摘 要：本文首先介绍了连续可变斜率增量调制（cvsd）的工作原理和性能，并与当前应用较为广泛的其它语音编码方 法进行分析比较，接着重点介绍了美国国家半导体公司的cvsd语音编码芯片－cmx639，并给出无线耳麦的整 体设计方案。

关键词：语音编码、cvsd、cmx639

cvsd工作原理

在无线通信的几十年的发展过程中，语音通信始终占据着重要地位。虽然数据业务得到了飞速的发展，但应该看到的是，大多数用户仍以进行语音通信为主，而且无线语音通信的应用领域也在不断扩大，在安全保卫、旅游休闲、教育等领域得到了越来越广泛的应用。

研究在保证一定语音质量的前提下，尽可能的降低语音编码率可以实现对无线通信资源的充分利用，是语音编码研究的重要领域之一。目前应用较为广泛的语音编码方法主要有：pcm和adpcm、增量调制、线性预测编码、子带编码等。

其中线性增量调制的工作原理如图1所示：
图中的s(t)是编码器的输入话音信号, (t)是s(t)经量化、编码和本地译码器后得到的再生话音信号， 为量化阶距（简称量阶），p(t)是编码输出码型。其编码规则如下：

若s(t)> (tn-tn),即e(tn)>0 ,则编码器输出 "1"码;
若s(t)< (tn-tn),即e(tn)<0,则编码器输出 "0"码.
上两式中，tn是第n次取样时刻，n＝1，2，3，……；tn是取样周期；而s(tn)- (tn-ts)=e(tn),e(tn)称为比较器误差信号。
译码器的译码规则是：当输入"1"码时，则译码输出增加一个量阶 ；当输入"0"码时，则译码器输出减小一个量阶 。

图1　线性别增量调制度原理图（略）
图2　线性增量调制编码示意图（略）
图3　cmx639管脚功能图（略）

线性增量调制量阶的大小直接关系到语音编码的质量。如果量阶设置过小，当语音信号斜率较大时，会发生过载，使得信号严重失真；而量阶如果过大，则会增大颗粒噪声。因为语音的动态范围通常较大，所以线性增量调制的性能差强人意，要保证正常通话质量，语音编码速率通常不小于50kbps。

而连续可变斜率增量调制（cvsd）在线性增量调制的基础上，能自适应地调整量阶。当编码输出连续出现"0"或"1"时，表明语音信号斜率较大，则适当增大量化的量阶；反之，则适当降低语音量化的量阶。因此能在较大的动态范围内，始终使信号的量化信噪比接近于其最大值，有效地提高了语音编码的质量。

经测试，语音编码速率在20kbps左右的cvsd基本可以满足日常通话的要求，其语音质量略低于64kbps的pcm和32kbps的adpcm，而好于16kbpsadpcm。诚然，目前采用线性预测编码、子带编码等方式已经可以在编码速率低于10kbps，甚至在1 kbps左右的条件下，实现较高的语音编码质量（mos评价高于3分）。但应该指出的是，这些技术实现难度较大，系统复杂，成本较高，不太适合一些低成本的应用场合，如无线耳麦、短距离对讲机等。而cvsd以其较低的应用难度、极低低的成本、较低编码速率和较好的语音编码质量，特别适合于这些应用场合。更值得一提的是，cvsd作为增量调制的一种，是一种串入－串出的结构，用一个比特代表一个取样点，不存在帧结构。由于cvsd具有的这一特点，使得当进行无线通信时，无需进行复杂的组帧和拆帧工作，在发端可以直接将编码数据进行传送；而在收端，不需要进行复杂的定时和比特同步工作，也不需要对数据进行处理，可以直接将解调出的波形进行语音解码，大大降低了系统的实现难度。

cmx639芯片介绍

cmx639是美国国家半导体公司推出的斜率连续可变增量（cvsd）全双工音频调制芯片。

cmx639完全集成了语音编码和解码功能，实现了单芯片语音处理的能力，外围设备简单，而且用户可以通过其管脚方便地对其编解码算法进行设置，并且具有强大的可选择编码算法，低功耗、低价位、小体积和开发难度低等多种优点，因此特别适合在对成本非常敏感的消费类语音系统中应用。

vdd：3.0v～5.0v供电电压。
encoder input(7)： 模拟语音信号的输入管脚。
encoder output(4)：语音编码后的输出管脚，将输入的模拟信号编码成为串行数据。
decoder input(11)：用于解码的串行数据的输入管脚
decoder output(9)：解码后的模拟语音信号输出管脚。
data enable(5):数据使能端，当data enable管脚处于高电平状态时，encoder output才输出编码信号；否则，encoder output管脚处于高阻状态。

agrithm(13)：算法选择管脚，由外部输入来决定压缩编码地算法是采用3 bit或4 bit算法。

（10）:功率节省管脚。当不需要进行语音编解码时，将powersave管脚置低电平，芯片处于低功耗的待机状态。

clock mode1(15),clock mode2(14),encoder data clock(3)和decoder data clock(12)：其管脚功能见下表。

