CC BY
87Компоненты и технологии, № 1'2005
Компоненты
для ^-телефонии
Развитие информационных технологий затронуло практически все стороны нашей жизни — от игрушек до промышленного производства. А Интернет используется не только для «закачки» информации (может быть, не всегда полезной), чтения новостей или общения по электронной почте, но и дает возможность поговорить: ^-телефония — технология, которая используется в Интернете для передачи речевых сигналов. При разговоре звуки нашего голоса преобразуются в сжатые пакеты данных и посылаются через Интернет другой стороне. Когда пакеты данных достигают адресата, они декодируются в звуковые сигналы оригинала. Достоинства ^-телефонии — дешевизна, надежность, высокая скорость связи и простота использования (это может сделать даже человек, незнакомый с Интернетом и компьютером).
е-
Николай Ракович
ля того чтобы воспользоваться всеми преимуществами IP-телефонии, необходимо соответствующее оборудование, а в этом оборудовании — соответствующая комплектация.
Основные задачи, которые решаются оборудованием для IP-телефонии, заключаются в кодировании-декодировании голосовых сигналов и работе с интерфейсом телефонной линии. Компоненты, выпускаемые Silicon Laboratories, позволяют решить эти задачи.
Для подключения к телефонной сети разработана серия Si32хххх ProSLIC!, поддерживающая интерфейс абонентской телефонной линии SLIC (Subscriber Line Interface Circuit).
ProSLIC! Si3210/3211 представляет собой низковольтную КМОП ИС, которая поддерживает все виды SLIC, имеет кодек, схему определения сигнала частотного набора (DTMF) и схему генерации сигнала для полностью аналогового телефонного интерфейса (рис. 1). В состав этой ИС входит полный набор
функций BORSCHT (battery, overvoltage, ringing, supervision, codec, hybrid, test — питание линии, защита по перенапряжению, вызов, контроль, кодек, гибридное сопряжение, тестирование). В отличие от большинства ИС SLIC, для работы Si3210 не нужны высоковольтные источники (батареи линии): собственный контроллер выдает все необходимые напряжения. Два полностью программируемых генератора формируют сигналы DTMF, сигналы частотной манипуляции.
Для согласования напряжений и токов абонентской линии и параметров Si3210/3211 создан преобразователь уровней S13201 (он же шлюз), который может быть заменен недорогими дискретными элементами. Преобразователь уровня обеспечивает программируемые напряжение отбоя, ток сигнала ответа абонента, режим обратного тока, операции организации цикла и вызывное напряжение. Напряжение и ток в линии постоянно контролируются встроенным АЦ-преобразователем. Возможность задания смещения, частоты, формы и скважности тактового сигнала позволяет не только широко использовать Si3210/3211 в различных линиях, но и снизить требования к внешним контроллерам (типовая схема включения на примере Si3210 — на рис. 2).
ИС Si3210/3211 специально разработана для короткой абонентской линии (терминальные адаптеры ISDN, Ethernet, USB, кабельная телефония, телефонные системы частного использования, беспроводных местных линий связи и IP-телефонии) и полностью соответствует стандартам LSSGR и CCITT.
Универсальность ProSLIC! Si3210/3211 обеспечивается и встроенным трактом приема-передачи звукового сигнала, куда входит и декодирование частотного (DTMF) сигнала, полное сопротивление по переменному току и гибридное (аналого-цифровое) сопряжение. Надо учесть, что эти характеристики за-------www.finestreet.ru------------------------
Компоненты и технологии, № 1'2005
CS— SCLK— SDO<-SDI —
DTX-<-
FSYNC-
PCLK-
INT RESE -t-t
SÍ3216
Интерфейс
управления
Состояние
линии
Интерфейс
кодово-
импульсной
модуляции
РСМ
*— '
Генератор частотных сигналов
!■ *
Кодек
полосы
пропускания
*—;
Гибридная схема
і
Управление
преобразо-
вателем
уровня
Преобра-
зователь
уровн
Si3201
RING
PLL
(ФАПЧ)
Контроллер DC-DC преобразователя
Дискретные
компоненты
Рис. 3. Блок-схема Si3216
даются программно. Передача голоса в виде цифровых данных выполняется с помощью стандартной шины импульсно-кодовой модуляции (РСМ), для передачи данных управления используется стандартный протокол последовательного периферийного интерфейса SPI.
