随着像IP语音(VoIP)这样的数字电话应用的普及,消费者要求更高的语音质量、更多的集成特性,这都要求设备开发商改变他们的设计实现方法。本文讨论了VoIP电话设计中的关键音频要求,并重点讨论了工程师如何采用欧胜微电子公司(Wolfson Microelectronics)的音频处理芯片WM8510来实现这些设计要求。
基于IP的电话一直以来都被认为是传统的POTS电话的替代产品,然而受到语音质量、可靠性、可用性以及安全性等因素的影响,VoIP系统的市场增长乏力。随着数据网络近年来性能的改进,很多这些局限因素都不复存在,VoIP系统的应用已经成为切实可行的选择。
尽管当前的通信网络使得实现高质量VoIP服务成为可能,但在大规模应用该技术时还有很多其他因素必须考虑。在没有更大的激励因素存在的情况下,用户未必愿意从已经大规模应用的传统电话上转到相对而言并没有得到实际应用检验的VoIP。新的系统起码需要提供像以前一样质量的语音服务,加之新的功能特性和更低的成本将刺激用户转到VoIP上来。过去VoIP并不能提供令人满意的通话质量,一直以来仅限制在少量应用中。VoIP现在已经被视为一种可行的电话实现方式,尤其是适合商业用户。
VoIP概述
POTS是基于64kbps语音通道的电路交换技术,这种语音系统与数据网络完全分离,并像目前的互联网一样无处不在。采用该系统,商业用户需要对语音和数据应用提供分离的连接,如图1所示。用户需要同时支付语音和数据电路租用费用,并需要支付利用语音电路的费用。
图2:VoIP商业应用通信模式。
IP电话是随着上世纪90年代互联网应用的快速增长而出现的。VoIP最初的推动因素是价格低廉,那时VoIP被认为用户能通过他们的数据网络来免费实现语音传输,因为他们已经为数据电路支付了租借费用,而这些数据电路并没有充分利用。最初人们认为VoIP是针对特定条件的应用,质量差,用户只能与其他VoIP用户通话,甚至只能在他们自己的网络内。然而,VoIP技术已经得到发展,目前已经完全适合于商业应用。图2显示了当前的VoIP系统模型。
在这个VoIP模型中,用户至少在理论上只需支付一种服务的费用,所有的语音和数据流都通过一个连接传输,这也意味着企业只需铺设、维护和升级一个网络。此外,这样一个系统还让企业有机会将他们的语音系统与数据应用更加密切配合,例如将语音邮件(voicemail)与电子邮件链接。
不同的组织对VoIP的增长情况做出了判断:据预测,全球VoIP设备投资在2000年12亿美元的基础上,将以年均70%的增幅增长,到2005年将达到170亿美元[CITE01]；其他渠道的预测表明,到2007年75%的语音将通过VoIP传输,VoIP的收入将从2002年的130亿美元增长到2007年的1970亿美元[CIRI01]。即使不考虑这些数据,VoIP快速增长的预测是确定无疑的,并给设备生产商和服务提供商展现了一个巨大的市场机会。
随着VoIP从特定应用发展到主流技术,用户并不愿意因为便宜而接受低质量的服务。如果VoIP要替代传统电话,除了节省成本外,服务质量(QoS)至少应该和传统的电信系统一样。这意味着在数据网络的可靠性和性能提升的同时,VoIP电话的设计也要有重大改进。
VoIP电话性能要求
VoIP电话与传统的POTS电话相比更复杂,因此相对成本会更高。VoIP电话需要更多的处理功能,很多这些处理都是为了满足更高音频质量的需求。
POTS系统的设计过去是基于PCM电话,在这样的系统中数据的交换和发送规定的语音信道严格限制在64kbps,这意味着语音只能以8kHz速率采样,信号带宽限制为4kHz。这样的窄带信号意味着大部分的音频不能被传输(人耳能听到高达20kHz的频率),但POTS系统完全能满足电话应用中要求的音频质量的传输和接收。
在VoIP系统中,带宽没有像POTS系统中那样严格受限制,可以将信号带宽倍增到8kHz,这要求最低16kHz的采样率。这对音频输出质量具有很大的影响,需要VoIP电话中更多的数据压缩处理。尽管这并不意味VoIP能提供高保真(Hi-Fi)音频传输,但确实相对于POTS系统具有显著提升。
VoIP电话具有若干音频输入与输出,这种电话适合用于需要为电话会议提供输入/输出的商业环境中,以及电话本身。同样还有其他附属要求,例如按键音和告警信号。当前,实现这些要求是采用单独的音频编码器/解码器。无论从设计尺寸和功耗来说,这都是一种浪费,而且还增加了电话的系统成本。Wolfson微电子新推出的WM8510编解码器针对数字电话应用,如VoIP和DECT(增强数字无绳通信),该芯片通过在单芯片中提供若干个高质量的音频输入/输出来解决这个问题。
采用WM8510实现音频电路设计
图3为采用WM8510编解码器的VoIP电话功能框图。从音频的角度来看,VoIP电话的关键技术要求如下:
质量-直接与带宽相关,VoIP电话必须能在8kHz的最小信号带宽条件下获得高分辨率的音频。
功能集成-为了能让用户从一种技术转变到另外一种技术,新的技术必须能提供当前消费者正在采用的所有功能,并尽量增加新的功能以提高对用户的吸引力。这意味着音频编解码器必须包含与VoIP电话应用相关的其他特性。
功耗-当前的VoIP电话要求一个主电源连接。如果不是在商业应用,而是在普通用户市场与POTS电话竞争,生产商必须向与POTS电话一样的方式供电的方向努力,即通过网络连接供电。因此,VoIP系统中的每个器件都必须要求低功耗。