由上表可知，cmx639采样速率完全取决于振荡器的频率和所设置的时钟模式。用户可以依据实际情况，自主选择采样速率，在语音质量和编码数据码率之间进行权衡，而且在振荡器的频率固定的情况下，还可以利用外部端口改变采样速率，因此赋予用户开发极大的自主权。

典型应用

无线耳麦彻底摆脱了电线的束缚，在指挥调度、安全保卫、多媒体教学、休闲娱乐等诸多领域有着广阔的市场前景。无线耳麦综合了语音处理技术和无线通信技术等技术，要求体积小，功耗低，有较高的语音质量和较低的成本。经过比较论证，采用cvsd语音编码芯片－cmx639，并结合短距离射频芯片trf6900和其它相关器件，可以基本达到无线耳麦各方面的性能要求。系统框图如图4所示。

从话筒来的语音信号幅度通常不大，为了减小量化噪声对信号质量的影响，加入了前置放大器（an7310），将信号幅度提高到适合cm639编码的水平。

cmx639在进行解码时，不可避免地混入了一些高频噪声，音频滤波器（max7400）可以有效地滤除语音信号中混有的高频噪声，使得语音信号柔和。

图4　无线耳麦结构方框图（略）

由于cmx639输出的语音功率较低，不宜直接输出到耳机，加入功率放大器（lm386）可以提高音量，还可以用户对音量大小进行调节。
trf6900是ti公司最新推出的短距离无线射频芯片，采用fsk调制，其主要性能如下：
1) 有效数据传输距离100米；
2) 工作电压2.2 v-3.6 v；
3) 待机电流5 a，工作电流50ma；
4) 数据传输最高速率50kbps。

trf6900可以基本满足无线耳麦对传输距离和数据速率的要求，而且工作电压和功耗较低，可以利用电池进行供电。

cmx639对语音信号的每次取样，只用1个比特表示，输出的是串行比特流，可以直接送入射频芯trf6900进行传输，在接收端，则直接将串行比特流送入cmx639进行解码。整个过程不需要软件进行处理，微处理器只负责对cmx639和trf6900进行初始化设置和监控，因此大大降低了微处理的负担，因此可以采用廉价的微处理器。ti公司的msp430f1121功耗低，价格便宜，体积小，并可以进行在线编程，非常适合在无线耳麦中使用。

无线耳麦经过硬件开发和软件编程后，进行调试，在传输距离为50米的条件下，cmx639采用24 kbps的取样速率，语音质量可以满足正常的语言交流。

cvsd工作原理

在无线通信的几十年的发展过程中，语音通信始终占据着重要地位。虽然数据业务得到了飞速的发展，但应该看到的是，大多数用户仍以进行语音通信为主，而且无线语音通信的应用领域也在不断扩大，在安全保卫、旅游休闲、教育等领域得到了越来越广泛的应用。

研究在保证一定语音质量的前提下，尽可能的降低语音编码率可以实现对无线通信资源的充分利用，是语音编码研究的重要领域之一。目前应用较为广泛的语音编码方法主要有：pcm和adpcm、增量调制、线性预测编码、子带编码等。

其中线性增量调制的工作原理如图1所示：
图中的s(t)是编码器的输入话音信号, (t)是s(t)经量化、编码和本地译码器后得到的再生话音信号， 为量化阶距（简称量阶），p(t)是编码输出码型。其编码规则如下：

若s(t)> (tn-tn),即e(tn)>0 ,则编码器输出 "1"码;
若s(t)< (tn-tn),即e(tn)<0,则编码器输出 "0"码.
上两式中，tn是第n次取样时刻，n＝1，2，3，……；tn是取样周期；而s(tn)- (tn-ts)=e(tn),e(tn)称为比较器误差信号。
译码器的译码规则是：当输入"1"码时，则译码输出增加一个量阶 ；当输入"0"码时，则译码器输出减小一个量阶 。

图1　线性别增量调制度原理图（略）
图2　线性增量调制编码示意图（略）
图3　cmx639管脚功能图（略）

线性增量调制量阶的大小直接关系到语音编码的质量。如果量阶设置过小，当语音信号斜率较大时，会发生过载，使得信号严重失真；而量阶如果过大，则会增大颗粒噪声。因为语音的动态范围通常较大，所以线性增量调制的性能差强人意，要保证正常通话质量，语音编码速率通常不小于50kbps。

而连续可变斜率增量调制（cvsd）在线性增量调制的基础上，能自适应地调整量阶。当编码输出连续出现"0"或"1"时，表明语音信号斜率较大，则适当增大量化的量阶；反之，则适当降低语音量化的量阶。因此能在较大的动态范围内，始终使信号的量化信噪比接近于其最大值，有效地提高了语音编码的质量。