Для тех случаев применения VoIP, когда необходимо высокое качество голосового сигнала, Silicon Laboratories выпускает ИС ProSLIC! Si3216 (рис. 3) с двумя диапазонами полосы пропускания: стандартный, он же узкополосный — от 200 Гц до 3,4 кГц, и широкополосный — от 50 Гц до 7,0 кГц (рис. 4). Переключение диапазонов выполняется «на лету», что позволяет без проблем устанавливать необхо-
димую полосу пропускания в зависимости от условий. Как и 813210, 8І3216 имеет интерфейс абонентской линии 8ЫС, кодек звукового сигнала и формирователь напряжений в одной КМОП ИС с низковольтным питанием. Встроенный преобразователь напряжения не только формирует требуемые напряжения от однополярного напряжения 3,3 или 5 В, но и минимизирует потребление во всех ре-
жимах работы. Адаптация для любой абонентской сети (от Америки до Азии, от Европы до Австралии) решается программированием каждого из параметров: амплитуды, частоты и модуляции тактового сигнала, постоянного тока в линии (20-41 мА), порогов срабатывания и фильтрации. Si3216 полностью совместим с Si3210, в том числе и по выводам, и выпускается в 38-выводном корпусе TSSOP.
Рассмотренные ИС работают на одну абонентскую линию. А если у пользователя две линии, а места мало? Такая проблема решается установкой ИС Dual ProSLIC! Si3220/3225, которая поддерживает два аналоговых телефонных канала одновременно. Рассчитанная на длинную абонентскую линию (свыше 10 км), Si3220 представляет оптимальное решение как по уровню интеграции, так и по потребляемой мощности для офисных АТС и цифровых сетей. Кроме работы на два канала длинной линии, Si3220 подходит и для приложений короткой абонентской линии: терминальные адаптеры ISDN, Ethernet, USB, интегрированные системы доступа, телефонные системы частного использования и IP-телефония. Dual ProSLIC! соответствует стандартам Bellcore LSSGR, ITU и ETSI.
Как и другие приборы семейства ProSLIC!, Si3220 (рис. 5) имеет встроенные функции BORSCHT, блок декодирования и генерации DTMF-сигналов, формирователь сигналов частотной манипуляции и измерительных импульсов (контроль линии). В качестве преобразователя уровня для Si3220 используется ИС Si3200, которая представляет программируемое решение для формирования высоких напряжений с минимальной стоимостью всей системы.
Среди возможностей Si3220 — программирование напряжения отбоя и тока состояния линии при снятии трубки, режимы обратного тока и передачи отбоя. Кроме этого, постоянно производится контроль тока и напряжения в линии с помощью 8-разрядного аналого-цифрового преобразователя, также входящего в состав Si3220. Остальные функции аналогичны Si3210.
Если у пользователя уже есть интерфейс для работы с телефонной линией с одной стороны и цифровой процессор сигналов (DSP) — с другой, то для разговора в IP-телефонии достаточно голосового кодека Si3000.
Si3000 — звуковой кодек с полосой пропускания, рассчитанной на речь, который содержит 16-разрядные АЦП и ЦАП (рис. 6). Входной
Л ( і Enhanced Wideband Mode і К ►!
