Codec 是coder/decoder(编码器/解码器)的缩写，它包含：一个模拟到数字转换器(ADC)，其作用将音频转换为位流；一个数字到模拟转换器 (DAC)，其作用将收到的位流转换回音频；再加上一个接口，其作用和其他Codec共享总线，并通过总线插入/取回数字化的音频信息。

一个Codec就是一片独立的混合信号半导体器件。对于简单应用而言，例如端局交换机中的线卡，这种独立的IC方案能够很好地工作。然而，很多时候还希望对要发送的音频信号作一些预处理(例如限幅、动态范围压缩或频谱整形等)，或对收到的音频信号作一些后处理(例如噪声抑制)。则对于这种独立式Codec而言，这些预/后处理任务比较难以实现。这是因为模拟音频信号一经Codec转换，就再也没有机会作进一步处理己直接连接到PCM(脉冲编码调制)干线的这种独立式的Codec了。怎么办？可以应用一种新的方案，即采用当今各新型微控制器(μC)和外部DAC作音频Codec，同时对入站和出站位流进行额外的处理。值此以MAXQ3120微控制器为例,如何应用将其变为音频Codec的方案作分折说明，并对新型芯片类Codec作介绍。为此应先了介有关 Codec基本技术。

2、采用MAXQ3120微控制器(μC)和外部DAC作音频Codec新方案

值此应先了介有关Codec基本技术。

2、Codec基本技术

2.1码字的长度的选择

在数字电话还未问时，人们就定义保持一个话音信号清晰可辨的必要频段约为300Hz至3.5kHz。此范围之外的频率对于语音信号的清晰度无益。根据 Nyquist定律，对于信号的采样率必须至少为其最高频率的两倍，因此所有话音Codec都工作于每秒8,000个采样-多于所要求的3.5kHz的两倍，每个采样都被转换为一个数字化的码字。然而，码字的长度又带来另一个问题。在任何数字系统中，都必须在信号的完整性和字长间做出折衷。

为获得高保真，系统设计者应选择较大的字长，但位数越多带宽越高，而带宽是要付出成本的。另一方面，如果设计者选择较小的字长以节省带宽成本，话音质量就会有所损失。实践证明，为了适应人类话音的整个范围，从最轻的低语到大声的喊叫，看起来有必要采用十二到十四位分辨率。

2.2非线性Codec最佳方案-典型PCM Codec的响应曲线

图1 是典型PCM Codec的响应曲线,是最佳方案是非线性Codec。从图1中看出这种类型的Codec特征：人们的耳朵对于响亮声音的小误差更“宽容”，而对于微弱声音的小误差很敏感。图1中，静默状态位于零线附近；轻微的话音相对于中心线有小量偏移，而响亮的话音偏移较多。在这样的器件中，零线附近的编码密度高于远离零线处的编码密度，使Codec既能为低电平信号提供满意的性能，同时为高电平信号提供足够的动态范围。

2.3数字端其Codec必须与PCM干线接口。

各个Codec并不是通过单独的一组线连接到其相应的中继设备上，而是一定数量的Codec一同被连接到一条共享的总线-PCM干线上。为了协调传输过程，这些Codec共用一个位时钟，而用单独的帧脉冲指挥每个器件开始发送和接收。按照北美标准，24个Codec共享一条PCM干线，某种类型的时序器逻辑以1,544,000位/秒的速率控制着其运行节奏。

2.2 PCM Codec的类型设定,即采样信号进行编码的方案

当今，用于电话的PCM Codec已有了统一的帧速率(采样率)。常用的采样信号进行编码方案有两种：A率(用于欧洲的)和μ率(用于美国和日本的)。有两种基本线速率正在使用：欧洲的E1(2.048Mbps)和美国的DSl(1544Mbps)。故值此讨论的设计为DSI(或称TI) Codec，其工作于A率或U率模式。

μ率编码方案按照一定规则(公式)对采样信号进行编码：其中μ是本规则的特征参数，典型为255。A 率Codec的编码方式略有不同：其中A是本规则(公式)的特征参数，通常为87.6，有些情况下为87.7。需要注意的是，当接近于零时，A率函数是线性的；只有当输入大于1/A后它才变为对数。

