ADPCM的數(shù)字語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（一）

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 ADPCM的數(shù)字語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（一） 0 引言 由單片機(jī)與FPGA共同完成語音的錄制與回放，可以擁有豐富的接口資源和運(yùn)算能力，鑒于PCM 的存儲(chǔ)冗余值過大和DPCM 的量化噪聲問題，ADPCM 成為了不錯(cuò)的壓縮算法。同時(shí)為了擁有較高的共模抑制比、低失真、高功率和高輸入阻抗，本文采用儀表放大器、立體聲功率放大和控制芯片，結(jié)合ADPCM編碼，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有采集速度快、存儲(chǔ)時(shí)間長、語音回放質(zhì)量良好的數(shù)字語音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 系統(tǒng)主要包括采集、處理與語音回放模塊三個(gè)部分。對(duì)于采集模塊，一般由麥克風(fēng)或者耳機(jī)輸入的語音通過前置放大和低通濾波等

2、預(yù)處理之后，完成A/D 轉(zhuǎn)化。對(duì)于語音處理模塊來說，開展ADPCM 的編碼以及FFT運(yùn)算，可將數(shù)字化的語音存儲(chǔ)于外部介質(zhì)。對(duì)于回放模塊來說，可提取存儲(chǔ)的語音內(nèi)容，并且通過解碼、D/A轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器來完成回放功能。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。 其中的立體聲ADC和立體聲DAC組成部分都集成在芯片PCM3010 內(nèi)部。通過立體聲音量控制芯片PGA3010實(shí)現(xiàn)立體聲音量的調(diào)節(jié)，由功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器完成語音播放功能。同時(shí)，通過在FPGA內(nèi)部對(duì)采樣數(shù)據(jù)開展短時(shí)傅里葉變換，可在示波器上實(shí)時(shí)顯示語音信號(hào)的頻譜。 2 理論分析計(jì)算 2.1 ADPCM編碼的理論分析 ADPCM 的原理是對(duì)相鄰兩采樣值的差值開展

3、編碼，利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小。ADPCM 編碼法結(jié)合了DCM 與ADM,其實(shí)是差分算法原理的自適應(yīng)方向改良。對(duì)于輸入的信號(hào)Si 與自適應(yīng)輸出值Sp 存在差值，根據(jù)自適應(yīng)量化步長d 對(duì)此差值開展量化，輸出ADPCM 四位量化碼I.對(duì)于量化碼I 又重新計(jì)算量化步長d .其原理圖如圖2所示。 另外一方面對(duì)于量化碼I,又要送入反量化器，根據(jù)計(jì)算的步長d 開展差異斷定，生成新的解碼值，開展下一輪的語音編碼。其原理圖如圖3所示。 通過ADPCM的編碼，可以到達(dá)1/6的壓縮比率。也就是說，對(duì)于24 b的采樣數(shù)據(jù)，4 b的存儲(chǔ)率即可達(dá)成要求，可以大大延長存儲(chǔ)的時(shí)間。當(dāng)采樣速率為46 kHz時(shí)，數(shù)據(jù)傳

4、輸速率為184 Kb/s,由于外部存儲(chǔ)器BQ4015大小為5128 Kb,故能夠存儲(chǔ)的長時(shí)間為22 s.當(dāng)采樣速率為8 kHz時(shí)，能夠存儲(chǔ)的長時(shí)間為128 s. 2.2 信噪比計(jì)算 一般認(rèn)為，通話的語音頻率一般不超過3.4 kHz,所以低通濾波器選取3.4 kHz作為其截至頻率，同時(shí)保證A/D采樣頻率高于8 kHz,根據(jù)奈奎斯特定律，即可滿足語音量化不損失。對(duì)于耳機(jī)聲道聲音，其頻率范圍為20 Hz20 kHz,所以對(duì)于上述的濾波器以及A/D 采樣頻率也能滿足其要求。根據(jù)如下信噪比（單位：dB）公式： 若假定語音信號(hào)服從拉普拉斯分布，則xmax = 4x . 所以可以計(jì)算出： 說明量化器中每個(gè)比

