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

　　0 引言

　　由單片機(jī)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(yùn)算能力，鑒于PCM 的存儲(chǔ)冗余值過(guò)大和DPCM 的量化噪聲問(wèn)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(zhǎng)、語(yǔ)音回放質(zhì)量良好的數(shù)字語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音通過(guò)前置放大和低通濾波等預(yù)處理之后，完成A/D 轉(zhuǎn)化。對(duì)于語(yǔ)音處理模塊來(lái)說(shuō)，進(jìn)行ADPCM 的編碼以及FFT運(yùn)算，可將數(shù)字化的語(yǔ)音存儲(chǔ)于外部介質(zhì)。對(duì)于回放模塊來(lái)說(shuō)，可提取存儲(chǔ)的語(yǔ)音內(nèi)容，并且通過(guò)解碼、D/A轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器來(lái)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(guò)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(yǔ)音播放功能。同時(shí)，通過(guò)在FPGA內(nèi)部對(duì)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(yǔ)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(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(zhǎng)d 對(duì)此差值進(jìn)行量化，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(zhǎng)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(zhǎng)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(dá)到1/6的壓縮比率。也就是說(shuō)，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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)時(shí)間為128 s.

　　2.2 信噪比計(jì)算

　　一般認(rèn)為，通話的語(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(jù)奈奎斯特定律，即可滿足語(yǔ)音量化不損失。對(duì)于耳機(jī)聲道聲音，其頻率范圍為20 Hz~20 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(yǔ)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(zhǎng)對(duì)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。