3、新型芯片类Codec

3.1关于话音频带编解码器

16位线性DSP编解码器在话音数字化和至DSP的串行接口中提供了极高的性能和极大的灵活性。PCM编解码器以8kSPS的采样速率在话音上执行标准的A律/μ律编码(ADC)和解码(DAC)。

3.2微功耗音频编解码器AIC111

AIC111 是与微功耗DSP或微控制器相兼容的音频编解码器，它能够为诸如个人医疗设备(比如助听器、听觉预处理和低功耗头戴式耳机)等应用提供高，性能的模拟接口解决方案。AIC111支持1.3VCMOS数字SPI接口，并包括外部传声器电源和偏压，以及低电池电量监视器和指示器。图2为结构与引脚功能示意图。

其主要特点为：能够在采用1.3 V电源的条件下进行400μW满功率操作；其ADC规格, 动态范围为87dB，THD为73dB(在100Hz至10kHz范围内)，采样速率40kSPS；低噪声PGA/增益压缩器前端；由片上低抖动振荡器生成所有的内部时钟以及5MHz输出DSP/微控制器时钟； DSP/SPI接口支持TMS320654x、TMS320C55x和MSP430；封装型式：32引脚QFN或FlipChip裸芯片，可在个人医疗设备、低功耗头戴式耳机上应用。

3.3能简化手持多媒体产品设计的高集成度立体声音频CODEC MAX9851/MAX9853

该芯片MAX9851/MAX9853集成了所有必需的放大器，并获得了最佳的音频质量，同时降低了总体方案的面积和成本。这些器件对于多媒体手机和MP3/便携式多媒体播放器等应用非常理想。图3为结构与外接示意图。

其主要特点为：能支持两组数字接口，即具有独立数据速率(从8kHz到48kHz)的数字话音和数字音频；有内置混合器与多种音源接口，例如铃音发生器、 FM广播以及应用和基带处理器；主动限制辐射、无须滤波器的超低EMI D类放大器；回放/录音通道上的话音波段滤波器实现ETSI兼容的系统设计；自动耳机检测及 音量控制。

3.4低功耗，高集成度、可编程16位、26kSPS、双通道CODEC TLV320AIC20K

TLV320AIC20K是低成本、高性能、双通道话音编解码器。它具有两个16位模拟-数字(A/D)转换通道和两个16位数字模拟(D/A)转换通道，可通过可编程模拟交叉点与手机、头戴式耳机、扬声器、传声器或用户线相连。图4为结构与引脚功能示意图。

其主要特点为；立体声16位过采样△∑型ADC/DAC；可编程采样速率高达26kSPS(采用片上IIR/FIR滤波器时)和最大104kSPS(采用 IIR/FIR滤波器进行旁路)；在13kHz带宽内，片上FIR产生了84dB SNR(对于ADC) 和92dBSNR(对于DAC)；主机端口为二线式接口、可选 或 ;差分和单端模拟输入/输出;与常用的TMS320 DSP系列和微控制器电源完全兼容，即1.65V-1.95V数字内核，1.1V-3.6V数字I/O,2.7V-3.6V模拟。可在无线附件、免提式车载成套工具、VOIP及电缆调制解调器上应用。

4、用微控制器实现Codec的编码与解码技术方案

众所周知,MAXQ3120 μC包含有两个精密的16位ADC通道、一个l6×l6乘法器以及一个40位累加器。虽然MAXQ3120不含DAC通道，有很多低成本的精密串行DAC可用于此功能。其它的工作则是构建一个软件来连接这些外围器件。

4.1先述编码方案

可通过三步完成编码：转换模拟信号为数字量，对数字采样进行再抽样并滤波，最后，用A率或μ率编码转换方式压缩采样至八位。
第一步是A/D转换，最容易实现，因为ADC通道已内置于MAXQ3120。MAXQ3120每48μs产生一个新的16位转换结果。这意味着对于8MHz的处理器时钟，系统可以有384个指令周期来处理采样。

很巧，数字采样的处理只是简单地读取ADC并将数据存储于一个环形缓冲器。缓冲器总是保存着32个最近的16位采样结果。MAXQ3120有256字的16位RAM。这样，每个通道的环形缓冲器仅消耗全部可用RAM的12.5%。

