ML7204和PicoBlaze軟核處理器實(shí)現(xiàn)低速話音編解碼系統(tǒng)

時(shí)間：2010-07-07 13:17:37

關(guān)鍵字：軟核處理器編解碼系統(tǒng) PICOBLAZE BSP

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[導(dǎo)讀]語音信號壓縮編碼是數(shù)字語音信號處理的主要方面，在現(xiàn)有的語音編碼中，G．729A算法在8 kb／s的碼率下取得了較好的語音質(zhì)量，具有廣闊應(yīng)用前景，因此提出采用PicoBlaze和ML7204實(shí)現(xiàn)G．729A語音壓縮／解壓詳細(xì)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，并描述了G．729A語音編解碼器ML7204的工作原理、性能、接口，以及FPGA內(nèi)嵌IP核微處理器PicoBlaze的特點(diǎn)和使用方法。給出硬件電路設(shè)計(jì)原理，以及各部分的具體實(shí)現(xiàn)方法和原理圖。并給出軟件流程和主要代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)提供話音點(diǎn)到點(diǎn)的時(shí)延僅為25 ms，而語音質(zhì)量平均意見MOS值達(dá)到4．2，在可懂度和清晰度等性能優(yōu)異，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)可應(yīng)用于無線移動網(wǎng)、數(shù)字多路復(fù)用系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)通信系統(tǒng)。

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，越來越大的業(yè)務(wù)量與越來越少的頻率資源之間的矛盾顯著，而且以視頻、數(shù)據(jù)為主的通信內(nèi)容使得在分配信道資源時(shí)留給話音業(yè)務(wù)的資源非常有限，采用G．729A低速率的話音編碼技術(shù)可降低編碼速率，提高頻率利用率。
    ML7204專用語音處理器可提供多種速率的編解碼功能，包括A律和U律2種不同的PCM和G．729A低速壓縮話音編解碼。該器件內(nèi)置FIF0緩存器，具有合成語音質(zhì)量高、抗誤碼性能好等特點(diǎn)，并在語音通信，特別是VoIP系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。基于8051構(gòu)架的開源微處理器內(nèi)核PicoBlaze配合FPGA解決常量編碼可編程狀態(tài)機(jī)(KCPSM)問題，可以使系統(tǒng)同時(shí)具備處理復(fù)雜控制和時(shí)序邏輯的能力。這里介紹了ML7204的基本性能和工作原理，微處理器內(nèi)核PicoBlaze的開發(fā)流程及其使用方法，并且給出通過PicoBlaze配置、控制ML7204實(shí)現(xiàn)單路G．729A語音編解碼的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 ML7204功能簡介
    ML7204具有如下特點(diǎn)：內(nèi)置640字節(jié)FIF0，為數(shù)據(jù)收發(fā)提供緩存；支持ITU的G．711、G．729A等分組語音處理標(biāo)準(zhǔn)；回音抵消和抑制、靜音檢測和舒適噪音等提高分組語音處理性能；收、發(fā)增益控制；以數(shù)據(jù)、地址總線方式訪問控制寄存器。
    ML7204分組語音處理器件的接口是從硬件連接和功能兩方面考慮，包括語音、PCM、中斷、時(shí)鐘、處理器等接口。其中，語音接口(Voice I／F)模擬話音信號的輸入輸出，內(nèi)置可調(diào)增益放大器和A／D和D／A轉(zhuǎn)換器；PCM接口(PCM I／F)用于非壓縮語音信號的輸入輸出，為64 kb／s率或a率壓擴(kuò)的PCM信號；中斷接口(INT I／F)提供異常狀況的信號指示；時(shí)鐘接口(CLK I／F)既可外置晶體，也可直接輸入時(shí)鐘信號，時(shí)鐘頻率12．288 MHz；處理器接口(MCU I／F)包括8位數(shù)據(jù)、地址總線以及讀、寫使能、片選信號，實(shí)現(xiàn)微處理器與ML7204的通信，并實(shí)現(xiàn)微處理器對ML7204的控制、以及ML7204的狀態(tài)檢測。ML7204有復(fù)位、初始化配置、運(yùn)行3種工作模式，如圖1所示。ML7204上電后，復(fù)位信號有效(PDNB=0)時(shí)，內(nèi)核重啟，則ML7204進(jìn)入復(fù)位模式(Power Down State)；初始化配置模式(Initial State)是當(dāng)復(fù)位信號釋放(PDNB=1)時(shí)，所有狀態(tài)重置等待處理器配置。處理器通過修改控制寄存器完成器件的初始化配置；初始化完成后器件進(jìn)入運(yùn)行模式(OperationState)，開始正常運(yùn)行，此時(shí)通過設(shè)置PDNB或控制寄存器的軟復(fù)位信號使ML7204重新進(jìn)入復(fù)位模式等待初始化。