成本-设备开发商必须提供能与其他VoIP提供商具有竞争力的成本,并最终能够与POTS设备开发商竞争。
当前VoIP的音频要求是通过多混合信号器件来实现的,麦克风和喇叭的驱动器都可能采用独立的器件,如滤波等先进特性在DSP中实现。这种模块化的方法效率低、功耗高而且成本高,开发商不得不通过牺牲质量来降低成本和功耗,而采用WM8510可以轻松解决这些问题。
图3:采用WM8510 编解码器的VoIP电话功能框图。
WM8510是一个单片编解码器,能以8kHz到48kHz的业界标准频率采样音频信号,并带有一个在整个频率范围内信噪比为90dB的ADC,这远远高于当前市场上所提供的同类产品,这些产品典型的信噪比低于85dB。在音频输出端,WM8510 DAC能达到93dB的SNR,同样比市场同类产品高。这意味着在VoIP网络中传输的音频质量受到电话前端的编解码器所制约。如果电话的其它部分能够有效地设计,特别是DSP,完全能够通过数据网络提供高质量的语音效果。
除了WM8510提供的高质量的音频获取和回放,该器件内部还集成了VoIP硬件应用的多个特性:提供了两个灵活的麦克风输入,这两个麦克风可以以多种方式配置,其中一个可以配置成差分输入或单终结(single-ended)输入,差分提供最优的性能,另外一个作为单终结输入。这样一来,设计工程师可以在同一个音频编解码器上满足电话和电话会议的喇叭、麦克风输入。
两个麦克风输入都可以提供-12dB到+35.25dB的可编程增益,增益可以手动控制或自动控制,并具有+20dB的进一步增强选项。WM8510还提供用于驻极体麦克风的偏置信号输出。在当前的VoIP电话中,电话和喇叭采用了独立的编解码器来处理,麦克风的前置放大器也需要采用外部器件来实现。因此,采用WM8510在成本、功耗和产品尺寸上都能获得很大的提升。
WM8510还集成了听筒和喇叭输出的驱动器,单终结的单声道输出可以用来驱动听筒喇叭,差分喇叭输出驱动电话会议的喇叭。两个喇叭输出增益可以提高1.5倍,喇叭音量可以手动调整或进入静音状态。同样,在当前的电话中,这些功能是采用分离编解码器和外部器件来实现的,因此对于麦克风来说也能实现成本、尺寸和功耗上的优势。
WM8510特别适合电信应用的另一个特性是压缩功能。WM8510支持A规则和u规则的压缩特性,这两个规则能在不降低可感知的音频质量条件下,减少在VoIP网络上传输的信息量,从而可以减轻DSP数据压缩的负荷。
WM8510的功耗特别低,在3.3V供电条件下典型功耗为10mW,喇叭输出由分离的电源驱动,电压范围为2.5V到5.5V,取决于要求的音频输出功率等级。该器件还具有一些功率管理特性,利用这些特性用户可以在编解码器的一些功能部分不工作时将其关掉。例如麦克风输入、喇叭输出、ADC和DAC都能独立地关闭或激活,这适合于最小化VoIP电话功耗的要求,最终减少对外部电源的需求,甚至不用外部电源。
WM8510 DSP提供先进的滤波选项。在ADC路径上,提供了可编程高通滤波器和可编程陷波滤波器。这些灵活的特性使在语音获取时补偿背景噪声(比如风声和机器噪声)成为可能。该器件还具有模拟旁路通道以及一个混频器,该混频器将输入信号直接馈送到输出,并带有10dB的可选衰减。采用该特性,设计工程师可以实现电话侧音(sidetone),这样用户就可以在喇叭输出中听到他们自己的声音。
将WM8510集成到电话中的设计相对容易,器件采用28引脚SSOP封装。电话系统处理器可以在软件内通过WM8510的控制接口来控制其所有功能特性,这些控制接口可以根据设计工程师自己的喜好设置成2线或3线模式。
设计工程师需要注意电路布局设计和数字、模拟、接地以及参考电压的去耦。例如Wolfson推荐工程师在电路布局时,将WM8510数字和模拟接地尽量靠近IC。另外,去耦电容放置在电源和地之间,同样需要与WM8510保持尽量地靠近,这些措施能有效地最小化系统噪声(来自电源或设计的其它部分)对编解码器性能的影响,这样可以保证最终的产品能达到WM8510资料手册中的音频性能水平。
总之,VoIP电话设计工程师在开发他们的产品时有很多考虑的因素,包括DSP、LCD和LAN/PC接口的实现。而用户能直接感受到的是音频质量,工程师采用WM8510不仅可以获得所期望的音频性能,还能获得一系列整合的开发工具和功能特性,这些都能简化设计过程。
本文总结
像VoIP和DECT这样的电话应用对音频性能不断提高的要求意味着生产商必须在电话硬件设计的前端利用先进的音频编解码器。随着生产商要求更低的成本以及集成更多的功能特性,音频编解码器提供商必须提供满足其客户以及终端用户要求的解决方案。WM8510是满足这些要求的理想产品,不仅能提供高质量的音频性能、重要的附加功能特性集成,并且尺寸更小、功耗更低、易于使用。
参考文献
[CITE01] - Citel Technologies IP Telephony Migration Strategy, WP0901, v1.3
[CIRI01] - Cirilium ()
作者:Duncan Macadie
技术销售经理
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