0 引言

　　由單片機(jī)與FPGA共同完成語音的錄制與回放，可以擁有豐富的接口資源和運算能力，鑒于PCM 的存儲冗余值過大和DPCM 的量化噪聲問題，ADPCM 成為了不錯的壓縮算法。同時為了擁有較高的共模抑制比、低失真、高功率和高輸入阻抗，本文采用儀表放大器、立體聲功率放大和控制芯片，結(jié)合ADPCM編碼，設(shè)計并實現(xiàn)了具有采集速度快、存儲時間長、語音回放質(zhì)量良好的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

　　系統(tǒng)主要包括采集、處理與語音回放模塊叁個部分。對于采集模塊，一般由麥克風(fēng)或者耳機(jī)輸入的語音通過前置放大和低通濾波等預(yù)處理之后，完成A/D 轉(zhuǎn)化。對于語音處理模塊來說，進(jìn)行ADPCM 的編碼以及FFT運算，可將數(shù)字化的語音存儲于外部介質(zhì)。對于回放模塊來說，可提取存儲的語音內(nèi)容，并且通過解碼、D/A轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動揚聲器來完成回放功能。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。

　　其中的立體聲ADC和立體聲DAC組成部分都集成在芯片PCM3010 內(nèi)部。通過立體聲音量控制芯片PGA3010實現(xiàn)立體聲音量的調(diào)節(jié)，最后由功率放大器驅(qū)動揚聲器完成語音播放功能。同時，通過在FPGA內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行短時傅里葉變換，可在示波器上實時顯示語音信號的頻譜。

　　2 理論分析計算

　　2.1 ADPCM編碼的理論分析

　　ADPCM 的塬理是對相鄰兩采樣值的差值進(jìn)行編碼，利用自適應(yīng)的思想改變量化階的大小。ADPCM 編碼法結(jié)合了DCM 與ADM，其實是差分算法塬理的自適應(yīng)方向改進(jìn)。對于輸入的信號Si 與自適應(yīng)輸出值Sp 存在差值，根據(jù)自適應(yīng)量化步長d 對此差值進(jìn)行量化，輸出ADPCM 四位量化碼I.對于量化碼I 又重新計算量化步長d 。其塬理圖如圖2所示。

　　另外一方面對于量化碼I，又要送入反量化器，根據(jù)計算的步長d 進(jìn)行差別斷定，生成新的解碼值，進(jìn)行下一輪的語音編碼。其塬理圖如圖3所示。

　　通過ADPCM的編碼，可以達(dá)到1/6的壓縮比率。也就是說，對于24 b的采樣數(shù)據(jù)，4 b的存儲率即可達(dá)成要求，可以大大延長存儲的時間。當(dāng)采樣速率為46 kHz時，數(shù)據(jù)傳輸速率為184 Kb/s，由于外部存儲器BQ4015大小為512×8 Kb，故能夠存儲的最長時間為22 s.當(dāng)采樣速率為8 kHz時，能夠存儲的最長時間為128 s.

　　2.2 信噪比計算

　　一般認(rèn)為，通話的語音頻率一般不超過3.4 kHz，所以低通濾波器選取3.4 kHz作為其截至頻率，同時保證A/D采樣頻率高于8 kHz，根據(jù)奈奎斯特定律，即可滿足語音量化不損失。對于耳機(jī)聲道聲音，其頻率范圍為20 Hz~20 kHz，所以對于上述的濾波器以及A/D 采樣頻率也能滿足其要求。根據(jù)如下信噪比（單位：dB）公式：

　　若假定語音信號服從拉普拉斯分布，則xmax = 4σx 。

　　所以可以計算出：

　　表明量化器中每個比特字長對信噪比的貢獻(xiàn)大約為6 dB.選用24 b A/D 轉(zhuǎn)換器PCM3010，理論上可以達(dá)到137 dB的信噪比。

　　2.3 預(yù)加重處理

　　為了提升語音質(zhì)量，一般都會對采集的語音進(jìn)行預(yù)加重處理。使得信號的高頻部分進(jìn)行提升，同時信號更平坦。處理的時候一般在高頻段按照-6 dB/倍頻程跌落，在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)具有6 dB/倍頻程提升高頻特性的預(yù)加重數(shù)字濾波器。選取一階高通濾波器，其特性函數(shù)為：

　　式中u 值取為0.94~0.97.當(dāng)然，在信號處理之后，還需要通過去加重來還塬塬本的語音信號。

　　2.4 分幀加窗處理

　　為了能用傳統(tǒng)的方法對語音信號進(jìn)行分析處理，需要對本來是時變語音信號進(jìn)行加窗處理。假定語音信號在30 ms內(nèi)是平穩(wěn)的，則在30 ms范圍內(nèi)對于語音信號分割加窗。若采樣速率為46 kHz，每幀信號由512個點組成，則一幀的時間長度為11.1 ms，滿足語音信號的短時平穩(wěn)特性。

　　不同的窗函數(shù)對于信號會有不同的處理結(jié)果，為了選取更優(yōu)的處理結(jié)果，于是對于矩形窗和漢明窗兩個最為典型的窗的特性進(jìn)行比較，結(jié)果如圖4，圖5所示。

　　由圖4，圖5可知，矩形窗有不錯的平滑特性，但是在頻譜帶外會有一定的信號損失，會有泄漏現(xiàn)象。而漢明窗雖然平滑特性不好，但是其帶寬卻大于矩形窗，更適合語音信號處理。故在時域中對每幀信號添加漢明窗，再進(jìn)行傅里葉變換，能更真實地分析其頻譜信息。

