基于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(chǔ)于外部介質(zhì)。對于回放模塊來說，可提取存儲(chǔ)的語音內(nèi)容，并且通過解碼、D/A轉(zhuǎn)換，最后驅(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)，最后由功率放大器驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器完成語音播放功能。同時(shí)，通過在FPGA內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行短時(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(shí)是差分算法原理的自適應(yīng)方向改進(jìn)。對于輸入的信號(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(jì)算量化步長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(jù)計(jì)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。其原理圖如圖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(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)傳輸速率為184 Kb/s,由于外部存儲(chǔ)器BQ4015大小為512×8 Kb,故能夠存儲(chǔ)的最長時(shí)間為22 s.當(dāng)采樣速率為8 kHz時(shí)，能夠存儲(chǔ)的最長時(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(hào)服從拉普拉斯分布，則xmax = 4σx .

所以可以計(jì)算出：

表明量化器中每個(gè)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(huì)對采集的語音進(jìn)行預(yù)加重處理。使得信號(hào)的高頻部分進(jìn)行提升，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0.94~0.97.當(dāng)然，在信號(hào)處理之后，還需要通過去加重來還原原本的語音信號(hào)。

2.4 分幀加窗處理

為了能用傳統(tǒng)的方法對語音信號(hào)進(jìn)行分析處理，需要對本來是時(shí)變語音信號(hào)進(jìn)行加窗處理。假定語音信號(hào)在30 ms內(nèi)是平穩(wěn)的，則在30 ms范圍內(nèi)對于語音信號(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(jié)果如圖4,圖5所示。

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