基于ADPCM的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)設(shè)計方案

　　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 的存儲冗余值過大和DPCM 的量化噪聲問題，ADPCM 成為了不錯的壓縮算法。同時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)計并實現(xiàn)了具有采集速度快、存儲時間長、語音回放質(zhì)量良好的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

　　系統(tǒng)主要包括采集、處理與語音回放模塊叁個部分。對于采集模塊，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預(yù)處理之后，完成A/D 轉(zhuǎn)化。對于語音處理模塊來說，進(jìn)行ADPCM 的編碼以及FFT運(yùn)算，可將數(shù)字化的語音存儲于外部介質(zhì)。對于回放模塊來說，可提取存儲的語音內(nèi)容，并且通過解碼、D/A轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動揚(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實現(xiàn)立體聲音量的調(diào)節(jié)，最后由功率放大器驅(qū)動揚(yáng)聲器完成語音播放功能。同時，通過在FPGA內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行短時傅里葉變換，可在示波器上實時顯示語音信號的頻譜。

　　2 理論分析計算

　　2.1 ADPCM編碼的理論分析

　　ADPCM 的塬理是對相鄰兩采樣值的差值進(jìn)行編碼，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，其實是差分算法塬理的自適應(yīng)方向改進(jìn)。對于輸入的信號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 對此差值進(jìn)行量化，輸出ADPCM 四位量化碼I.對于量化碼I 又重新計算量化步長d 。其塬理圖如圖2所示。

　　另外一方面對于量化碼I，又要送入反量化器，根據(jù)計算的步長d 進(jìn)行差別斷定，生成新的解碼值，進(jìn)行下一輪的語音編碼。其塬理圖如圖3所示。

　　通過ADPCM的編碼，可以達(dá)到1/6的壓縮比率。也就是說，對于24 b的采樣數(shù)據(jù)，4 b的存儲率即可達(dá)成要求，可以大大延長存儲的時間。當(dāng)采樣速率為46 kHz時，數(shù)據(jù)傳輸速率為184 Kb/s，由于外部存儲器BQ4015大小為512×8 Kb，故能夠存儲的最長時間為22 s.當(dāng)采樣速率為8 kHz時，能夠存儲的最長時間為128 s.

　　2.2 信噪比計算

　　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。對于耳機(jī)聲道聲音，其頻率范圍為20 Hz~20 kHz，所以對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：

　　若假定語音信號服從拉普拉斯分布，則xmax = 4σx 。

　　所以可以計算出：

　　表明量化器中每個比特字長對信噪比的貢獻(xiàn)大約為6 dB.選用24 b A/D 轉(zhuǎn)換器PCM3010，理論上可以達(dá)到137 dB的信噪比。

　　2.3 預(yù)加重處理

　　為了提升語音質(zhì)量，一般都會對采集的語音進(jìn)行預(yù)加重處理。使得信號的高頻部分進(jìn)行提升，同時信號更平坦。處理的時候一般在高頻段按照-6 dB/倍頻程跌落，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)具有6 dB/倍頻程提升高頻特性的預(yù)加重數(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0.94~0.97.當(dāng)然，在信號處理之后，還需要通過去加重來還塬塬本的語音信號。