　　顯示頻譜時，由于示波器的分辨率有限，對512 點的頻譜信息，采取每間隔8個點抽取1個點的方式，即得到64 點的頻譜信息。由于顯示時只需顯示0~ fs 2（fs為采樣速率）頻率段的信息，故最后在示波器上清晰地顯示32個點的頻譜。

　　3 單元模塊電路設(shè)計

　　3.1 前級放大電路

　　一般來說，語音的輸入能量不大，為了完成A/D 操作，就需要對輸入的信號進(jìn)行放大。對于簡單的電路放大設(shè)計，選用最基本的AD620、INA129.對于調(diào)制電阻RG ，通過增益計算公式G = 49.4 kΩ/RG + 1 可以計算得到， RG 使用50 kΩ可調(diào)電位器來達(dá)到2.5 倍的增益放大，電路設(shè)計圖如圖6，圖7所示。

　　3.2 A/D及D/A設(shè)計電路

　　PCM3010 為24 b 立體聲音頻編碼器，其內(nèi)部包含Σ-Δ 型ADC和DAC.其中立體聲ADC輸入信號峰峰值為3 V，內(nèi)置抗混疊濾波器和高通濾波器，采樣速率為16~96 kHz可調(diào)，立體聲DAC輸出信號峰峰值為3 V，內(nèi)置去加重濾波器，轉(zhuǎn)換速率為16~192 kHz可調(diào)。DAC輸出信號接后置低通濾波器，可實現(xiàn)較好的波形輸出。

　　該芯片將ADC、DAC集成一體，極大地簡化了硬件電路規(guī)模，并且價格便宜，具有極高的性價比。這里在某些數(shù)據(jù)線與控制線上串接了一個小電阻，以降低信號上下邊沿的跳變速率。其電路圖如圖8所示。

　　3.3 音量控制及功放電路

　　音量調(diào)節(jié)選用高性能立體聲音頻音量控制芯片PGA2310實現(xiàn)。通過數(shù)字方法控制模擬音量，每聲道音量單獨可調(diào)，并具有靜噪功能。它具有極寬的增益衰減范圍，-95.5~31.5 dB 以0.5 dB 步進(jìn)可調(diào)，失真度僅為0.000 4%.其輸出兩路信號送入高效D 類音頻功率放大器TPA2000D4，+5 V 供電驅(qū)動4 Ω負(fù)載時功率可達(dá)2 W.其靜態(tài)功耗低，外接電路簡單，無需外接LC輸出濾波器，即可直接驅(qū)動揚聲器。電路圖如圖9所示。

　　4 程序設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件部分由單片機(jī)的 C51語言和FPGA的Ver-ilogHDL語言組成。其中，單片機(jī)主要完成用戶輸入輸出處理和系統(tǒng)的控制，F(xiàn)PGA主要完成需要嚴(yán)格時序控制（如數(shù)據(jù)采集、頻譜顯示）以及大規(guī)模數(shù)據(jù)計算（如FFT、ADPCM 編碼）等。整個系統(tǒng)的設(shè)計中模塊化思想貫穿始終，采用菜單鍵選擇所用功能，系統(tǒng)流程圖如圖10 所示。

　　5 方案測試與結(jié)果

　　5.1 測試儀器

　　測試儀器包括直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，型號為SG1733SB3A;60M 數(shù)字存儲示波器，型號為TektronixTDS1002;秒表。

　　5.2 方案測試與結(jié)果

　　5.2.1 語音存儲與回放效果測試

　?。?）一名組員面對麥克風(fēng)以不同大小的聲音說話，錄下一段語音，記錄回放語音的效果，結(jié)果見表1.

　?。?）由耳機(jī)輸入不同音量的立體聲音樂，錄下一段語音，記錄回放語音的效果，結(jié)果見表2.

　　5.2.2 語音存儲時間測試

　?。?）由耳機(jī)不間斷地輸入立體聲音樂，啟用錄音模式，待系統(tǒng)顯示存儲器存滿后，回放語音，用秒表記錄語音回放最長時間，結(jié)果見表3.

　　（2）一名組員面對麥克風(fēng)不間斷地說話，啟用錄音模式，待系統(tǒng)顯示存儲器存滿后，回放語音，用秒表記錄語音回放最長時間，結(jié)果見表4.

　　5.2.3 語音頻譜分析及顯示測試

　　由耳機(jī)或麥克風(fēng)輸入一段語音信號，由揚聲器直接播放出來，同時在示波器上實時顯示頻譜。測試結(jié)果為當(dāng)播放的聲音變化時，可觀察到頻譜有相應(yīng)的明顯變化。

　　由于不能明確知道語音信號的實時頻率和幅度信息，故只對頻譜進(jìn)行了定性測試。

　　6總結(jié)

　　該系統(tǒng)設(shè)計方案實現(xiàn)了語音存儲及回放，最長存儲時間達(dá)2 min，回放語音效果清晰良好，并能在示波器上實時顯示語音頻譜。采用ADPCM 編碼在保證回放音質(zhì)的情況下，極大地提高了存儲器的利用率，并通過對語音信號采用分幀加窗的方法實現(xiàn)了短時頻譜分析。

　　另外，系統(tǒng)采取了一系列抗干擾措施以減小噪聲，如數(shù)字地與模擬地分開走線，在一點匯合；電源處采用一個10 μF和0.1 μF的電容并聯(lián)去耦；時鐘走線盡量短等。但系統(tǒng)在語音回放時仍存在一定的噪聲，尤其當(dāng)輸入語音音量較小時，噪聲更為明顯，這是本方案需要完善的地方。