ADPCM語音編解碼電路設(shè)計(jì)及FPGA實(shí)現(xiàn)

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 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(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,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)對外部晶振的原始時(shí)鐘信號進(jìn)行分頻,以得到電路系統(tǒng)實(shí)際所需的時(shí)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(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。


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(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。
module ADPCM_TOP(PCM_OUT,PCM_IN,RECORD,PLAY,CLK,CLK8K):
parameter ADDR_WIDTH=14;
parameter PCM_WIDTH=8;
input PCM_IN;
wire PCM_IN;
output PCM_OUT;
wire PCM_OUT;
input CLK,RECORD,PLAY;
output CLK8K;
wire code_in,code_out;
wire en_encoder,en_decoder,re_rst,pl_rst,WE,CS,CLK_8K;
wire 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(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)。

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