机攮与电子 Ｓｃ科ｉｅｎｃｅ＆Ｔｅ技ｃｈ视ｎｏｌｏｇｙ界 Ｖｉｓｉｏｎ 科技・探索・争鸣 探析语音录放系统的ＦＰＧＡ设计与实现 吴东伟 ：， ，Ｊ、ｒｐ （沈阳师范大学物理科学与技术学院，辽宁沈阳１ １００３４） 【摘要】在语音录放系统的ＦＰＧＡ设计当中，可以采用ＡＤＰＣＭ技术，它是一种音频有损压缩编码方式，它具有文件体积小、音质好的特 点。除此之外，它还具有良好的语音质量以及抗干扰性能。目前在ＩＳＤＮ、卫星通信等领域得到了广泛的应用。笔者针对语音录放系统的ＦＰＧＡ 设计与实现进行了分析与探讨，希望能为广大的相关工作者提供一些参考依据。 【关键词】语音录放；ＦＰＧＡ；设计；ＡＤＰＣＭ ３２Ｋｂｉｔ＼ｓ乘以２秒等于６４，也就是说６４ｋｂｉｔ＼４ｂｉｔ等于ｌ６个存储单元． 存储器的地址线是１４ｂｉｔ。 因为音频信号存在冗余．这些冗余有主观的，也有客观的 如果去 ２．２系统的工作过程 掉了人耳无法感知的信息．那么不会对听觉效果产生影响．而且还会 达到压缩的目的 有一种消除冗余的方法非常简单．这种方法是将相 邻两个样本进行相减 然后再根据这个差值进行编码．因为被量化的 对象会在一定程度上减少变化范围．记录信号的容量同时也被减少 了 这样的技术被称为ＤＰＣＭ．也就是差分脉冲编码调制 但是有一种 编码方法比ＤＰＣＭ更加的高效．这种方法就是ＡＤＰＣＭ．它不但可以 改变量化步长．而且还能够根据目前的值来进行预测．从而方便下次 进行编码。这样一来．预测值和实际样本之间的误差会小很多 其可以 选择的幅度差的量化比特位数有２ｂｉｔ、４ｂｉｔ以及８ｂｉｔ 在编码器当中，输入样本Ｘ（ｎ）和前一次样本ｘ（ｎ一１）的预测信号 图１ 基于ＦＰＧＡ的语言编码解码系统图 ＸＰ（ｎ—１）求差．这样可以得到差值Ｄ（ｎ）．Ｄ（ｎ）通过白适应量化器之后 １ ＤＰＣＭ算法和ＡＤＰＣＭ算法 会得到ＡＤＰＣＭ的编码，这个编码用ｃ（ｎ）来表示。为了得到ｘＰ（ｎ一 １），必须要首先把编码信号ｃ（ｎ一１）反量化为样本差值Ｄｑ（ｎ一１）．这个 时候再和前一次的预测样本ｘｐ（ｎ一２）相加，最后和送人自适应预测 器．得出预测值为Ｘｐ（ｎ一１）。这样解码器非常简单，ＡＤＰＣＭ编码Ｃ（ｎ） 通过自适应反量化器对差值进行恢复．得出Ｄｑ（ｎ）．然后和上一次所 输出Ｖ（ｎ—１）的预测值求和．这样可以恢复出第ｎ个样本值．这个样本 值用Ｙ（ｎ）来表示。 在通过差值信号得到ＡＤＰＣＭ编码的时候．因为量化器会根据差 值信号的幅度自动对步长进行调节．因为它也是自适应的 在信号发 生了很大的变化之后．步长也会随之而增加．在信号的变化很小的时 候．步长也会随之而减少。因此．在ＡＤＰＣＭ编码反量化的时候，反量 化器会通过ＡＤＰＣＭ编码来选择一个索引．根据这个索引来对步长进 行调整。也因此．ＡＤＰＣＭ会采用非均匀的量化。 在本文的试验当中．采用的是ＩＭＡ ＡＤＰＣＭ算法．这种算法非常 简单方便．可以在２０ＭＨｚ的３８６级ＰＣ上对４４．１ＫＨｚ．１６ｂｉｔ立体声的 声音实施解码 世界上有许多的游戏在保存声音数据文件的过程中． 都是使用的ＩＭＡ ＡＤＰＣＭ技术 通过采用ＩＭＡ ＡＤＰＣＭ技术来进行压 缩．可以得到很好的声音效果 不仅是在游戏当中，手机铃声和ＭＰ３、 ＷＡＶ录音也采用了ＩＭＡ ＡＤＰＣＭ。这种技术有一个特点．那就是它的 预测器非常简单．它可以直接的用于上一次的预测值Ｘｐ（ｎ—１）．并且 和反量化值Ｄｑ（ｎ）的和作为后面的一个预测值。通俗的说，ＩＭＡ ＡＤＰＣＭ的预测器可以作为一个延迟单位．因为没采用任何其他预测 值Ｘｐ（ｉ）来得到更好的预测．因此这种预测器也是非自适应的 ２语音录放系统的设计和优化 ２．