ADC每48μs采一个样，但通信网络每125μs需要一个新的采样。因此，无论如何处理信号，都必须对其进行再抽样。

编码的第二步。最简陋的方法之一就是，当收到一个帧脉冲时，只接受最近的一个采样来做进一步的转换，而扔掉所有其他采样。

每收到一个帧脉冲，MAXQ3120的Codec软件对环形缓冲器中汇集的采样实施31抽头FIR滤波器算法。该滤波器的3dB截止点位于3.5kHz，可提供抗混叠和进一步的采样重构功能，降低∑-△ADC通道的噪声。经滤波处理后的结果是一个16位采样，可用于A率或U率压缩。

有多种方法可以对16位线性编码进行压缩。直接计算和分段逼近是两种常用方法。在此仅是利用MAXQ3120程序空间较大的特点，建立了两个128字的表格，一个用于μ率编码/解码，另一个用于A率。利用这些表格，我们进行编码的第三步，压缩采样为八位格式。

4.2解码方案

解码8位PCM采样要比编码容易得多，因为无需对信号进行再抽样。经过适当的PCM编码规则处理后，得到一个8位、带符号的幅度值。以这个数值为索引，检索相应的PCM表格(同时考虑符号)。得到一个16位、带符号的数值，可直接送给DAC。

为本项目选择的D/A转换器是MAX5722双通道、12位DAC，采用低成本8引脚μMAX~封装。和大多数DAC一样，MAX5722需要一个外部基准电压源。正好，MAXQ3120上的1.25V带隙基准源适用于此目的。

MAX5722是一款串行DAC，这就意味着μC必须以串行方式和DAC通信。DAC接口是同步的，因此无需连续为其提供时钟一只有当片选为低时才需要提供时钟给它。因此可以利用μc的通用I/O组成一个3线接口与其通信。

在本设计中，注意到ADC通道的输入范围为-1.0V至+1.0V，而DAC输出通道的范围为0至+1.25V。在一个真正的电信应用中，例如线卡，这样的信号电平很可能还需要转换为其他模拟电平(例如，电信网络中通常能遇到的最大电平为0dBm，即对600Q阻抗输出lmW)。

4.3用微控制器实现Codec与PCM总线的连接。

上述是将模拟信号转换成压缩的PCM码，或者反之,紧接的一个问题就是如何用微控制器实现Codec与PCM总线的连接。

*一条四芯总线

PCM 干线大多数情况下，与PCM干线的连接涉及一条四芯总线的连接：一条发送数据线(终端发送其数据到这条线)；一条接收数据线(中继设备发送其数据到这条线，终端从中取回数据)；一条帧同步线(每个终端独占一条，其上脉冲指示何时总线上载有用于该终端的数据)；以及一条位时钟线。我们的Codec旨在用于终端设备，它接收位时钟和帧脉冲，从接收数据线接收数据，向发送数据线发送数据。

*与PCM总线的连接

采用MAXQ3120 三个定时器中的一个，超前预期的帧脉冲到达时间几个微秒中断处理器。当帧脉冲到来时，处理器已被中断，并完成现场保护，已准备好投入每个时钟周期来执行 PCM总线任务。其工作如下。设置定时器溢出间隔为1l0μs，在每一帧所有数据位被移出，帧事件处理完毕后启动定时器。

5、结束语-新型芯片类的Codec和用微控制器实现的Codec的区别使用。

上述介绍的新型芯片类的Codec是一种比较廉价用的专用Codec,能广泛用于各类便携式设备之中，而之所以设计者要采用微控制器变为Codec其根本原因在于它还有如下独特功能。

*前置滤波：当信号还是线性PCM格式时，有非常好的功能来对其进行均衡、动态范围压缩、噪声抑制或大量其他类型的信号操作。

* 带内信令提取：在线性PCM码流中探测带内音的高效并很容易找到简单算法。可以将这些算法拓展为探测DTMF数字信号，并用它们实现一些特定的性能和功能。利用该算法精密监听拨号音、振铃(440Hz+480Hz)和忙音 (480Hz+620Hz)，还可以知道一次通话的进程情况。

上述独特功能也是促使设计者应用该微控制器技术的设计思想。虽则当今各类新型微控制器MAXQ3120并不是专为电信类应用设计的芯片，但此类芯片上精密的 ADC和DSP功能却为设计者带来了广阔的机会，又有各种各样唾手可得的开发工具很容易用它们实现用户化的硬件和软件方案,并简化了设计任务。这儿仅以 MAXQ3120为例的应用吧了。