modem digital audio interface summary

一、PCM(Pulse Code Modulation)

1.介绍 PCM脉冲编码调制就是把一个时间连续，取值连续的模拟信号进行采样，再对采样值幅度进行量化、编码为数字信号的过程。其工作原理大致如下：





“防失真滤波器”是一个低通滤波器，用来滤除声音频带以外的信号； 
“波形编码器”可暂时理解为“采样器”；
“量化器”可理解为“量化阶大小(step-size)”生成器或者称为“量化间隔”生成器 

声音数字化有两个步骤：

第一步是采样，就是每隔一段时间间隔读一次声音的幅度；第二步是量化，就是把采样得到的声音信号幅度转换成数字值。但那时并没有涉及如何进行量化。量化有好几种方法，但可归纳成两类：一类称为均匀量化，另一类称为非均匀量化。采用的量化方法不同，量化后的数据量也就不同。因此，可以说量化也是一种压缩数据的方法。 

波形声音的码率 = 取样频率 × 量化位数 × 声道数

（1）均匀量化采用相等的量化间隔对采样得到的信号作量化，那么这种量化称为均匀量化。均匀量化就是采用相同的“等分尺”来度量采样得到的幅度，也称为线性量化 量化后的样本值Y和原始值X的差E=Y-X称为量化误差或量化噪声





（2） 非均匀量化非线性量化：对输入信号进行量化时，大的输入信号采用大的量化间隔，小的输入信号采用小的量化间隔。这样就可以在满足精度要求的情况下用较少的位数来表示。声音数据还原时，采用相同的规则。 在非线性量化中，采样输入信号幅度和量化输出数据之间定义了两种对应关系，一种称为u律压扩(companding)算法，另一种称为A律压扩算法。 采样频率为8 kHz，样本精度为13位、14位或者16位的输入信号，使用m 律压扩编码或者使用A律压扩编码，经过PCM编码器之后每个样本的精度为8位，输出的数据率为64
kb/s。这就是CCITT推荐的G.711标准。  u律压扩： 北美和日本等地区 13位PCM编码转换城8位。  A律压扩 欧洲和中国大陆等地区， 14位PCM编码转换城8位 输出信号均为64Kb/s 2. HUAWEI MU509 PCM Audio Design Interface Huawei LGA modem 模块支持PCM接口来传输和发送音频数据 （1） PCM接口定义





（2） PCM CLOCK MODE

华为modem只能工作在master模式，modem是clock的信号源。





（3）Modem PCM 音频接口工作特性 

Clock工作频率为 2.048MHZ，只能工作在master mode 
采样频率为 8KHZ
对于usp模拟pcm接口来讲，它工作在Master Mode时，SCLK由usp产生，其最大时钟频率=1/6 I/O 时钟频率；
它工作在Slave mode 时，SCLK由外部设备产生，最大时钟频率=1/20 I/O 时钟。实际频率值通过USP_CLK_DIVISOR寄存器计算所得。
采用short-sync (Primary PCM) mode,在此模式下，modem只能做主设备，不支持从设备。
支持linear模式与u_law模式两种，linear模式下语音编码为13bit，u_law模式为8bit.
华为模块编码位不能更改，我们只能配合模块修改我们自己usp控制器的编码位；
研发推荐使用u_law（8bit）--u_law（8bit）模式，实际测试发现linear（13bit）--linear（8bit）模式效果较好，所以我们自己设定华为modem用的是linear模式； 
MU509 linear模式下为13bit，客户端linear模式设置为8bit，尽管位数编码不一致，但不影响正常语音效果；客户端若为16bit则无法通讯； 
模块与客户端模式、编码位等必须设置一致，之后必须对模块进行断电重启。 
PCM语音调试只有ATCPCM这一条指令
linear模式：ATCPCM=0,0,0,0,0
u_law模式：ATCPCM=0,1,0,0,0；

(4) 关于short frame sync 和 long-frame sync PCM Interface

根据clock控制PCM数据传输的格式不同，分为long-frame sync和short-frame Sync 格式。

在Long Frame Sync 格式中，PCM_SYNC的上升沿指示PCM 数据的开始位。

一般来说，在这种格式下，当PCM_CLK下降沿时，采样PCM_IN 当PCM_CLK上升沿时，传输PCM_OUT.

其格式如下图所示：





Short Frame Sync 在这种格式下，PCM_SYNC 下降沿指示数据字开始传输。

PCM_SYNC 的长度总是一个时钟周期。和Long Frame Sync 一样，PCM_CLK的下降沿采样PCM_IN,在它的上升沿传输PCM_OUT.

其格式如下图所示：



（5） PCM音频格式配置USP控制寄存器 大多数Modem通过PCM接口来传输音频数据，所以我们要用USP2模拟PCM接口， 重点是我们必须将USP2配置成合适的PCM格式，否则将影响音频数据的传输。

以下寄存器的配置是非常重要的,配错一位，就可导致传输数据有问题。

















（6）ALSA-Lib的 PCM (digital audio) plugins

对于pcm设备，我们需要在alsa层给予定义，为alsa层调用提供pcm handler。

在alsa可用的调试工具有 amixer，aplay，arecord

或者添加宏定义，编译出新的工具如alsa_amixer，alsa_aplay等等。

用例：

$Amixer

Simple mixer control 'Headphone',0

Capabilities: pswitch pswitch-joined

Playback channels: Mono

Mono: Playback [off]

Simple mixer control 'Capture',1

Capabilities: cvolume cswitch

Capture channels: Front Left - Front Right

Limits: Capture 0 - 7

Front Left: Capture 7 [100%] [off]

Front Right: Capture 7 [100%] [off]