5、特字長對(duì)信噪比的奉獻(xiàn)大約為6 dB.選用24 b A/D 轉(zhuǎn)換器PCM3010,理論上可以到達(dá)137 dB的信噪比。 2.3 預(yù)加重處理 為了提升語音質(zhì)量，一般都會(huì)對(duì)采集的語音開展預(yù)加重處理。使得信號(hào)的高頻部分開展提升，同時(shí)信號(hào)更平坦。處理的時(shí)候一般在高頻段按照-6 dB/倍頻程跌落，在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)具有6 dB/倍頻程提升高頻特性的預(yù)加重?cái)?shù)字濾波器。選取一階高通濾波器，其特性函數(shù)為： 式中u 值取為0.940.97.當(dāng)然，在信號(hào)處理之后，還需要通過去加重來復(fù)原原本的語音信號(hào)。 2.4 分幀加窗處理 為了能用傳統(tǒng)的方法對(duì)語音信號(hào)開展分析處理，需要對(duì)本來是時(shí)變語音信號(hào)開展加窗處理。假定語音信號(hào)

6、在30 ms內(nèi)是平穩(wěn)的，則在30 ms范圍內(nèi)對(duì)于語音信號(hào)分割加窗。若采樣速率為46 kHz,每幀信號(hào)由512個(gè)點(diǎn)組成，則一幀的時(shí)間長度為11.1 ms,滿足語音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)特性。 不同的窗函數(shù)對(duì)于信號(hào)會(huì)有不同的處理結(jié)果，為了選取更優(yōu)的處理結(jié)果，于是對(duì)于矩形窗和漢明窗兩個(gè)為典型的窗的特性開展比較，結(jié)果如圖4,圖5所示。 由圖4,圖5可知，矩形窗有不錯(cuò)的平滑特性，但是在頻譜帶外會(huì)有一定的信號(hào)損失，會(huì)有泄漏現(xiàn)象。而漢明窗雖然平滑特性不好，但是其帶寬卻大于矩形窗，更適合語音信號(hào)處理。故在時(shí)域中對(duì)每幀信號(hào)添加漢明窗，再開展傅里葉變換，能更真實(shí)地分析其頻譜信息。 顯示頻譜時(shí)，由于示波器的分辨率有限，對(duì)5

7、12 點(diǎn)的頻譜信息，采取每間隔8個(gè)點(diǎn)抽取1個(gè)點(diǎn)的方式，即得到64 點(diǎn)的頻譜信息。由于顯示時(shí)只需顯示0 fs 2（fs為采樣速率）頻率段的信息，故在示波器上清晰地顯示32個(gè)點(diǎn)的頻譜。 3 單元模塊電路設(shè)計(jì) 3.1 前級(jí)放大電路 一般來說，語音的輸入能量不大，為了完成A/D 操作，就需要對(duì)輸入的信號(hào)開展放大。對(duì)于簡單的電路放大設(shè)計(jì)，選用基本的AD620、INA129.對(duì)于調(diào)制電阻RG ,通過增益計(jì)算公式G = 49.4 k/RG + 1 可以計(jì)算得到， RG 使用50 k可調(diào)電位器來到達(dá)2.5 倍的增益放大，電路設(shè)計(jì)圖如圖6,圖7所示。 3.2 A/D及D/A設(shè)計(jì)電路 PCM3010 為24 b

8、立體聲音頻編碼器，其內(nèi)部包含- 型ADC和DAC.其中立體聲ADC輸入信號(hào)峰峰值為3 V,內(nèi)置抗混疊濾波器和高通濾波器，采樣速率為1696 kHz可調(diào)，立體聲DAC輸出信號(hào)峰峰值為3 V,內(nèi)置去加重濾波器，轉(zhuǎn)換速率為16192 kHz可調(diào)。DAC輸出信號(hào)接后置低通濾波器，可實(shí)現(xiàn)較好的波形輸出。 該芯片將ADC、DAC集成一體，極大地簡化了硬件電路規(guī)模，并且價(jià)格便宜，具有極高的性價(jià)比。這里在某些數(shù)據(jù)線與控制線上串接了一個(gè)小電阻，以降低信號(hào)上下邊沿的跳變速率。其電路圖如圖8所示。 3.3 音量控制及功放電路 音量調(diào)節(jié)選用高性能立體聲音頻音量控制芯片PGA2310實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)字方法控制模擬音量，每聲道音量單獨(dú)可調(diào)，并具有靜噪功能。它具有極寬的增益衰減范圍，-95.531.5