關鍵詞： PicoBlaze , 編解碼 , 處理器 , 話音 , 軟核

現代無線通信系統中，越來越大的業務量與越來越少的頻率資源之間的矛盾顯著，而且以視頻、數據為主的通信內容使得在分配信道資源時留給話音業務的資源非常有限，采用G．729A低速率的話音編碼技術可降低編碼速率，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。該器件內置FIF0緩存器，具有合成語音質量高、抗誤碼性能好等特點，并在語音通信，特別是VoIP系統中應用廣泛。基于8051構架的開源微處理器內核PicoBlaze配合FPGA解決常量編碼可編程狀態機(KCPSM)問題，可以使系統同時具備處理復雜控制和時序邏輯的能力。這里介紹了ML7204的基本性能和工作原理，微處理器內核PicoBlaze的開發流程及其使用方法，并且給出通過PicoBlaze配置、控制ML7204實現單路G．729A語音編解碼的系統設計方案。

1 ML7204功能簡介

ML7204具有如下特點：內置640字節FIF0，為數據收發提供緩存；支持ITU的G．711、G．729A等分組語音處理標準；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、發增益控制；以數據、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，內置可調增益放大器和A／D和D／A轉換器；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率壓擴的PCM信號；中斷接口(INT I／F)提供異常狀況的信號指示；時鐘接口(CLK I／F)既可外置晶體，也可直接輸入時鐘信號，時鐘頻率12．288 MHz；處理器接口(MCU I／F)包括8位數據、地址總線以及讀、寫使能、片選信號，實現微處理器與ML7204的通信，并實現微處理器對ML7204的控制、以及ML7204的狀態檢測。ML7204有復位、初始化配置、運行3種工作模式，如圖1所示。ML7204上電后，復位信號有效(PDNB=0)時，內核重啟，則ML7204進入復位模式(Power Down State)；初始化配置模式(Initial State)是當復位信號釋放(PDNB=1)時，所有狀態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入運行模式(OperationState)，開始正常運行，此時通過設置PDNB或控制寄存器的軟復位信號使ML7204重新進入復位模式等待初始化。

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2 微處理器內核PicoBlaze簡介

PicoBlaze的特點如下：Xilinx公司專為Virtex、Spartan系列FPGA和CoolRunner系列CPLD設計的嵌入式專用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％)：運行速度快，最高可達40 MI／s；指令集豐富，包括邏輯操作、輸入，輸出、算術運算等指令；開源、免費的編譯器kcpsm3。

PicoBlaze微處理器接口從數據和控制兩方面考慮，包括復位、時鐘、讀信號、寫信號、數據輸入、數據輸出等接口。如圖2所示。

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復位接口(reset)是異步復位、高有效、清除PicoBlaze內核所有狀態，但不清除程序代碼；時鐘接口(clk)是輸入主時鐘，最高速率35 MHz；地址總線接口(port_id[7：0])為PicoBlaze內核的地址總線，持續2個時鐘節拍有效；數據總線接口(out_port[7：0])是PicoBlaze內核的數據總線，持續2個時鐘節拍有效；讀信號接口(read_strobe)是讀脈沖信號，當該信號為高時，port_id[7：0]輸出有效數據；寫信號接口(write_strobe)，寫脈沖信號，當該信號為高時，port_id[7：O]輸入有效數據。

3 系統硬件設計

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的框圖。



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該系統主要由話音信號處理、系統邏輯控制、傳輸復分接、時鐘處理4個單元組成。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換；系統邏輯控制單元由PicoBlaze內核組成，完成與ML7204的數據傳輸；傳輸復分接單元由FPGA片內邏輯單元組成，完成拆、組幀及并、串轉換。時鐘處理單元為ML7204提供高穩定時鐘信號。

由話機模擬電路輸出的模擬話音信號經話音信號處理單元，實現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壓縮編碼數據，系統邏輯控制單元讀取壓縮編碼數據，并送往傳輸復分接單元，進行組幀、并串轉換，最終輸出成幀的串行碼流。相應地成幀的串行碼流先進入傳輸復分接單元進行幀同步檢測，讀取真正的話音數據，串并轉換后，再傳輸至系統邏輯控制單元，由PicoBl-aze內核將并行話音數據發送至話音信號處理單元，話音數據經解壓縮、PCM解碼，恢復模擬話音信號。

ML7204的數據傳輸采用總線方式，即A[7：0]、D[7：0]分別是8位數據、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幀兩種數據幀格式，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，表示已經準備好完整的一幀數據，外部PicoBlaze微處理器通過連續10次拉低片選信號CSB、讀信號RDB讀出一幀數據。相應，每隔10 ms，ML7204拉低寫使能信號FRlB，表示解碼處理新的一幀數據，外部PicoBlaze微處理器可以通過連續10次拉低片選信號CSB、寫信號WRB寫入一幀數據。圖4是ML7204電路原理圖。

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4 系統軟件設計

該系統軟件主要是對ML7204初始化配置、工作狀態控制．ML7204的配置方式是修改控制寄存器。工作時，FPGA內嵌PicoBlaze內核首先對ML7204復位，復位成功后，PicoBlaze內核通過MCU I／F接口修改控制寄存器，設置其工作方式，包括語音編碼方式、語音信號幅度、數據幀長度等，最后FPGA內部邏輯處理單元配合PicoBlaze內核完成分組語音數據的讀寫及傳輸。ML7204共有48個控制寄存器CR0～CR47，分別對應于地址00H～2FH，每個控制寄存器有8 bit數據，分別標識不同的配置選項。保留地址80H、81H分別對應分組話音編解碼數據的讀、寫地址。圖5為軟件工作流程。

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以下給出軟件程序的核心代碼：

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5 結束語

ML7204是一個功能強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是一個典型的8位軟核處理器，便于在各種FPGA上實現，設計靈活。本文采用PicoBlaze與ML7204協同工作。構建低速率語音通信的編解碼系統。相比傳統的語音編解碼系統設計方案，此方案無需單獨微處理器、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，設計簡單、成本低廉、合成語音質量高，能有效提高帶寬利用率，在頻帶有限的無線通信系統中具有較大優勢。

電路設計時需特別注意：考慮模擬信號與數字信號的隔離，應減少數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的控制寄存器時會出現錯誤。為避免錯誤配置，應在每次修改控制寄存器后讀回此控制寄存器的值，并判別是否與預期一致。若一致則配置下一個控制寄存器，否則繼續配置，直到一致為止。 ?