2 微處理器內(nèi)核PicoBlaze簡介
PicoBlaze的特點(diǎn)如下：Xilinx公司專為Virtex、Spartan系列FPGA和CoolRunner系列CPLD設(shè)計(jì)的嵌入式專用8位微處理器IP Core；占用邏輯資源少，只占96 slices(Sparta-3X(22S200E資源的5％)：運(yùn)行速度快，最高可達(dá)40 MI／s；指令集豐富，包括邏輯操作、輸入，輸出、算術(shù)運(yùn)算等指令；開源、免費(fèi)的編譯器kcpsm3。
PicoBlaze微處理器接口從數(shù)據(jù)和控制兩方面考慮，包括復(fù)位、時(shí)鐘、讀信號、寫信號、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出等接口。如圖2所示。

復(fù)位接口(reset)是異步復(fù)位、高有效、清除PicoBlaze內(nèi)核所有狀態(tài)，但不清除程序代碼；時(shí)鐘接口(clk)是輸入主時(shí)鐘，最高速率35 MHz；地址總線接口(port_id[7：0])為PicoBlaze內(nèi)核的地址總線，持續(xù)2個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍有效；數(shù)據(jù)總線接口(out_port[7：0])是PicoBlaze內(nèi)核的數(shù)據(jù)總線，持續(xù)2個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍有效；讀信號接口(read_strobe)是讀脈沖信號，當(dāng)該信號為高時(shí)，port_id[7：0]輸出有效數(shù)據(jù)；寫信號接口(write_strobe)，寫脈沖信號，當(dāng)該信號為高時(shí)，port_id[7：O]輸入有效數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
圖3為基于PicoBlaze軟核處理器和ML7204編解碼器的單路低速話音編解碼系統(tǒng)的框圖。

