adpcm语音编解码电路设计及fpga实现

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1、ADPCM语音编解码电路设计及FPGA实现近年来,多媒体技术逐渐深入到人们的生活中。MP3播放器已经成为流行的便携式音频播放设备,由于MP3编码算法非常复杂,目前,一部分MP3播放器的录音功能主要基于ADPCM算法和DSP来实现。本文阐述了ADPCM语音编解码VLSI芯片的设计方法以及利用FPGA的硬件实现。ADPCM算法及其编解码器原理ADPCM(AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation,自适应差分脉冲编码调制)综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性,是一种性能较好的波形编码。它的核心思想是:利用自适

2、应改变量化阶的大小,即使用小的量化阶去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值,使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。ADPCM记录的量化值不是每个采样点的幅值,而是该点的幅值与前一个采样点幅值之差。ADPCM是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术。ADPCM标准是一个代码转换系统,它使用ADPCM转换技术实现64Kb/sA律或u律PCM(脉冲编码调制)速率和32Kb/s速率之间的相互转换。ADPCM的简化框图如图1所示。ADPCM编解码器的输入信号是G.711PCM代

3、码,采样率是8kHz,每个代码用8位表示,因此它的数据率为64Kb/s。而ADPCM的输出代码是“自适应量化器”的输出,该输出是用4位表示的差分信号,它的采样率仍然是8kHz,它的数据率为32Kb/s,这样就获得了2:1的数据压缩。540)this.SE中,并加入所选器件相应的器件库进行时序仿真,时序仿真通过后,将QuartusII得到的“*.sof”文件通过JTAG配置模式下载到FPGA中进行不可掉电的实际测试,也可将“*.pof”文件通过AS配置模式下载到FPGA中进行可掉电的实际测试。电路系统的顶层程序如下。moduleADPCM_TOP(PCM

4、_OUT,PCM_IN,RECORD,PLAY,CLK,CLK8K):parameterADDR____IN;odule予模块电路设计及仿真整个语音编解码VLSI芯片包括编码电路、解码电路、存储电路、控制电路和时钟电路几个部分。下面分别具体描述关键电路的设计。1编码电路编码电路实现数据压缩功能,将输入的PCM信号转换成均匀的PCM码,然后与预测信号进行差分,得到的差分信号经过“自适应量化器”进行压缩编码得到ADPCM码,ADPCM码被返回经过“逆自适应量化器”以及“自适应预测器”用来构建下一个预测信号。编码电路仿真波形如图3所示,其中PCM_IN为编码

5、器输入信号(PCM码),CODE为编码后得到的输出信号(ADPCM码)。540)this.码经过“逆自适应量化器”得到量化差分信号,量化差分信号与预测值相加得到重构信号,然后转换成PCM码。解码电路仿真波形如图4所示,其中CODE为解码器输入信号(ADPCM码),PCM_OUT为解码后得到的输出信号(PCM码)。与图3中编解码前的PCM_IN对比,可以看出解码误差很小。3其他模块控制电路控制其他电路模块的协调工作,在编码的同时使能存储器写入信号,使编码电路输出数据可以及时存入存储器,在解码的同时使能存储器读出信号,编码和解码不能同时进行。时钟电路主要实

6、现对外部晶振的原始时钟信号进行分频,以得到电路系统实际所需的时钟信号。本系统采用的外部晶振固有频率为14.318MHz,经过分频后可以获得8kHz时钟。存储电路在控制电路的作用下,保存编码所得的ADPCM码(32Kb/s),由于只需验证电路的功能,所以只设定了2s的录音存储空间,即64Kb存储容量。整体电路仿真在子模块电路仿真正确后,对系统整体进行仿真,可以得到图5所示波形。此次仿真输入信号PCM_IN激励采用Testbench产生。在编码使能信号RECORD为“0”时,开始编码,RECORD跳变到“1”时,编码被屏蔽,此时解码使能信号PLAY为“0”

7、,开始解码,PLAY跳变到“1”时,解码被屏蔽。从图中可以看出编码前输入信号PCM—IN的激励和解码后输出PCM—OUT的响应基本符合。由于ADPCM算法本身是有损压缩,可以确定本电路系统的设计是正确可靠的。540)this.码为4位,设定录音时间为2s,所以需要64Kb存储容量:同时,设计需要大约400个左右的逻辑单元。所以选用此低成本的FPGAIlp可满足设计要求,而且基本上充分利用了内部资源。此芯片的引脚有240个,能满足外面的引脚连接,而且价格也易于接受。FPGA验证表明:电路的最大时钟延迟为26.903ns,最高工作频率可达37.17MHz,

8、可以很好地再现被录入的语音,具有较高的保真度和很好的实时性。在电子地图、车载信息终端语音播报、