基于A(yíng)DPCM的數字語(yǔ)音存儲與回放系統設計方案（一）

0 引言

由單片機與FPGA共同完成語(yǔ)音的錄制與回放，可以擁有豐富的接口資源和運算能力，鑒于PCM 的存儲冗余值過(guò)大和DPCM 的量化噪聲問(wèn)題，ADPCM 成為了不錯的壓縮算法。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，結合ADPCM編碼，設計并實(shí)現了具有采集速度快、存儲時(shí)間長(cháng)、語(yǔ)音回放質(zhì)量良好的數字語(yǔ)音存儲與回放系統。

1 系統設計框圖

系統主要包括采集、處理與語(yǔ)音回放模塊三個(gè)部分。對于采集模塊，一般由麥克風(fēng)或者耳機輸入的語(yǔ)音通過(guò)前置放大和低通濾波等預處理之后，完成A/D 轉化。對于語(yǔ)音處理模塊來(lái)說(shuō)，進(jìn)行ADPCM 的編碼以及FFT運算，可將數字化的語(yǔ)音存儲于外部介質(zhì)。對于回放模塊來(lái)說(shuō)，可提取存儲的語(yǔ)音內容，并且通過(guò)解碼、D/A轉換，最后驅動(dòng)揚聲器來(lái)完成回放功能。系統整體框圖如圖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 內部。通過(guò)立體聲音量控制芯片PGA3010實(shí)現立體聲音量的調節，最后由功率放大器驅動(dòng)揚聲器完成語(yǔ)音播放功能。同時(shí)，通過(guò)在FPGA內部對采樣數據進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換，可在示波器上實(shí)時(shí)顯示語(yǔ)音信號的頻譜。

2 理論分析計算

2.1 ADPCM編碼的理論分析

ADPCM 的原理是對相鄰兩采樣值的差值進(jìn)行編碼，利用自適應的思想改變量化階的大小。ADPCM 編碼法結合了DCM 與ADM,其實(shí)是差分算法原理的自適應方向改進(jìn)。對于輸入的信號Si 與自適應輸出值Sp 存在差值，根據自適應量化步長(cháng)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(cháng)d .其原理圖如圖2所示。

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

通過(guò)ADPCM的編碼，可以達到1/6的壓縮比率。也就是說(shuō)，對于24 b的采樣數據，4 b的存儲率即可達成要求，可以大大延長(cháng)存儲的時(shí)間。當采樣速率為46 kHz時(shí)，數據傳輸速率為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(cháng)時(shí)間為22 s.當采樣速率為8 kHz時(shí)，能夠存儲的最長(cháng)時(shí)間為128 s.

2.2 信噪比計算

一般認為，通話(huà)的語(yǔ)音頻率一般不超過(guò)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,根據奈奎斯特定律，即可滿(mǎn)足語(yǔ)音量化不損失。對于耳機聲道聲音，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(mǎn)足其要求。根據如下信噪比(單位：dB)公式：

若假定語(yǔ)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(gè)比特字長(cháng)對信噪比的貢獻大約為6 dB.選用24 b A/D 轉換器PCM3010,理論上可以達到137 dB的信噪比。

2.3 預加重處理

為了提升語(yǔ)音質(zhì)量，一般都會(huì )對采集的語(yǔ)音進(jìn)行預加重處理。使得信號的高頻部分進(jìn)行提升，同時(shí)信號更平坦。處理的時(shí)候一般在高頻段按照-6 dB/倍頻程跌落，在FPGA內部實(shí)現具有6 dB/倍頻程提升高頻特性的預加重數字濾波器。選取一階高通濾波器，其特性函數為：

式中u 值取為0.94~0.97.當然，在信號處理之后，還需要通過(guò)去加重來(lái)還原原本的語(yǔ)音信號。

2.4 分幀加窗處理

為了能用傳統的方法對語(yǔ)音信號進(jìn)行分析處理，需要對本來(lái)是時(shí)變語(yǔ)音信號進(jìn)行加窗處理。假定語(yǔ)音信號在30 ms內是平穩的，則在30 ms范圍內對于語(yǔ)音信號分割加窗。若采樣速率為46 kHz,每幀信號由512個(gè)點(diǎn)組成，則一幀的時(shí)間長(cháng)度為11.1 ms,滿(mǎn)足語(yǔ)音信號的短時(shí)平穩特性。

不同的窗函數對于信號會(huì )有不同的處理結果，為了選取更優(yōu)的處理結果，于是對于矩形窗和漢明窗兩個(gè)最為典型的窗的特性進(jìn)行比較，結果如圖4,圖5所示。

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