0 dB- і Traditional Narrowband Mode 1 i
50 Hz 20 Рис. 4. Звуков 0 Hz 3,4 ые диапазоны Si32 І Г- 1 1 CV-). cHz 7,0 kHz 6
CS— SCLK— SDO<-SDI----
DTX<-DRX— FSYNC---
PCLK-
SI3220/25
щ z -0- £ -Q. §
£ о i Q-X
О
и _
PLL >1 (ФАПЧ)
Измерение
импульса
Диагностика
абонентской
линии
2-проводной импеданс по переменному току
Гибридная схема
Генератор
вызывных
сигналов
Декодер сигналов DTMF
DSP
Блок ЧМн
Генератор частотных сигналов
Детектирование сигнала модема
П ро гра мми руемы е звуковой фильтр
Регулировка усиления
Детектирование сбоев (замыкание контура и ключа на землю)
Драйверы реле
Кодек А
ЦАП
АЦП
SUCA
Управление преобразователем уровня
Контроль преобразователя уровня
Кодек В
ЦАП
АЦП
sue В
Управление преобразователем уровня
Контроль преобразователя уровня
Преобра-
зователь
уровня
SI322320
Преобра-
зователь
уровня
Si3220
—О TIP
Канал А -О RING
-О TIP Канал В -О RING
Рис. 5. Блок-схема Si3220/3225
Компоненты и технологии, № 1'2005
S¡3034/35/44 Chipsets
DSP
Si3012 DAA
Sî3021 DAA НЬ Si3014 DDA 4 or S¡3015 DDA
(Master)
Discretes
— TIP
— RING
Handset
Рис. 7. Применение кодека Si3000 в системе IP-телефонии
тракт состоит из микрофонного входа с задаваемым коэффициентом усиления, линейного входа, коэффициент усиления которого тоже можно задать, и вход для микротелефонной гарнитуры. Сигнал с каждого из этих входов через смеситель поступает на АЦ-преобразователь, после которого превращается в 16-разрядное число со знаком. Это число затем поступает на цифровой усилитель (конечно же, с программируемым коэффициентом усиления). Выходной тракт содержит цифровой усилитель и 16-разрядный ЦА-преобразователь. К выходу ЦАП подключены линейный выход, усилитель мощности для наушников и выход для микротелефонной гарнитуры. Для управления различными функциями SÍ3000 используется последовательный интерфейс.
Кодек SÍ3000 может непосредственно подключаться к Si3035, Si3034, S13044 в тех модемах, где необходим речевой канал, или применяться просто как звуковой кодек в соответствующих системах (рис. 7).
Как отмечалось, эта ИС работает с тремя монофоническими аналоговыми входами: линейным, микрофонным и микротелефонным. Любой из этих входов может быть отключен записью соответствующих битов в регистры управления. Неиспользуемые аналоговые входы надо подключить на «землю» через конденсатор 0,1 мкФ, чтобы устранить утечки по постоянному току. Для формирования сигнала необходимой амплитуды используются встроенные усилители с заданными коэффициентами 0, 10, 20 или 30 дБ для микрофонного входа и 0, 10 или 20 дБ для линейного входа. Смещение по постоянному току для каждого входа убирается конденсаторами. Коэффициент усиления линейного и микрофонного входов устанавливается записью «1» в RX Gain Control регистра 5. Если усилители блокируются, то эти входы становятся линейными входами с сигналом 1 В (среднеквадратичное значение). Цепь смещения для активных микрофонов выполнена непосредственно на кристалле и выдает 2,5 В опорного напряжения с током до 5 мА.
Цифровой усилитель (он же аттенюатор) входных сигналов обеспечивает усиление до 12 дБ или ослабление до -34,5 дБ с шагом 1,5 дБ. Для устранения звуковых помех при переходе сигнала через нуль выполняется изменение уровня. Аналоговые выходы ЦА-преобразова-теля разводятся на линейный выход (LINE0), на выход динамиков (SPKRL и SPKRR) и выход для микротелефонной гарнитуры. Как и аналоговые входы, каждый аналоговый выход может быть отключен независимо от других выходов.
Цифровой усилитель выходных сигналов аналогичен входному по всем параметрам.
