基于ADPCM的數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)設(shè)計方案

一、引言

隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字語音存儲與回放系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的語音存儲與回放，選擇合適的壓縮算法和硬件芯片顯得尤為重要。本文基于ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制）算法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有采集速度快、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)。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計

1. 采集模塊：由麥克風(fēng)或耳機(jī)輸入的語音信號，經(jīng)過前置放大和低通濾波等預(yù)處理后，完成A/D（模數(shù)）轉(zhuǎn)換。

2. 處理模塊：對采集到的語音信號進(jìn)行ADPCM編碼及FFT（快速傅里葉變換）運(yùn)算，將數(shù)字化的語音存儲于外部介質(zhì)。

3. 回放模塊：從外部介質(zhì)提取存儲的語音內(nèi)容，通過解碼、D/A（數(shù)模）轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動揚(yáng)聲器完成回放功能。

三、主控芯片型號及其作用

1. PCM3010

型號：PCM3010

作用：PCM3010是一款24位立體聲音頻編碼器，集成了Σ-Δ型ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。

• ADC：輸入信號峰峰值為3V，內(nèi)置抗混疊濾波器和高通濾波器，采樣速率可調(diào)范圍為16kHz至96kHz。

• DAC：輸出信號峰峰值為3V，內(nèi)置去加重濾波器，轉(zhuǎn)換速率可調(diào)范圍為16kHz至192kHz。

PCM3010將ADC和DAC集成于一體，極大地簡化了硬件電路規(guī)模，同時提供了較高的性價比。在系統(tǒng)中，PCM3010負(fù)責(zé)完成語音信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換，為后續(xù)的編碼和解碼提供了高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

2. PGA3010（或PGA2310）

型號：PGA3010（或PGA2310）

作用：PGA3010（或PGA2310）是一款高性能立體聲音頻音量控制芯片。

• 音量調(diào)節(jié)：通過數(shù)字方法控制模擬音量，每聲道音量單獨可調(diào)，具有靜噪功能。

• 增益衰減范圍：-95.5dB至31.5dB，以0.5dB步進(jìn)可調(diào)，失真度僅為0.0004%。

在系統(tǒng)中，PGA3010（或PGA2310）負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)立體聲音量，確保回放時音量適中，且音質(zhì)不受影響。

3. FPGA

型號：根據(jù)具體需求選擇（如Xilinx、Altera等品牌）

作用：FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)中需要嚴(yán)格時序控制及大規(guī)模數(shù)據(jù)計算的任務(wù)。

• 數(shù)據(jù)采集：從ADC獲取語音信號數(shù)據(jù)。

• 頻譜顯示：對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行短時傅里葉變換，在示波器上實時顯示語音信號的頻譜。

• 數(shù)據(jù)處理：進(jìn)行ADPCM編碼及FFT運(yùn)算。

FPGA在系統(tǒng)設(shè)計中扮演了核心處理器的角色，通過其強(qiáng)大的運(yùn)算能力和靈活的時序控制能力，確保了系統(tǒng)的高效運(yùn)行。

4. 單片機(jī)

型號：根據(jù)具體需求選擇（如51系列、AVR、PIC等品牌）

作用：單片機(jī)主要負(fù)責(zé)完成用戶輸入輸出處理和系統(tǒng)的控制。

• 輸入輸出處理：接收用戶操作指令，如錄音、放音、音量調(diào)節(jié)等，并輸出相應(yīng)的控制信號。

• 系統(tǒng)控制：協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

單片機(jī)在系統(tǒng)中起到了橋梁的作用，連接了用戶與硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了人機(jī)交互。

四、詳細(xì)設(shè)計

1. 采集模塊設(shè)計

采集模塊由麥克風(fēng)或耳機(jī)輸入語音信號，經(jīng)過前置放大和低通濾波等預(yù)處理后，完成A/D轉(zhuǎn)換。

• 前置放大：選用儀表放大器，如AD620或INA129，對輸入信號進(jìn)行放大。通過調(diào)整調(diào)制電阻RG的值，可以改變放大倍數(shù)。

• 低通濾波：為了濾除高頻噪聲，選用低通濾波器。通話的語音頻率一般不超過3.4kHz，所以低通濾波器選取3.4kHz作為其截止頻率。

• A/D轉(zhuǎn)換：選用PCM3010內(nèi)置的24位ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，確保采樣數(shù)據(jù)的精度。

2. 處理模塊設(shè)計

處理模塊對采集到的語音信號進(jìn)行ADPCM編碼及FFT運(yùn)算。

• ADPCM編碼：ADPCM的原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。通過ADPCM編碼，可以達(dá)到1/6的壓縮比率，大大延長存儲時間。

• FFT運(yùn)算：在FPGA內(nèi)部對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行短時傅里葉變換，實時顯示語音信號的頻譜。

3. 回放模塊設(shè)計

回放模塊從外部介質(zhì)提取存儲的語音內(nèi)容，通過解碼、D/A轉(zhuǎn)換，最后驅(qū)動揚(yáng)聲器完成回放功能。

• 解碼：對存儲的ADPCM編碼數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，恢復(fù)原始的語音信號。

• D/A轉(zhuǎn)換：選用PCM3010內(nèi)置的24位DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號。

• 功率放大：選用高效D類音頻功率放大器，如TPA2000D4，驅(qū)動揚(yáng)聲器完成語音播放。

五、系統(tǒng)測試與結(jié)果

1. 測試儀器

• 直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源：型號為SG1733SB3A。

• 數(shù)字存儲示波器：型號為Tektronix TDS1002，60MHz帶寬。

• 秒表：用于記錄語音存儲和回放的時間。

2. 測試內(nèi)容

1. 語音存儲與回放效果測試：

• 由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。

• 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。

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。

• 由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。

3. 測試結(jié)果

• 語音存儲與回放效果：回放語音效果清晰良好，無明顯失真或噪聲。

• 語音存儲時間：最長存儲時間達(dá)2分鐘，滿足設(shè)計要求。

• 頻譜顯示：在示波器上能夠?qū)崟r顯示語音信號的頻譜，且頻譜信息隨聲音變化而明顯變化。

六、結(jié)論

本文基于ADPCM算法，設(shè)計并實現(xiàn)了一種具有采集速度快、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)。通過選用高性能的硬件芯片，如PCM3010、PGA3010（或PGA2310）、FPGA和單片機(jī)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的高效運(yùn)行和高質(zhì)量語音回放。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計方案可行，能夠滿足實際應(yīng)用需求。

七、展望

雖然本系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)了基本的語音存儲與回放功能，但在實際應(yīng)用中仍存在一些需要改進(jìn)的地方。例如，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。為了進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能，可以考慮采用更先進(jìn)的降噪算法和更優(yōu)質(zhì)的硬件芯片。此外，還可以增加語音識別的功能，使系統(tǒng)更加智能化和便捷化。