探析語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳東偉

（沈陽(yáng)師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng)110034）

1 DPCM算法和ADPCM算法

因?yàn)橐纛l信號(hào)存在冗余，這些冗余有主觀的，也有客觀的。如果去掉了人耳無(wú)法感知的信息，那么不會(huì)對(duì)聽(tīng)覺(jué)效果產(chǎn)生影響，而且還會(huì)達(dá)到壓縮的目的。有一種消除冗余的方法非常簡(jiǎn)單，這種方法是將相鄰兩個(gè)樣本進(jìn)行相減，然后再根據(jù)這個(gè)差值進(jìn)行編碼，因?yàn)楸涣炕膶?duì)象會(huì)在一定程度上減少變化范圍，記錄信號(hào)的容量同時(shí)也被減少了。這樣的技術(shù)被稱為DPCM，也就是差分脈沖編碼調(diào)制。但是有一種編碼方法比DPCM更加的高效，這種方法就是ADPCM，它不但可以改變量化步長(zhǎng)，而且還能夠根據(jù)目前的值來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而方便下次進(jìn)行編碼。這樣一來(lái)，預(yù)測(cè)值和實(shí)際樣本之間的誤差會(huì)小很多。其可以選擇的幅度差的量化比特位數(shù)有2bit、4bit以及8bit。

在編碼器當(dāng)中，輸入樣本X（n）和前一次樣本X（n-1）的預(yù)測(cè)信號(hào)XP（n-1）求差，這樣可以得到差值 D（n），D（n）通過(guò)自適應(yīng)量化器之后會(huì)得到ADPCM的編碼，這個(gè)編碼用C（n）來(lái)表示。為了得到XP（n-1），必須要首先把編碼信號(hào) C（n-1）反量化為樣本差值Dq（n-1），這個(gè)時(shí)候再和前一次的預(yù)測(cè)樣本Xp（n-2）相加，最后和送入自適應(yīng)預(yù)測(cè)器，得出預(yù)測(cè)值為Xp（n-1）。這樣解碼器非常簡(jiǎn)單，ADPCM編碼C（n）通過(guò)自適應(yīng)反量化器對(duì)差值進(jìn)行恢復(fù)，得出Dq（n），然后和上一次所輸出Y（n-1）的預(yù)測(cè)值求和，這樣可以恢復(fù)出第n個(gè)樣本值，這個(gè)樣本值用 Y（n）來(lái)表示。

在通過(guò)差值信號(hào)得到ADPCM編碼的時(shí)候，因?yàn)榱炕鲿?huì)根據(jù)差值信號(hào)的幅度自動(dòng)對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，因?yàn)樗彩亲赃m應(yīng)的。在信號(hào)發(fā)生了很大的變化之后，步長(zhǎng)也會(huì)隨之而增加，在信號(hào)的變化很小的時(shí)候，步長(zhǎng)也會(huì)隨之而減少。因此，在ADPCM編碼反量化的時(shí)候，反量化器會(huì)通過(guò)ADPCM編碼來(lái)選擇一個(gè)索引，根據(jù)這個(gè)索引來(lái)對(duì)步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。也因此，ADPCM會(huì)采用非均勻的量化。

在本文的試驗(yàn)當(dāng)中，采用的是IMA ADPCM算法，這種算法非常簡(jiǎn)單方便，可以在20MHz的386級(jí)PC上對(duì)44.1KHz，16bit立體聲的聲音實(shí)施解碼。世界上有許多的游戲在保存聲音數(shù)據(jù)文件的過(guò)程中，都是使用的IMA ADPCM技術(shù)。通過(guò)采用IMA ADPCM技術(shù)來(lái)進(jìn)行壓縮，可以得到很好的聲音效果。不僅是在游戲當(dāng)中，手機(jī)鈴聲和MP3、WAV錄音也采用了IMA ADPCM。這種技術(shù)有一個(gè)特點(diǎn)，那就是它的預(yù)測(cè)器非常簡(jiǎn)單，它可以直接的用于上一次的預(yù)測(cè)值Xp（n-1），并且和反量化值Dq（n）的和作為后面的一個(gè)預(yù)測(cè)值。通俗的說(shuō)，IMA ADPCM的預(yù)測(cè)器可以作為一個(gè)延遲單位，因?yàn)闆](méi)采用任何其他預(yù)測(cè)值Xp（i）來(lái)得到更好的預(yù)測(cè)，因此這種預(yù)測(cè)器也是非自適應(yīng)的。

2 語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)之前需要注意的方面

因?yàn)锳DPCM算法當(dāng)前在語(yǔ)音錄音這方面得到了非常廣泛的應(yīng)用，而且這種算法的錄音系統(tǒng)會(huì)比較容易設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)擬定的目標(biāo)應(yīng)該是采用ADPCM編解碼器來(lái)實(shí)施錄音工作，從而使語(yǔ)音能夠得到回放。