Минимальное сопротивление нагрузки на линейном выходе LINE0 должно быть не менее 600 Ом, при этом сигнал полностью фильтруется в диапазоне 1 В (среднеквадратичное значение). Единственный внешний элемент — блокирующий конденсатор емкостью 10 мкФ. Этот линейный выход можно заблокировать установкой бита LOM в регистре 6 или ослаблением сигнала (установкой битов аналогового аттенюатора в регистре 9).
К аналоговым выходам SPKRL и SPKRR подключаются малогабаритные динамики с сопротивлением 32 Ом. Эти выходы также можно заблокировать битами SLM и SRM регистра 7 или ослаблением выходного сигнала.
В SÍ3000 реализованы два режима последовательного цифрового интерфейса, которые поддерживают большинство стандартных цифровых процессоров сигналов для модемов. Режим выбирается подключением согласующего резистора сопротивлением 50 кОм на выводы SDO и SCLK. Для определения режима кодек S13000 считывает состояние SDO и SCLK по первому фронту сигнала MCLK после того, как сигнал сброса станет «низким». Основное различие между режимами заключается в работе сигнала FSYNC: в режиме 0 — низкий уровень, в режиме 1 — импульс.
Цифровой интерфейс представляет собой синхронный последовательный канал связи,
по которому передаются голосовые данные и данные управления.
В подчиненном режиме SCLK подключается только к согласующему резистору, а MCLK представляет собой вход со скоростью выборки 256 Fs (кадров в секунду) с использованием встроенной системы ФАПЧ для тактирования АЦП и ЦАП. В режиме ведущего вывод MCLK (master clock — ведущая схема синхронизации) работает как вход, а SCLK (serial data clock — схема синхронизации последовательных данных). Частота MCLK и значение регистров управления частотой выборки 3 и 4 определяют частоту этой самой выборки. Схема синхронизации SCLK выдает 256 бит на кадр, причем частота смены кадра эквивалентна частоте выборки.
Информация в цифровом виде передается между цифровым процессором сигналов DSP и кодеком Si3000 в виде 16-разрядных первичных кадров (Primary Frames) и вторичных кадров (Secondary Frames). Для одновременного приема-передачи внутри каждого кадра в Si3000 имеются два отдельных вывода: SDO — для приема, SDI — для передачи. Первичные кадры используются для выборок цифровых аудиоданных.
Не задерживаясь больше на интерфейсе, коснемся тактового генератора, который входит в состав Si3000 и с помощью которого формируются все необходимые стандартные частоты дискретизации для модема. Одной из составляющих тактового генератора является схе-
Компоненты и технологии, № 1'2005
ма фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), задающая необходимую частоту. Структура схемы ФАПЧ обеспечивает короткое время блокировки при запуске, при смене частоты дискретизации модема, а также помехоустойчивость. Диапазон поддерживаемых частот — от 1 до 60 МГц. Частота на выходе генератора равна 1024xFs, где Fs — требуемая частота дискретизации, и определяется программированием 8-разрядных регистров 3 и 4.
Архитектура Si3000 дает возможность разработчикам проверять функциональность системы в одном из двух режимов шлейфовой проверки линии. В первом режиме внешнее устройство посылает звуковые данные на вход SDI и принимает сигнал с вывода SDO, что позволяет определять групповую задержку цифровых фильтров. Таким образом, тестируются цифровые фильтры, ЦАП и АЦП. Для запуска этого режиме достаточно установить бит DL в регистре 2. Во втором режиме выполняется проверка только цифровых фильтров.
Определившись с возможностью разговора, надо разобраться с тем, как вызвать нужного абонента. Самое простое решение — специализированные генераторы вызывного сигнала. Здесь хорошие решения предлагает фирма Supertex (уже знакомая читателям «КиТ»).
ИС генератора вызывного сигнала с ШИМ HV430 работает при напряжении питания до 340 В и формирует на выходе сигнал вызова 105 В (среднеквадратичное значение). Высоковольтные выходы VPGATE и VNGATE используются для управления ключами на базе опять же высоковольтных р- и n-канальных
Input2~
Output2 Vdd2
полевых МОП-транзисторов (MOSFET), включенных по двухтактной схеме (рис. 8). Встроенная защита по току, порог срабатывания которой задается внешними резисторами, не даст погибнуть любому из MOSFET-транзисторов. При срабатывании защиты на выходе FAULT устанавливается сигнал низкого уровня, а снимается — после 4 циклов после снятия перегрузки или низким уровнем RESET или ENABLE. Кстати, сброс по включению питания решается подключением одного внешнего конденсатора.
