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ADPCM語音編解碼電路設(shè)計及FPGA實現(xiàn)

時間：2009-02-05 10:26:44

關(guān)鍵字：電路設(shè)計語音編解碼 PCM 解碼電路

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[導(dǎo)讀]近年來,多媒體技術(shù)逐漸深入到人們的生活中。MP3播放器已經(jīng)成為流行的便攜式音頻播放設(shè)備,由于MP3編碼算法非常復(fù)雜,目前,一部分MP3播放器的錄音功能主要基于ADPCM算法和DSP來實現(xiàn)。本文闡述了ADPCM語音編解碼VLSI芯片的設(shè)計方法以及利用FPGA的硬件實現(xiàn)。

近年來,多媒體技術(shù)逐漸深入到人們的生活中。MP3播放器已經(jīng)成為流行的便攜式音頻播放設(shè)備,由于MP3編碼算法非常復(fù)雜,目前,一部分MP3播放器的錄音功能主要基于ADPCM算法和DSP來實現(xiàn)。本文闡述了ADPCM語音編解碼VLSI芯片的設(shè)計方法以及利用FPGA的硬件實現(xiàn)。

ADPCM算法及其編解碼器原理

ADPCM(Adaptive DifferentialPulse Code Modulation,自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制)綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性,是一種性能較好的波形編碼。它的核心思想是:利用自適應(yīng)改變量化階的大小,即使用小的量化階去編碼小的差值,使用大的量化階去編碼大的差值,使用過去的樣本值估算下一個輸入樣本的預(yù)測值,使實際樣本值和預(yù)測值之間的差值總是最小。ADPCM記錄的量化值不是每個采樣點的幅值,而是該點的幅值與前一個采樣點幅值之差。

ADPCM是利用樣本與樣本之間的高度相關(guān)性和量化階自適應(yīng)來壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù)。ADPCM標(biāo)準(zhǔn)是一個代碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng),它使用ADPCM轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)64Kb/s A律或u律PCM(脈沖編碼調(diào)制)速率和32Kb/s速率之間的相互轉(zhuǎn)換。ADPCM的簡化框圖如圖1所示。

ADPCM編解碼器的輸入信號是G.711 PCM代碼,采樣率是8kHz,每個代碼用8位表示,因此它的數(shù)據(jù)率為64Kb/s。而ADPCM的輸出代碼是“自適應(yīng)量化器”的輸出,該輸出是用4位表示的差分信號,它的采樣率仍然是8kHz,它的數(shù)據(jù)率為32Kb/s,這樣就獲得了2:1的數(shù)據(jù)壓縮。

電路的整體結(jié)構(gòu)

基于ADPCM算法,可將語音編解碼VLSI芯片分成編碼、解碼、存儲、控制和時鐘幾個模塊。編碼模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮功能,將輸入的PCM信號轉(zhuǎn)換成ADPCM碼,存儲模塊在控制模塊的作用下,保存編碼所得的ADPCM碼,解碼模塊實現(xiàn)解壓縮功能,將ADPCM碼轉(zhuǎn)換得到PCM碼;控制模塊的作用是控制其他模塊的協(xié)調(diào)工作;時鐘模塊主要實現(xiàn)對外部晶振的原始時鐘信號進行分頻,以得到電路系統(tǒng)實際所需的時鐘信號。

電路整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,其中En_en、En_de分別是編碼和解碼的使能信號,RST則為復(fù)位信號。當(dāng)WE為“1”時,RAM寫有效,而當(dāng)WE為“0”時,RAM讀有效,CS為“1”時,RAM可進行寫或者讀操作。

電路設(shè)計過程

本文采用Top-down方法進行電路設(shè)計。主要設(shè)計流程如下:首先基于Verilog HDL運用Active-HDL進行電路的RTL級描述和功能仿真,將經(jīng)過功能仿真正確的程序在QuartusⅡ開發(fā)系統(tǒng)中進行綜合和適配,接下來將得到的網(wǎng)表文件(.vo)和具有時延信息的反標(biāo)文件(.sdo)調(diào)入ModelSim SE中,并加入所選器件相應(yīng)的器件庫進行時序仿真,時序仿真通過后,將Quartus II得到的“*.sof”文件通過JTAG配置模式下載到FPGA中進行不可掉電的實際測試,也可將“*.pof”文件通過AS配置模式下載到FPGA中進行可掉電的實際測試。電路系統(tǒng)的頂層程序如下。