在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要使用4bit ADPCM編碼和8bit ADDA，它的工作頻率大概是8KHz，因此，應(yīng)該這樣來(lái)計(jì)算PCM信號(hào)的碼率，8KHz乘以8bit，得出PCM信號(hào)的碼率為64kbits，要計(jì)算ADPCM編碼的碼率，則應(yīng)該由8KHz乘以4bit，得出ADPCM編碼的碼率為32kbits。這樣就可以得出壓縮率為64kbit：s32Kbits，其結(jié)果為2:1。此外，因?yàn)榭梢圆捎?bit ADPCM編碼，每一秒需要32Kbit4 bit等于8K個(gè)存儲(chǔ)單元，平均每一個(gè)存儲(chǔ)單元4bit，也就是4KByte的存儲(chǔ)空間。

因?yàn)樵O(shè)計(jì)當(dāng)中使用了FPGA，它的內(nèi)部?jī)H僅只有90Kbit的存儲(chǔ)空間。而且還需要為算法當(dāng)中使用的修正表以及步長(zhǎng)表留一部分存儲(chǔ)的空間，所以計(jì)劃錄音的時(shí)間為2秒。這時(shí)錄音編碼會(huì)占據(jù)一定的空間，32Kbits乘以2秒等于64，也就是說(shuō)64kbit4bit等于16個(gè)存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)器的地址線是14bit。

2.2 系統(tǒng)的工作過(guò)程

圖1 基于FPGA的語(yǔ)言編碼解碼系統(tǒng)圖

整個(gè)編碼解碼系統(tǒng)主要由五個(gè)部分組成，即存儲(chǔ)器、編碼器、控制單元、時(shí)鐘、解碼器。播放鍵和錄音鍵按下之后，控制單元會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)器使能信號(hào)CS、地址信號(hào)addr以及讀寫(xiě)控制信號(hào)WE，同時(shí)還有編碼器的使能信號(hào)En-en，復(fù)位信號(hào)PL-RST。

它的工作過(guò)程應(yīng)該是這樣的，先按下錄音鍵，便開(kāi)始進(jìn)行了錄音，在大約1個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間里，編碼器會(huì)復(fù)位。然后存儲(chǔ)器和編碼器開(kāi)始運(yùn)行，對(duì)輸入的8bit PCM信號(hào)編碼放入存儲(chǔ)器RAM當(dāng)中，這時(shí)松開(kāi)錄音鍵，錄音便完成了。

在播放錄音的時(shí)候，先按播放鍵，播放便開(kāi)始了，在大約1個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間里，解碼器會(huì)復(fù)位，然后存儲(chǔ)器和解碼器會(huì)正常運(yùn)行，對(duì)RAM進(jìn)行循環(huán)讀，解碼器輸出8bit PCM信號(hào)，這時(shí)松開(kāi)播放鍵，播放錄音的過(guò)程便結(jié)束了。

2.3 設(shè)計(jì)編碼器和解碼器

首先是編碼器，將索引修正表和量化步長(zhǎng)表進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)，使之成為兩個(gè)模塊，這樣好方便調(diào)用。為了減去預(yù)測(cè)信號(hào)，需要輸入PCM信號(hào)，從而得到ADPCM的最高位。得出的ADPCM編碼會(huì)通過(guò)和剛才量化過(guò)程相反的步驟，從而恢復(fù)出差值。恢復(fù)出來(lái)的差值加上前面的預(yù)測(cè)值，可以得出新的預(yù)測(cè)值，對(duì)周期進(jìn)行延遲，方便計(jì)算下面的差值。

其次是解碼器，解碼器仍然使用量化步長(zhǎng)表以及索引修正表。整個(gè)解碼和編碼的過(guò)程是相同的，將ADPCM編碼進(jìn)行反量化，再由低3位編碼修正步長(zhǎng)，這3位編碼會(huì)決定步長(zhǎng)能不能和12步長(zhǎng)、14步長(zhǎng)進(jìn)行累加。它們之間累加的和經(jīng)過(guò)修正后，編碼最高位會(huì)決定它們的正負(fù)。反量化出來(lái)的差值加上前面一個(gè)恢復(fù)出來(lái)的PCM信號(hào)，這樣可以恢復(fù)出這一次的PCM信號(hào)。

3 總結(jié)與體會(huì)

本文對(duì)基于ADPCM算法的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)通過(guò)采用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)錄音的錄放功能，得到了非常好的播放效果，但還需要采取噪音整形等方面技術(shù)來(lái)改進(jìn)語(yǔ)音的質(zhì)量，這樣才能得到更好的效果。

［1］索明何,黃培花,王進(jìn)宏.基于ISD4003的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)：學(xué)術(shù)交流，2008(8)：823-824.

［2］張戰(zhàn)鳴,尹耕欽.基于STC89C51RD的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2012(8)：88-90,101.