经测试，语音编码速率在20kbps左右的cvsd基本可以满足日常通话的要求，其语音质量略低于64kbps的pcm和32kbps的adpcm，而好于16kbpsadpcm。诚然，目前采用线性预测编码、子带编码等方式已经可以在编码速率低于10kbps，甚至在1 kbps左右的条件下，实现较高的语音编码质量（mos评价高于3分）。但应该指出的是，这些技术实现难度较大，系统复杂，成本较高，不太适合一些低成本的应用场合，如无线耳麦、短距离对讲机等。而cvsd以其较低的应用难度、极低低的成本、较低编码速率和较好的语音编码质量，特别适合于这些应用场合。更值得一提的是，cvsd作为增量调制的一种，是一种串入－串出的结构，用一个比特代表一个取样点，不存在帧结构。由于cvsd具有的这一特点，使得当进行无线通信时，无需进行复杂的组帧和拆帧工作，在发端可以直接将编码数据进行传送；而在收端，不需要进行复杂的定时和比特同步工作，也不需要对数据进行处理，可以直接将解调出的波形进行语音解码，大大降低了系统的实现难度。

cmx639芯片介绍

cmx639是美国国家半导体公司推出的斜率连续可变增量（cvsd）全双工音频调制芯片。

cmx639完全集成了语音编码和解码功能，实现了单芯片语音处理的能力，外围设备简单，而且用户可以通过其管脚方便地对其编解码算法进行设置，并且具有强大的可选择编码算法，低功耗、低价位、小体积和开发难度低等多种优点，因此特别适合在对成本非常敏感的消费类语音系统中应用。

vdd：3.0v～5.0v供电电压。
encoder input(7)： 模拟语音信号的输入管脚。
encoder output(4)：语音编码后的输出管脚，将输入的模拟信号编码成为串行数据。
decoder input(11)：用于解码的串行数据的输入管脚
decoder output(9)：解码后的模拟语音信号输出管脚。
data enable(5):数据使能端，当data enable管脚处于高电平状态时，encoder output才输出编码信号；否则，encoder output管脚处于高阻状态。

agrithm(13)：算法选择管脚，由外部输入来决定压缩编码地算法是采用3 bit或4 bit算法。

（10）:功率节省管脚。当不需要进行语音编解码时，将powersave管脚置低电平，芯片处于低功耗的待机状态。

clock mode1(15),clock mode2(14),encoder data clock(3)和decoder data clock(12)：其管脚功能见下表。

由上表可知，cmx639采样速率完全取决于振荡器的频率和所设置的时钟模式。用户可以依据实际情况，自主选择采样速率，在语音质量和编码数据码率之间进行权衡，而且在振荡器的频率固定的情况下，还可以利用外部端口改变采样速率，因此赋予用户开发极大的自主权。

典型应用

无线耳麦彻底摆脱了电线的束缚，在指挥调度、安全保卫、多媒体教学、休闲娱乐等诸多领域有着广阔的市场前景。无线耳麦综合了语音处理技术和无线通信技术等技术，要求体积小，功耗低，有较高的语音质量和较低的成本。经过比较论证，采用cvsd语音编码芯片－cmx639，并结合短距离射频芯片trf6900和其它相关器件，可以基本达到无线耳麦各方面的性能要求。系统框图如图4所示。

从话筒来的语音信号幅度通常不大，为了减小量化噪声对信号质量的影响，加入了前置放大器（an7310），将信号幅度提高到适合cm639编码的水平。

cmx639在进行解码时，不可避免地混入了一些高频噪声，音频滤波器（max7400）可以有效地滤除语音信号中混有的高频噪声，使得语音信号柔和。

图4　无线耳麦结构方框图（略）

由于cmx639输出的语音功率较低，不宜直接输出到耳机，加入功率放大器（lm386）可以提高音量，还可以用户对音量大小进行调节。
trf6900是ti公司最新推出的短距离无线射频芯片，采用fsk调制，其主要性能如下：
1) 有效数据传输距离100米；
2) 工作电压2.2 v-3.6 v；
3) 待机电流5 a，工作电流50ma；
4) 数据传输最高速率50kbps。

trf6900可以基本满足无线耳麦对传输距离和数据速率的要求，而且工作电压和功耗较低，可以利用电池进行供电。

cmx639对语音信号的每次取样，只用1个比特表示，输出的是串行比特流，可以直接送入射频芯trf6900进行传输，在接收端，则直接将串行比特流送入cmx639进行解码。整个过程不需要软件进行处理，微处理器只负责对cmx639和trf6900进行初始化设置和监控，因此大大降低了微处理的负担，因此可以采用廉价的微处理器。ti公司的msp430f1121功耗低，价格便宜，体积小，并可以进行在线编程，非常适合在无线耳麦中使用。

无线耳麦经过硬件开发和软件编程后，进行调试，在传输距离为50米的条件下，cmx639采用24 kbps的取样速率，语音质量可以满足正常的语言交流。