module ADPCM_TOP(PCM_OUT,PCM_IN,RECORD,PLAY,CLK,CLK8K):
parameter ADDR_WIDTH=14;
parameter PCM_WIDTH=8;
input [PCM_WIDTH-1:0]PCM_IN;
wire [PCM_WIDTH-1:0]PCM_IN;
output [PCM_WIDTH-1;0]PCM_OUT;
wire [PCM_WIDTH-1:0]PCM_OUT;
input CLK,RECORD,PLAY;
output CLK8K;
wire [3:0]code_in,code_out;
wire en_encoder,en_decoder,re_rst,pl_rst,WE,CS,CLK_8K;
wire [ADDR_WIDTH-1:0]ADDRESS;
assign CLK8K=CLK_8K,
CLOCK—GE U0 (ClK,RECORD,CLK_8K);
encoder_new U1(PCM_INre_rst,en_encoder,CLK_8Kcode_in);
RAM U2(ADDRESS,WECS,CLK_8K,code_in,code_out);
decoder_new U3(pl_rstCLK_8K,code_out,en_decoderPCM_OUT);
controllogic U4(CS,re_rstpl_rst,en_encoder,en_decoder,WEADDRESS,RECORD,PLAYCLK_8K);
endmodule

予模塊電路設(shè)計及仿真

整個語音編解碼VLSI芯片包括編碼電路、解碼電路、存儲電路、控制電路和時鐘電路幾個部分。下面分別具體描述關(guān)鍵電路的設(shè)計。

1 編碼電路

編碼電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮功能,將輸入的PCM信號轉(zhuǎn)換成均勻的PCM碼,然后與預(yù)測信號進行差分,得到的差分信號經(jīng)過“自適應(yīng)量化器”進行壓縮編碼得到ADPCM碼,ADPCM碼被返回經(jīng)過“逆自適應(yīng)量化器”以及“自適應(yīng)預(yù)測器”用來構(gòu)建下一個預(yù)測信號。編碼電路仿真波形如圖3所示,其中PCM_IN為編碼器輸入信號(PCM碼),CODE為編碼后得到的輸出信號(ADPCM碼)。

2 解碼電路

解碼電路實現(xiàn)解壓縮功能,將ADPCM碼經(jīng)過“逆自適應(yīng)量化器”得到量化差分信號,量化差分信號與預(yù)測值相加得到重構(gòu)信號,然后轉(zhuǎn)換成PCM碼。解碼電路仿真波形如圖4所示,其中CODE為解碼器輸入信號(ADPCM碼),PCM_OUT為解碼后得到的輸出信號(PCM碼)。與圖3中編解碼前的PCM_IN對比,可以看出解碼誤差很小。

3 其他模塊

控制電路控制其他電路模塊的協(xié)調(diào)工作,在編碼的同時使能存儲器寫入信號,使編碼電路輸出數(shù)據(jù)可以及時存入存儲器,在解碼的同時使能存儲器讀出信號,編碼和解碼不能同時進行。時鐘電路主要實現(xiàn)對外部晶振的原始時鐘信號進行分頻,以得到電路系統(tǒng)實際所需的時鐘信號。本系統(tǒng)采用的外部晶振固有頻率為14.318MHz,經(jīng)過分頻后可以獲得8kHz時鐘。存儲電路在控制電路的作用下,保存編碼所得的ADPCM碼(32Kb/s),由于只需驗證電路的功能,所以只設(shè)定了2s的錄音存儲空間,即64Kb存儲容量。

整體電路仿真

在子模塊電路仿真正確后,對系統(tǒng)整體進行仿真,可以得到圖5所示波形。此次仿真輸入信號PCM_IN激勵采用Testbench產(chǎn)生。在編碼使能信號RECORD為“0”時,開始編碼,RECORD跳變到“1”時,編碼被屏蔽,此時解碼使能信號PLAY為“0”,開始解碼,PLAY跳變到“1”時,解碼被屏蔽。從圖中可以看出編碼前輸入信號PCM—IN的激勵和解碼后輸出PCM—OUT的響應(yīng)基本符合。由于ADPCM算法本身是有損壓縮,可以確定本電路系統(tǒng)的設(shè)計是正確可靠的。

FPGA驗證及結(jié)論

本文基于FPGA驗證所設(shè)計的電路。這里選用Altera公司Cyclone系列的EPIC6Q240C8器件,其內(nèi)部有90Kb的存儲容量,6k個邏輯單元,2個PLL。由于電路采用8kHz采樣頻率,編碼后的ADPCM碼為4位,設(shè)定錄音時間為2s,所以需要64Kb存儲容量:同時,設(shè)計需要大約400個左右的邏輯單元。所以選用此低成本的FPGAIlp可滿足設(shè)計要求,而且基本上充分利用了內(nèi)部資源。此芯片的引腳有240個,能滿足外面的引腳連接,而且價格也易于接受。

FPGA驗證表明:電路的最大時鐘延遲為26.903ns,最高工作頻率可達37.17MHz,可以很好地再現(xiàn)被錄入的語音,具有較高的保真度和很好的實時性。在電子地圖、車載信息終端語音播報、治安報警系統(tǒng),特別是便攜式語音記錄裝置等方面具有較高的應(yīng)用價值。同時,也指明了數(shù)字語音壓縮處理高效設(shè)計方法的方向。

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