ADPCM語音編解碼電路設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)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(shí)現(xiàn)。本文闡述了ADPCM語音編解碼VLSI芯片的設(shè)計(jì)方法以及利用FPGA的硬件實(shí)現(xiàn)。

ADPCM算法及其編解碼器原理

    ADPCM（Adaptive Differential Pulse 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(gè)輸入樣本的預(yù)測值，使實(shí)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(gè)采樣點(diǎn)的幅值，而是該點(diǎn)的幅值與前一個(gè)采樣點(diǎn)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(gè)代碼轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，它使用ADPCM轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)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(hào)是G.711 PCM代碼，采樣率是8kHz，每個(gè)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(hào)，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(chǔ)、控制和時(shí)鐘幾個(gè)模塊。編碼模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮功能，將輸入的PCM信號(hào)轉(zhuǎn)換成ADPCM碼；存儲(chǔ)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(shí)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(shí)鐘模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部晶振的原始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，以得到電路系統(tǒng)實(shí)際所需的時(shí)鐘信號(hào)。

    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(hào)，RST則為復(fù)位信號(hào)。當(dāng)WE為“1”時(shí)，RAM寫有效，而當(dāng) WE為“0”時(shí)，RAM讀有效，CS為“1”時(shí)，RAM可進(jìn)行寫或者讀操作。

(a) ADPCM編碼器

(b)ADPCM解碼器

圖1 ADPCM簡化框圖

電路設(shè)計(jì)過程

    本文采用Top-down方法進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)流程如下：首先基于Verilog HDL運(yùn)用Active-HDL進(jìn)行電路的RTL級(jí)描述和功能仿真；將經(jīng)過功能仿真正確的程序在Quartus II開發(fā)系統(tǒng)中進(jìn)行綜合和適配；接下來將得到的網(wǎng)表文件（.vo）和具有時(shí)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(jìn)行時(shí)序仿真；時(shí)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(jìn)行不可掉電的實(shí)際測試，也可將“*.pof”文件通過AS配置模式下載到FPGA中進(jìn)行可掉電的實(shí)際測試。電路系統(tǒng)的頂層程序如下。

圖2 電路整體結(jié)構(gòu)圖

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_IN,re_rst ,en_encoder, CLK_8K ,code_in );
RAM       U2 (ADDRESS,WE,CS,CLK_8K,code_in,code_out);
decoder_new   U3 (pl_rst, CLK_8K ,code_out ,en_decoder,PCM_OUT); 
controllogic  U4 (CS,re_rst,pl_rst,en_encoder,en_decoder,WE,ADDRESS,RECORD,PLAY,CLK_8K);
endmodule

子模塊電路設(shè)計(jì)及仿真

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

1 編碼電路
    編碼電路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮功能，將輸入的PCM信號(hào)轉(zhuǎn)換成均勻的PCM碼，然后與預(yù)測信號(hào)進(jìn)行差分，得到的差分信號(hào)經(jīng)過“自適應(yīng)量化器”進(jìn)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(gè)預(yù)測信號(hào)。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(hào)（PCM碼），CODE為編碼后得到的輸出信號(hào)（ADPCM碼）。

圖3 編碼電路仿真波形

2 解碼電路

    解碼電路實(shí)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(hào)，量化差分信號(hào)與預(yù)測值相加得到重構(gòu)信號(hào)，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(hào)（ADPCM碼），PCM_OUT為解碼后得到的輸出信號(hào)（PCM碼）。與圖3中編解碼前的PCM_IN對(duì)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(shí)使能存儲(chǔ)器寫入信號(hào)，使編碼電路輸出數(shù)據(jù)可以及時(shí)存入存儲(chǔ)器；在解碼的同時(shí)使能存儲(chǔ)器讀出信號(hào)，編碼和解碼不能同時(shí)進(jìn)行。時(shí)鐘電路主要實(shí)現(xiàn)對(duì)外部晶振的原始時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻，以得到電路系統(tǒng)實(shí)際所需的時(shí)鐘信號(hào)。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(shí)鐘。存儲(chǔ)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(yàn)證電路的功能，所以只設(shè)定了2s的錄音存儲(chǔ)空間，即64kb存儲(chǔ)容量。

整體電路仿真

    在子模塊電路仿真正確后，對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行仿真，可以得到圖5所示波形。此次仿真輸入信號(hào)PCM_IN激勵(lì)采用Testbench產(chǎn)生。在編碼使能信號(hào)RECORD為“0”時(shí)，開始編碼，RECORD跳變到“1”時(shí)，編碼被屏蔽；此時(shí)解碼使能信號(hào)PLAY為“0”，開始解碼，PLAY跳變到“1”時(shí)，解碼被屏蔽。從圖中可以看出編碼前輸入信號(hào)PCM_IN的激勵(lì)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(jì)是正確可靠的。

FPGA驗(yàn)證及結(jié)論

    本文基于FPGA驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的電路。這里選用Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8器件，其內(nèi)部有90kb的存儲(chǔ)容量，6k個(gè)邏輯單元，2 個(gè)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(shí)間為2s，所以需要64kb存儲(chǔ)容量；同時(shí)，設(shè)計(jì)需要大約400個(gè)左右的邏輯單元。所以選用此低成本的FPGA即可滿足設(shè)計(jì)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(gè)，能滿足外面的引腳連接，而且價(jià)格也易于接受。

    FPGA驗(yàn)證表明：電路的最大時(shí)鐘延遲為26.903ns，最高工作頻率可達(dá)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(shí)時(shí)性。在電子地圖、車載信息終端語音播報(bào)、治安報(bào)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(jià)值。同時(shí)，也指明了數(shù)字語音壓縮處理高效設(shè)計(jì)方法的方向。

圖4 編碼電路仿真波形

圖5 系統(tǒng)仿真波形