    該系統(tǒng)主要由話音信號處理、系統(tǒng)邏輯控制、傳輸復(fù)分接、時(shí)鐘處理4個(gè)單元組成。其中，話音信號處理單元主要由ML7204和簡單外圍器件組成，完成模擬話音信號與G．729A壓縮編碼信號之間的相互轉(zhuǎn)換；系統(tǒng)邏輯控制單元由PicoBlaze內(nèi)核組成，完成與ML7204的數(shù)據(jù)傳輸；傳輸復(fù)分接單元由FPGA片內(nèi)邏輯單元組成，完成拆、組幀及并、串轉(zhuǎn)換。時(shí)鐘處理單元為ML7204提供高穩(wěn)定時(shí)鐘信號。
    由話機(jī)模擬電路輸出的模擬話音信號經(jīng)話音信號處理單元，實(shí)現(xiàn)PCM編碼、G．729A壓縮編碼，再通過并行MCU I／F接口輸出速率為8 kHz的G．729A壓縮編碼數(shù)據(jù)，系統(tǒng)邏輯控制單元讀取壓縮編碼數(shù)據(jù)，并送往傳輸復(fù)分接單元，進(jìn)行組幀、并串轉(zhuǎn)換，最終輸出成幀的串行碼流。相應(yīng)地成幀的串行碼流先進(jìn)入傳輸復(fù)分接單元進(jìn)行幀同步檢測，讀取真正的話音數(shù)據(jù)，串并轉(zhuǎn)換后，再傳輸至系統(tǒng)邏輯控制單元，由PicoBl-aze內(nèi)核將并行話音數(shù)據(jù)發(fā)送至話音信號處理單元，話音數(shù)據(jù)經(jīng)解壓縮、PCM解碼，恢復(fù)模擬話音信號。
    ML7204的數(shù)據(jù)傳輸采用總線方式，即A[7：0]、D[7：0]分別是8位數(shù)據(jù)、地址總線；FROB、FRlB、INTB、CSB、RDB、WRB分別為讀使能、寫使能、中斷、片選、讀信號、寫信號。ML7204有10 ms幀和20 ms幀兩種數(shù)據(jù)幀格式，這里采用10 ms幀格式。ML7204以10 ms為周期全雙工并行工作。每隔10 ms，ML7204拉低讀使能信號FROB，表示已經(jīng)準(zhǔn)備好完整的一幀數(shù)據(jù)，外部PicoBlaze微處理器通過連續(xù)10次拉低片選信號CSB、讀信號RDB讀出一幀數(shù)據(jù)。相應(yīng)，每隔10 ms，ML7204拉低寫使能信號FRlB，表示解碼處理新的一幀數(shù)據(jù)，外部PicoBlaze微處理器可以通過連續(xù)10次拉低片選信號CSB、寫信號WRB寫入一幀數(shù)據(jù)。圖4是ML7204電路原理圖。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件主要是對ML7204初始化配置、工作狀態(tài)控制．ML7204的配置方式是修改控制寄存器。工作時(shí)，F(xiàn)PGA內(nèi)嵌PicoBlaze內(nèi)核首先對ML7204復(fù)位，復(fù)位成功后，PicoBlaze內(nèi)核通過MCU I／F接口修改控制寄存器，設(shè)置其工作方式，包括語音編碼方式、語音信號幅度、數(shù)據(jù)幀長度等，最后FPGA內(nèi)部邏輯處理單元配合PicoBlaze內(nèi)核完成分組語音數(shù)據(jù)的讀寫及傳輸。ML7204共有48個(gè)控制寄存器CR0～CR47，分別對應(yīng)于地址00H～2FH，每個(gè)控制寄存器有8 bit數(shù)據(jù)，分別標(biāo)識不同的配置選項(xiàng)。保留地址80H、81H分別對應(yīng)分組話音編解碼數(shù)據(jù)的讀、寫地址。圖5為軟件工作流程。

    以下給出軟件程序的核心代碼：


5 結(jié)束語
    ML7204是一個(gè)功能強(qiáng)大的語音信號處理器，可提供多種速率語音編解碼功能，操作方便。PicoBlaze是一個(gè)典型的8位軟核處理器，便于在各種FPGA上實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)靈活。本文采用PicoBlaze與ML7204協(xié)同工作。構(gòu)建低速率語音通信的編解碼系統(tǒng)。相比傳統(tǒng)的語音編解碼系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，此方案無需單獨(dú)微處理器、Flash、SDRAM、PCM編解碼等器件，只需單片ML7204和單片小容量FPGA即可完成全部功能，設(shè)計(jì)簡單、成本低廉、合成語音質(zhì)量高，能有效提高帶寬利用率，在頻帶有限的無線通信系統(tǒng)中具有較大優(yōu)勢。
    電路設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意：考慮模擬信號與數(shù)字信號的隔離，應(yīng)減少數(shù)字噪聲對模擬話音的干擾，減少背景噪聲。PicoBlaze微處理器初始化配置ML7204的控制寄存器時(shí)會出現(xiàn)錯(cuò)誤。為避免錯(cuò)誤配置，應(yīng)在每次修改控制寄存器后讀回此控制寄存器的值，并判別是否與預(yù)期一致。若一致則配置下一個(gè)控制寄存器，否則繼續(xù)配置，直到一致為止。