Управление внешними ключами выполняется независимо по двум логическим входам PIN и Nin при «1» на выводе MODE. Высокий уровень на Pin включает внешний Р-канальный транзистор, а на Nin — N-канальный. Схема блокировки предотвращает одновременное включение обоих транзисторов, а ограничитель ширины импульса не позволяет формировать импульсы управления меньше 100-200 нс.
В том случае, когда необходим только один канал, вывод MODE надо присоединить к сигнальной «земле», а ШИМ-сигнал управления
Rjsync °nd CjgYNC selected for Rdcj — Rdc4 selected for desired ring sync lead time the desired DC Offsets.
externalring frequency----------------
PLLfilteronlyrequiredfor __L:
exfernalringfrequency CPli2 —4,7|iF 33MF ^ ^
Рис. 10. Блок-схема HV461FG
Q>D1 —I—
10мр ^ 10t5jjF
Компоненты и технологии, № 1'2005
e-
подать на вывод Nin. Регулируемая пользователем «мертвая» зона в блоке управления, реализующем принцип перекидного контакта (с разрывом цепи), позволяет избежать сквозного тока через высоковольтный выход при переключении: внешний Р-канальный транзистор не включится, пока не закроется N-канальный и наоборот.
Упрощенный вариант HV430 выпускается как HV450. Рабочее напряжение равно -220 В, эффективное значение вызывного сигнала равно 67 В, а «мертвая» зона составляет 200 нс и не регулируется. Выход может работать на нагрузку до 5 REN, которую можно увеличить подключением внешних полевых транзисторов.
Если возникает острая необходимость в синусоидальном вызывном сигнале, то удовлетворить эту потребность можно с помощью генераторов HV440 и HV441 (блок-схема HV441 на рис. 9). Эти ИС генерируют синусоидальный сигнал с эффективным значением 70 В (при рабочем напряжении 220 В) и частотой от 15 до 60 Гц на нагрузку 5 REN, которая может быть увеличена до 20 REN двумя дополнительными MOSFET-транзисторами TN2524N8 и TP2522N8 производства Supertex. Как и в HV430, управление выходными транзисторами осуществляется через логические входы PiN и NiN. Для устранения сквозного тока через MOSFET-транзисторы введена нерегулируемая 200-наносекундная мертвая зона. В качестве датчиков защиты по току служат два внешних резистора.
HV441 может использоваться не только как генератор синусоидального сигнала, но и как усилитель: внешний гармонический сигнал модулируется высоковольтными импульсами частотой 100 кГц. Усилитель ошибки сравнивает выходной сигнал со входным и в соответствии с результатом корректирует ширину импульсов. И амплитуда выходного сигнала, и смещение по постоянному току можно изменять.
Завершает семейство генераторов вызывного сигнала контроллер HV461FG, разработанный для работы с четырехквадрантным инвертором и синхронным выпрямителем на вторичной стороне с целью получения высокой эффективности — свыше 80% при нагрузке 40 REN (рис. 10). Инвертор выдает требуемое вызывное напряжение от стандартного источника -48 В Telecom.
Синтезатор синусоидального сигнала из состава HV461FG генерирует восемь различных частот. Если не одна из этих частот вас не устраивает, то любую частоту в диапазоне 12-63 Гц можно получить, подав внешний логический сигнал на ИС (вывод FRING). Цифровая регулировка амплитуды выходного сигнала и смещения по постоянному току предоставляет разработчику дополнительные возможности. Встроенный усилитель поможет без проблем подключить два MOSFET в первичной цепи и два выпрямителя во вторичной (рис. 11).
