基于FPGA的32 Kbit/s CVSD語音編解碼器的實(shí)現(xiàn)

　　64 Kbit/s的A律或μ律的對數(shù)壓擴(kuò)PCM編碼在大容量的光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字微波系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，但由于占用較大的傳輸帶寬和具有復(fù)雜的成幀結(jié)構(gòu)，PCM編碼不適合無線語音系統(tǒng)的應(yīng)用。連續(xù)可變斜率增量(Continuously Variable Slope Delta，CVSD)調(diào)制以其較低的應(yīng)用難度、成本和編碼速率，較好的語音質(zhì)量廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信、藍(lán)牙等無線語音傳輸領(lǐng)域。近年來FPGA不斷發(fā)展演化，并在構(gòu)架方面針對DSP應(yīng)用有了顯著增強(qiáng)。這些增強(qiáng)使得FPGA能夠支持各領(lǐng)域的眾多復(fù)雜DSP應(yīng)用，如電信(基站信號處理、雷達(dá)信號處理等)、多媒體處理(視頻處理、音頻信號處理等)及其他應(yīng)用領(lǐng)域，筆者結(jié)合FPCA的靈活性、強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力、較短的開發(fā)周期，提出了基于FPGA的32 Kbit/s CVSD語音編解碼器。

　　1 CVSD原理

　　增量調(diào)制(Delta Modulation，DM)用一位編碼表示相鄰樣值的相對大小，從而反映出抽樣時刻波形的變化趨勢，它分為線性增量調(diào)制(Linear Delta Modulation，LDM)和自適應(yīng)增量調(diào)制(Adaptive Delta Modulation，ADM)。LDM中采用固定的量化臺階△，在量化編碼的過程中會引起兩類失真，一類是斜率過載失真，它是由于量化臺階△過小，跟不上信號波形中斜率陡峭部分造成的，另一類是顆粒失真，它是由于量化臺階△過大，在信號波形斜率較小部分造成的。CVSD是一種自適應(yīng)增量ADM算法，動態(tài)調(diào)整量化臺階△的大小隨輸入信號變化，當(dāng)輸入信號幅度變化率增大時，量化臺階相應(yīng)增大，當(dāng)輸入信號幅度變化率減小時，量化臺階相應(yīng)減小。

　　2 CVSD編解碼算法

　　2.1 編碼算法

　　編碼算法流程如圖1所示，x(n)為輸入語音采樣信號，采樣頻率fs=32 kHz，xp(n)為一階預(yù)測值，d(n)為輸入采樣信號x(n)和一階預(yù)測值xp(n)的差值，β為量階衰減因子，△0為初始量階。模塊L實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，輸入c(n)=1時輸出為+1，輸入c(n)=0時輸出為-1，因此模塊L的輸出值為2c(n)-1。

　　當(dāng)x(n)≥xp(n)時，d(n)≥0，編碼輸出c(n)=1，當(dāng)x(n)

　　2.2 譯碼算法

　　譯碼算法流程如圖2所示，它是編碼的逆過程，由于積分器輸出的xQD(n)是階梯波，有較高的諧波分量，這里通過一個數(shù)字低通濾波器平滑積分器的輸出。當(dāng)c(n)=1時，xQD(n)=xQD(n-1)+△(n);當(dāng)c(n)=0時，xQD(n)=xQD(n-1)-△(n)。其中量階△(n)的取值同編碼算法。

　　3 FPGA的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

　　3.1 參數(shù)設(shè)計

　　CVSD編譯碼算法中涉及到量階衰減因子β、初始量階△0和低通濾波器系數(shù)的設(shè)計。量階衰減因子滿足：β=1-T/τ，T表示語音信號的周期，語音信號頻率f=300～3 400 Hz，所以周期T=0.29～3.30 ms，τ為音節(jié)時間常數(shù)，一般情況下τ=5～10ms?！?的選取很重要，如果△0選取過小，會導(dǎo)致初始的一段時間量化的數(shù)字信號與輸入信號之間存在較大的失真，需要經(jīng)過較長的時間才能跟蹤上輸入信號，為減少顆粒失真和過載失真，根據(jù)歐洲通信組織標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多次的MATLAB仿真測試，取β=0.855，△0=0.043，如圖3所示。

