基于ADPCM的數字語音存儲與回放系統設計方案

一、引言

隨著數字信號處理技術的不斷發展，數字語音存儲與回放系統得到了廣泛應用。為了實現高效、高質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（自適應差分脈沖編碼調制）算法，設計并實現了一種具有采集速度快、存儲時間長、語音回放質量良好的數字語音存儲與回放系統。

二、系統總體設計

1. 采集模塊：由麥克風或耳機輸入的語音信號，經過前置放大和低通濾波等預處理后，完成A/D（模數）轉換。

2. 處理模塊：對采集到的語音信號進行ADPCM編碼及FFT（快速傅里葉變換）運算，將數字化的語音存儲于外部介質。

3. 回放模塊：從外部介質提取存儲的語音內容，通過解碼、D/A（數模）轉換，最后驅動揚聲器完成回放功能。

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（模數轉換器）和DAC（數模轉換器）。

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

• DAC：輸出信號峰峰值為3V，內置去加重濾波器，轉換速率可調范圍為16kHz至192kHz。

PCM3010將ADC和DAC集成于一體，極大地簡化了硬件電路規模，同時提供了較高的性價比。在系統中，PCM3010負責完成語音信號的模數轉換和數模轉換，為后續的編碼和解碼提供了高質量的原始數據。

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。

• 音量調節：通過數字方法控制模擬音量，每聲道音量單獨可調，具有靜噪功能。

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

在系統中，PGA3010（或PGA2310）負責調節立體聲音量，確保回放時音量適中，且音質不受影響。

3. FPGA

型號：根據具體需求選擇（如Xilinx、Altera等品牌）

作用：FPGA（現場可編程門陣列）負責完成系統中需要嚴格時序控制及大規模數據計算的任務。

• 數據采集：從ADC獲取語音信號數據。

• 頻譜顯示：對采樣數據進行短時傅里葉變換，在示波器上實時顯示語音信號的頻譜。

• 數據處理：進行ADPCM編碼及FFT運算。

FPGA在系統設計中扮演了核心處理器的角色，通過其強大的運算能力和靈活的時序控制能力，確保了系統的高效運行。

4. 單片機

型號：根據具體需求選擇（如51系列、AVR、PIC等品牌）

作用：單片機主要負責完成用戶輸入輸出處理和系統的控制。

• 輸入輸出處理：接收用戶操作指令，如錄音、放音、音量調節等，并輸出相應的控制信號。

• 系統控制：協調各個模塊之間的工作，確保系統穩定運行。

單片機在系統中起到了橋梁的作用，連接了用戶與硬件系統，實現了人機交互。

四、詳細設計

1. 采集模塊設計

采集模塊由麥克風或耳機輸入語音信號，經過前置放大和低通濾波等預處理后，完成A/D轉換。

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

• 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轉換：選用PCM3010內置的24位ADC進行模數轉換，確保采樣數據的精度。

2. 處理模塊設計

處理模塊對采集到的語音信號進行ADPCM編碼及FFT運算。

• ADPCM編碼：ADPCM的原理是對相鄰兩采樣值的差值進行編碼，利用自適應的思想改變量化階的大小。通過ADPCM編碼，可以達到1/6的壓縮比率，大大延長存儲時間。

• FFT運算：在FPGA內部對采樣數據進行短時傅里葉變換，實時顯示語音信號的頻譜。

3. 回放模塊設計

回放模塊從外部介質提取存儲的語音內容，通過解碼、D/A轉換，最后驅動揚聲器完成回放功能。

• 解碼：對存儲的ADPCM編碼數據進行解碼，恢復原始的語音信號。

• D/A轉換：選用PCM3010內置的24位DAC進行數模轉換，將數字信號轉換為模擬信號。

• 功率放大：選用高效D類音頻功率放大器，如TPA2000D4，驅動揚聲器完成語音播放。

五、系統測試與結果

1. 測試儀器

• 直流穩壓穩流電源：型號為SG1733SB3A。

• 數字存儲示波器：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. 測試內容

1. 語音存儲與回放效果測試：

• 由一名組員面對麥克風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：

• 由耳機不間斷地輸入立體聲音樂，啟用錄音模式，待系統顯示存儲器存滿后，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不間斷地說話，啟用錄音模式，待系統顯示存儲器存滿后，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2分鐘，滿足設計要求。

• 頻譜顯示：在示波器上能夠實時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、結論

本文基于ADPCM算法，設計并實現了一種具有采集速度快、存儲時間長、語音回放質量良好的數字語音存儲與回放系統。通過選用高性能的硬件芯片，如PCM3010、PGA3010（或PGA2310）、FPGA和單片機，實現了系統的高效運行和高質量語音回放。測試結果表明，該系統設計方案可行，能夠滿足實際應用需求。

七、展望

雖然本系統已經實現了基本的語音存儲與回放功能，但在實際應用中仍存在一些需要改進的地方。例如，系統在語音回放時仍存在一定的噪聲，尤其當輸入語音音量較小時，噪聲更為明顯。為了進一步提升系統的性能，可以考慮采用更先進的降噪算法和更優質的硬件芯片。此外，還可以增加語音識別的功能，使系統更加智能化和便捷化。