Simple mixer control 'Speaker',0

Capabilities: volume pswitch pswitch-joined

Playback channels: Front Left - Front Right

Capture channels: Front Left - Front Right

Limits: 0 - 127

Front Left: 127 [100%] Playback [on]

Front Right: 127 [100%] Playback [on]

可以通过这个命令来设置speaker或者micphone的增益以及开关。

如：

Amixer sset 'Speaker',0 on/off 打开/关闭speaker

Amixer sset 'Speaker',0 122 设置增益

Arecord !-Dhw:0,0 -r 48000 -c 1 -f S16 -t raw /d.pcm从mic录音到文件

Aplay !-Dhw:0,0 -r 48000 -c 2 -f S16 -t raw /d.pcm播放音频文件到speaker

Aplay –l查看设备的device number和card number

对于设备的配置文件定义和如何使用alsa插件，

关于将双通道合成单通道的例子：

pcm.!default makemono

pcm.makemono {

type route

slave.pcm "hw:0"

ttable {

0.0 1 # in-channel 0, out-channel 0, 100% volume

1.0 1 # in-channel 1, out-channel 0, 100% volume

}

}

可参考网址：

http://www.alsa-project.org/alsa-doc/alsa-lib/pcm_plugins.html
https://wiki.archlinux.org/index.php/Advanced_Linux_Sound_Architecture/Example_Configurations
（7）关于采样位数转化方法

(a)（signed 8bit –>signed16bit）

if (data[i]&0x0080)

data[i] += 0xFF00; convert to negative 16-bit

else

data[i] = data[i];

end

The most significant bit of a signed number is the minus bit. Without the adjustment to a 16 bit ('+= 0xFF00') negative an 8 bit negative would be still be a positive number in signed 16 bit.

Because we only want to convert a range limited subset, we need to adjust the negative value.

In a signed 8 bit number we go from -128 (0x80) through -1 (0xFF) then 0 to +127 (0x7F).

In a signed 16 bit we go from -32768 (0x8000) through -128 (0xFF80) to -1 (0xFFFF) then 0 through +127 (0x007F) to 32767 (0x7FFF).

As you can see, the positive side need no adjustment, but the negative needs to be within -128 from zero (0xFF80) for the conversion to work.

(b)int signed16 = (int)((signed char)data[i]);

(c )*dst++ = (int16_t)(*src1^0x80) << 8 |*src++;

这个操作可在AudioTrack.cpp文件中进行转化完成。

（三）关于 Cinterion GSM Modem AGS2 I2S audio

(1) GSM modem AGS2 audio interface

GSM modem AGS2支持i2S audio接口，其时序特性如图所示：





I2S接口特性：

GSM I2S作为master端，它可以传输mono或stereo声道音频数据在输入输出方向
I2S_SCLK：256khz
Sample rate : 8khz
Prima2端的i2s是通过usp2模拟实现的，其传输和发送sync信号全部由TFS来控制，而不是以往所确定的RFS。

在配置时需尤其注意。

（2）usp2模拟I2S的配置信息

















在USP模拟I2S接口的一般情况下，配置RX和TX帧格式寄存器，需要设置USP_RX_FRAME_CTRL：21bit I2S_SYNC_CHG =1，然后把I2S的左或者右声道看做一个PCM，按照这个pcm格式对寄存器进行设置。但是，具体情况具体分析，可根据实际需要进行灵活配置。

（三）调试注意事项

首先确定硬件音频通路可以正常工作。

（1） 首先确定prima2和modem设备的硬件连接是否正常是否合理，尤其是sync信号。

（2） Modem一般都支持模拟音频输出和数字音频输出，要检查好模式配置。

（3） Master端，PCM或者I2S接口的电压和频率是否输出输入正常，例如AGS2的所有信号均为1.8V，经过电压转换芯片后，将data信号线转换为3.3V，而clock信号仍为1.8V。

（4） Slave端，USP模拟PCM或者I2S接口，是否有正常的输入信号，接收端电压和信号是否正常。

（5） 在通过示波器测量信号正常的情况下，如果没有声音，就要查看usp控制器的配置是否正常，尤其是pcm和i2s的大小端对齐，沿触发问题，TFS和RFS的配置，以及帧长度和实际长度，同步信号的设置问题，

保证正确的情况下，音频数据收发才正常。

（6）在以上配置完后，此时应该有声音输出，对于声音质量问题，分两个方面，一个是软件方面，另一个是硬件方面。对于软件方面的影响，分阶段截取数据流进行分析，确定噪音源的部分。

首先确定从麦克或者modem进来的声音质量是否完好；其次确定经过FIFO和DMA到audiotransfer的音频数据质量如何；最后确定speaker播放的声音效果。有些要分别测试GSM工作与不工作两周情况。

逐步排查定位问题点，往往问题不是单方面的。

（7）对于硬件方面，也是过滤排除问题原因，有些需分别测试GSM工作与否两种情况。大致几个方面：

1）Modem本身工作机制引起的对芯片的干扰和自身产生的噪音。

2）电源电路引起的干扰

3）对于芯片本身，麦克的灵敏度，放大电路倍数和增益之间的合理配置。

这个通过硬件工程师进行频谱分析和公式进行测量得出。

Speaker通过line-out经放大电路输出后的差异测试，通过设置低通放大器的倍数和电路优化可提升声音质量。

（8）对于通道和采样位数之间的不匹配问题需要处理。

通道问题和采样精度都可以通过alsa的插件进行处理；采样位数不一致既可以软件处理；也可以从音频接口处通过配置寄存器进行double或者half处理。

除此之外，一般modem内部也可以对自身音频数据格式进行选择和配置，有些情况下可以通过AT命令进行控制。