　　升余弦窗具有較好的旁瓣抑制和阻帶衰減，數(shù)字低通濾波器設(shè)計成14階升余弦窗有限脈沖響應(yīng)(Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器，其參數(shù)采樣率fs=32 kHz由于語音信號頻譜集中在300～3 400 Hz，數(shù)字低通濾波器通帶截止頻率設(shè)計為fc=4 kHz/32 kHz=0.125，F(xiàn)IR濾波器系數(shù)向量B=[0.0029 0.0086 0.02600.058 0 0.1000 0.1400 0.1645 0.1645 0.1400 0.1000 0.058 0 0.0260 0.008 6 0.002 9]。如圖4所示，由于信號經(jīng)過14階FIR低通濾波器，輸出信號與原采樣信號相比存在一定的延時，經(jīng)低通濾波后原信號得到了較好的恢復(fù)。

　　3.2 CVSD編解碼器

　　硬件設(shè)計時采用自頂向下的設(shè)計方法，將編解碼器分成各種功能模塊。CVSD編碼器負(fù)責(zé)處理采樣頻率32 kHz采樣的16 bit語音信號，由比較判決模塊、三連碼檢測模塊、量階調(diào)整模塊和預(yù)測值產(chǎn)生模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。比較判決模塊將預(yù)測值產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的預(yù)測值與語音信號值進(jìn)行比較，如果輸入語音信號值≥預(yù)測值，則編碼輸出“1”，否則編碼輸出“0”。編碼輸入三連碼檢測模塊進(jìn)行三連電平的判決，通過量階調(diào)整模塊和預(yù)測值產(chǎn)生模塊產(chǎn)生動態(tài)的量階和預(yù)測值。其中預(yù)測值產(chǎn)生模塊需要注意防止數(shù)據(jù)溢出。

　　CVSD解碼器負(fù)責(zé)處理32 kHz的單比特符號，根據(jù)圖2，編碼過程中預(yù)測值的產(chǎn)生模塊就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了譯碼過程，后面數(shù)字低通FIR濾波器采用分布式算法(Distributed Arithmetic，DA)進(jìn)行設(shè)計，極大地提高了乘累加運(yùn)算的效能且節(jié)省了FPGA的硬件資源。解碼器還需要設(shè)計一個時鐘產(chǎn)生模塊，因?yàn)椴捎梅植际剿惴ǖ?4階的低通濾波器的時鐘頻率是數(shù)據(jù)時鐘的16倍。

　　4 仿真測試

　　采用Quartus Ⅱ6.0進(jìn)行開發(fā)仿真，verilog語言編程。為了便于軟件仿真，設(shè)計了DDS信號源，CVSD編碼器的輸入由正弦信號源DDS模塊提供。仿真結(jié)果如圖6所示。

　　最后在Altera DE2開發(fā)板上進(jìn)行了硬件測試，芯片為Cyclone II EP2C35，編解碼器硬件資源消耗見表1。A/D輸入模擬的語音信號，采樣頻率32 kHz，采樣信號經(jīng)編碼器、解碼器、低通濾波再通過D/A轉(zhuǎn)換輸出解碼的語音信號，如圖7所示。測試結(jié)果表明輸出語音信號理想，說明設(shè)計是可行的。

　　5 結(jié)束語

　　CVSD是一種自適應(yīng)增量脈沖編碼調(diào)制，對誤碼有很強(qiáng)的魯棒性，擅長處理丟失和被損壞的語音采樣，編碼器是單比特編碼，和PCM相比不需要復(fù)雜的成幀設(shè)備，并且解碼器中集成了數(shù)字低通濾波器，使得編解碼設(shè)備簡單，綜合這些優(yōu)越性，CVSD特別適合應(yīng)用于無線語音通信系統(tǒng)，具有很廣闊的應(yīng)用前景。