１设计之前需要注意的方面 因为ＡＤＰＣＭ算法当前在语音录音这方面得到了非常广泛的应 用．而且这种算法的录音系统会比较容易设计和实现，所以设计拟定 的目标应该是采用ＡＤＰＣＭ编解码器来实施录音工作．从而使语音能 够得到网放。 在设计的过程中．要使用４ｂｉｔ ＡＤＰＣＭ编码和８ｂｉｔ ＡＤ＼ＤＡ．它的 工作频率大概是８ＫＨｚ．因此．应该这样来计算ＰＣＭ信号的码率． 整个编码解码系统主要由五个部分组成．即存储器、编码器、控制 单元、时钟、解码器。播放键和录音键按下之后，控制单元会产生存储 器使能信号ｃｓ、地址信号ａｄｄｒ以及读写控制信号ＷＥ，同时还有编码 器的使能信号Ｅｎ—ｅｎ．复位信号ＰＬ—ＲＳＴ。 它的工作过程应该是这样的．先按下录音键．便开始进行了录音， 在大约１个时钟周期的时间里．编码器会复位。然后存储器和编码器 开始运行．对输入的８ｂｉｔ ＰＣＭ信号编码放人存储器ＲＡＭ当中．这时 松开录音键．录音便完成了 在播放录音的时候．先按播放键．播放便开始了，在大约１个时钟 周期的时间里．解码器会复位．然后存储器和解码器会正常运行．对 ＲＡＭ进行循环读．解码器输出８ｂｉｔ ＰＣＭ信号，这时松开播放键．播放 录音的过程便结束了 ２－３设计编码器和解码器 首先是编码器．将索引修正表和量化步长表进行单独的设计，使 之成为两个模块．这样好方便调用 为了减去预测信号，需要输入 ＰＣＭ信号．从而得到ＡＤＰＣＭ的最高位 得出的ＡＤＰＣＭ编码会通过 和刚才量化过程相反的步骤．从而恢复出差值。恢复出来的差值加上 前面的预测值．可以得出新的预测值．对周期进行延迟，方便计算下面 的差值。 其次是解码器．解码器仍然使用量化步长表以及索引修正表。整 个解码和编码的过程是相同的．将ＡＤＰＣＭ编码进行反量化．再由低３ 位编码修正步长．这３位编码会决定步长能不能和１、２步长、１＼４步长 进行累加 它们之间累加的和经过修正后．编码最高位会决定它们的 正负 反量化出来的差值加上前面一个恢复出来的ＰＣＭ信号．这样可 以恢复出这一次的ＰＣＭ信号 ３总结与体会 本文对基于ＡＤＰＣＭ算法的语音录放系统设计进行分析．发现通 过采用ＦＰＧＡ来实现录音的录放功能．得到了非常好的播放效果．但 还需要采取 音整形等方面技术来改进语音的质量。这样才能得到更 好的效果。 ８ＫＨｚ乘以８ｂｉｔ．得出ＰＣＭ信号的码率为６４ｋｂｉｔ＼ｓ．要计算ＡＤＰＣＭ编 码的码率．则应该由８ＫＨｚ乘以４ｂｉｔ．得出ＡＤＰＣＭ编码的码率为 ［１］索明何，黄培花，王进宏．基于ＩＳＤ４００３的语音录放系统设计与实现［Ｊ］．电脑知 ３２ｋｂｉｔ＼ｓｏ这样就可以得出压缩率为６４ｋｂｉｔ：ｓ＼３２Ｋｂｉｔ＼ｓ，其结果为２：１。此 识与技术：学术交流．２００８（８）：８２３—８２４． 外．因为可以采用４ｂｉｔ ＡＤＰＣＭ编码．每一秒需要３２Ｋｂｉｔ＼４ ｂｉｔ等于８Ｋ ［２］张战鸣，尹耕钦．基于ＳＴＣ８９Ｃ５１ＲＤ的语音录放系统设计叫．自动化技术与应 【参考文献】 个存储单元．平均每一个存储单元４ｂｉｔ．也就是４ＫＢｙｔｅ的存储空间 用，２０１２（８）：８８—９０，１０１ 因为设计当中使用了ＦＰＧＡ．它的内部仅仅只有９０Ｋｂｉｔ的存储空 间 而且还需要为算法当中使用的修正表以及步长表留一部分存储的 空间．所以计划录音的时间为２秒。这时录音编码会占据一定的空间． ［责任编辑：杨玉洁］ 作者简介：吴东伟（１９８９ ０９．２４一），男，内蒙古扎赉特旗人，沈阳师范大学物理科学与技术学院，电子信息工程本科生，学号１００２９００６。 ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎ。 。ｇｙ Ｖｉｓｉ。ｎ科技视界ｌ ７９
