ADPCM的数字语音存储与回放系统设计方案（一）

1、【Word版本下载可任意编辑】 ADPCM的数字语音存储与回放系统设计方案（一） 0 引言 由单片机与FPGA共同完成语音的录制与回放，可以拥有丰富的接口资源和运算能力，鉴于PCM 的存储冗余值过大和DPCM 的量化噪声问题，ADPCM 成为了不错的压缩算法。同时为了拥有较高的共模抑制比、低失真、高功率和高输入阻抗，本文采用仪表放大器、立体声功率放大和控制芯片，结合ADPCM编码，设计并实现了具有采集速度快、存储时间长、语音回放质量良好的数字语音存储与回放系统。 1 系统设计框图 系统主要包括采集、处理与语音回放模块三个部分。对于采集模块，一般由麦克风或者耳机输入的语音通过前置放大和低通滤波等

2、预处理之后，完成A/D 转化。对于语音处理模块来说，开展ADPCM 的编码以及FFT运算，可将数字化的语音存储于外部介质。对于回放模块来说，可提取存储的语音内容，并且通过解码、D/A转换，驱动扬声器来完成回放功能。系统整体框图如图1所示。 其中的立体声ADC和立体声DAC组成部分都集成在芯片PCM3010 内部。通过立体声音量控制芯片PGA3010实现立体声音量的调节，由功率放大器驱动扬声器完成语音播放功能。同时，通过在FPGA内部对采样数据开展短时傅里叶变换，可在示波器上实时显示语音信号的频谱。 2 理论分析计算 2.1 ADPCM编码的理论分析 ADPCM 的原理是对相邻两采样值的差值开展

3、编码，利用自适应的思想改变量化阶的大小。ADPCM 编码法结合了DCM 与ADM,其实是差分算法原理的自适应方向改良。对于输入的信号Si 与自适应输出值Sp 存在差值，根据自适应量化步长d 对此差值开展量化，输出ADPCM 四位量化码I.对于量化码I 又重新计算量化步长d .其原理图如图2所示。 另外一方面对于量化码I,又要送入反量化器，根据计算的步长d 开展差异断定，生成新的解码值，开展下一轮的语音编码。其原理图如图3所示。 通过ADPCM的编码，可以到达1/6的压缩比率。也就是说，对于24 b的采样数据，4 b的存储率即可达成要求，可以大大延长存储的时间。当采样速率为46 kHz时，数据传

4、输速率为184 Kb/s,由于外部存储器BQ4015大小为5128 Kb,故能够存储的长时间为22 s.当采样速率为8 kHz时，能够存储的长时间为128 s. 2.2 信噪比计算 一般认为，通话的语音频率一般不超过3.4 kHz,所以低通滤波器选取3.4 kHz作为其截至频率，同时保证A/D采样频率高于8 kHz,根据奈奎斯特定律，即可满足语音量化不损失。对于耳机声道声音，其频率范围为20 Hz20 kHz,所以对于上述的滤波器以及A/D 采样频率也能满足其要求。根据如下信噪比（单位：dB）公式： 若假定语音信号服从拉普拉斯分布，则xmax = 4x . 所以可以计算出： 说明量化器中每个比

5、特字长对信噪比的奉献大约为6 dB.选用24 b A/D 转换器PCM3010,理论上可以到达137 dB的信噪比。 2.3 预加重处理 为了提升语音质量，一般都会对采集的语音开展预加重处理。使得信号的高频部分开展提升，同时信号更平坦。处理的时候一般在高频段按照-6 dB/倍频程跌落，在FPGA内部实现具有6 dB/倍频程提升高频特性的预加重数字滤波器。选取一阶高通滤波器，其特性函数为： 式中u 值取为0.940.97.当然，在信号处理之后，还需要通过去加重来复原原本的语音信号。 2.4 分帧加窗处理 为了能用传统的方法对语音信号开展分析处理，需要对本来是时变语音信号开展加窗处理。假定语音信号

6、在30 ms内是平稳的，则在30 ms范围内对于语音信号分割加窗。若采样速率为46 kHz,每帧信号由512个点组成，则一帧的时间长度为11.1 ms,满足语音信号的短时平稳特性。 不同的窗函数对于信号会有不同的处理结果，为了选取更优的处理结果，于是对于矩形窗和汉明窗两个为典型的窗的特性开展比较，结果如图4,图5所示。 由图4,图5可知，矩形窗有不错的平滑特性，但是在频谱带外会有一定的信号损失，会有泄漏现象。而汉明窗虽然平滑特性不好，但是其带宽却大于矩形窗，更适合语音信号处理。故在时域中对每帧信号添加汉明窗，再开展傅里叶变换，能更真实地分析其频谱信息。 显示频谱时，由于示波器的分辨率有限，对5

7、12 点的频谱信息，采取每间隔8个点抽取1个点的方式，即得到64 点的频谱信息。由于显示时只需显示0 fs 2（fs为采样速率）频率段的信息，故在示波器上清晰地显示32个点的频谱。 3 单元模块电路设计 3.1 前级放大电路 一般来说，语音的输入能量不大，为了完成A/D 操作，就需要对输入的信号开展放大。对于简单的电路放大设计，选用基本的AD620、INA129.对于调制电阻RG ,通过增益计算公式G = 49.4 k/RG + 1 可以计算得到， RG 使用50 k可调电位器来到达2.5 倍的增益放大，电路设计图如图6,图7所示。 3.2 A/D及D/A设计电路 PCM3010 为24 b

8、立体声音频编码器，其内部包含- 型ADC和DAC.其中立体声ADC输入信号峰峰值为3 V,内置抗混叠滤波器和高通滤波器，采样速率为1696 kHz可调，立体声DAC输出信号峰峰值为3 V,内置去加重滤波器，转换速率为16192 kHz可调。DAC输出信号接后置低通滤波器，可实现较好的波形输出。 该芯片将ADC、DAC集成一体，极大地简化了硬件电路规模，并且价格便宜，具有极高的性价比。这里在某些数据线与控制线上串接了一个小电阻，以降低信号上下边沿的跳变速率。其电路图如图8所示。 3.3 音量控制及功放电路 音量调节选用高性能立体声音频音量控制芯片PGA2310实现。通过数字方法控制模拟音量，每声道音量单独可调，并具有静噪功能。它具有极宽的增益衰减范围，-95.531.5