基于ADPCM的数字语音存储与回放系统设计方案

一、引言

随着数字信号处理技术的不断发展，数字语音存储与回放系统得到了广泛应用。为了实现高效、高质量的语音存储与回放，选择合适的压缩算法和硬件芯片显得尤为重要。本文基于ADPCM（自适应差分脉冲编码调制）算法，设计并实现了一种具有采集速度快、存储时间长、语音回放质量良好的数字语音存储与回放系统。

二、系统总体设计

1. 采集模块：由麦克风或耳机输入的语音信号，经过前置放大和低通滤波等预处理后，完成A/D（模数）转换。

2. 处理模块：对采集到的语音信号进行ADPCM编码及FFT（快速傅里叶变换）运算，将数字化的语音存储于外部介质。

3. 回放模块：从外部介质提取存储的语音内容，通过解码、D/A（数模）转换，最后驱动扬声器完成回放功能。

三、主控芯片型号及其作用

1. PCM3010

型号：PCM3010

作用：PCM3010是一款24位立体声音频编码器，集成了Σ-Δ型ADC（模数转换器）和DAC（数模转换器）。

• ADC：输入信号峰峰值为3V，内置抗混叠滤波器和高通滤波器，采样速率可调范围为16kHz至96kHz。

• DAC：输出信号峰峰值为3V，内置去加重滤波器，转换速率可调范围为16kHz至192kHz。

PCM3010将ADC和DAC集成于一体，极大地简化了硬件电路规模，同时提供了较高的性价比。在系统中，PCM3010负责完成语音信号的模数转换和数模转换，为后续的编码和解码提供了高质量的原始数据。

2. PGA3010（或PGA2310）

型号：PGA3010（或PGA2310）

作用：PGA3010（或PGA2310）是一款高性能立体声音频音量控制芯片。

• 音量调节：通过数字方法控制模拟音量，每声道音量单独可调，具有静噪功能。

• 增益衰减范围：-95.5dB至31.5dB，以0.5dB步进可调，失真度仅为0.0004%。

在系统中，PGA3010（或PGA2310）负责调节立体声音量，确保回放时音量适中，且音质不受影响。

3. FPGA

型号：根据具体需求选择（如Xilinx、Altera等品牌）

作用：FPGA（现场可编程门阵列）负责完成系统中需要严格时序控制及大规模数据计算的任务。

• 数据采集：从ADC获取语音信号数据。

• 频谱显示：对采样数据进行短时傅里叶变换，在示波器上实时显示语音信号的频谱。

• 数据处理：进行ADPCM编码及FFT运算。

FPGA在系统设计中扮演了核心处理器的角色，通过其强大的运算能力和灵活的时序控制能力，确保了系统的高效运行。

4. 单片机

型号：根据具体需求选择（如51系列、AVR、PIC等品牌）

作用：单片机主要负责完成用户输入输出处理和系统的控制。

• 输入输出处理：接收用户操作指令，如录音、放音、音量调节等，并输出相应的控制信号。

• 系统控制：协调各个模块之间的工作，确保系统稳定运行。

单片机在系统中起到了桥梁的作用，连接了用户与硬件系统，实现了人机交互。

四、详细设计

1. 采集模块设计

采集模块由麦克风或耳机输入语音信号，经过前置放大和低通滤波等预处理后，完成A/D转换。

• 前置放大：选用仪表放大器，如AD620或INA129，对输入信号进行放大。通过调整调制电阻RG的值，可以改变放大倍数。

• 低通滤波：为了滤除高频噪声，选用低通滤波器。通话的语音频率一般不超过3.4kHz，所以低通滤波器选取3.4kHz作为其截止频率。

• A/D转换：选用PCM3010内置的24位ADC进行模数转换，确保采样数据的精度。

2. 处理模块设计

处理模块对采集到的语音信号进行ADPCM编码及FFT运算。

• ADPCM编码：ADPCM的原理是对相邻两采样值的差值进行编码，利用自适应的思想改变量化阶的大小。通过ADPCM编码，可以达到1/6的压缩比率，大大延长存储时间。

• FFT运算：在FPGA内部对采样数据进行短时傅里叶变换，实时显示语音信号的频谱。

3. 回放模块设计

回放模块从外部介质提取存储的语音内容，通过解码、D/A转换，最后驱动扬声器完成回放功能。

• 解码：对存储的ADPCM编码数据进行解码，恢复原始的语音信号。

• D/A转换：选用PCM3010内置的24位DAC进行数模转换，将数字信号转换为模拟信号。

• 功率放大：选用高效D类音频功率放大器，如TPA2000D4，驱动扬声器完成语音播放。

五、系统测试与结果

1. 测试仪器

• 直流稳压稳流电源：型号为SG1733SB3A。

• 数字存储示波器：型号为Tektronix TDS1002，60MHz带宽。

• 秒表：用于记录语音存储和回放的时间。

2. 测试内容

1. 语音存储与回放效果测试：

• 由一名组员面对麦克风以不同大小的声音说话，录下一段语音，记录回放语音的效果。

• 由耳机输入不同音量的立体声音乐，录下一段语音，记录回放语音的效果。

2. 语音存储时间测试：

• 由耳机不间断地输入立体声音乐，启用录音模式，待系统显示存储器存满后，回放语音，用秒表记录语音回放最长时间。

• 由一名组员面对麦克风不间断地说话，启用录音模式，待系统显示存储器存满后，回放语音，用秒表记录语音回放最长时间。

3. 测试结果

• 语音存储与回放效果：回放语音效果清晰良好，无明显失真或噪声。

• 语音存储时间：最长存储时间达2分钟，满足设计要求。

• 频谱显示：在示波器上能够实时显示语音信号的频谱，且频谱信息随声音变化而明显变化。

六、结论

本文基于ADPCM算法，设计并实现了一种具有采集速度快、存储时间长、语音回放质量良好的数字语音存储与回放系统。通过选用高性能的硬件芯片，如PCM3010、PGA3010（或PGA2310）、FPGA和单片机，实现了系统的高效运行和高质量语音回放。测试结果表明，该系统设计方案可行，能够满足实际应用需求。

七、展望

虽然本系统已经实现了基本的语音存储与回放功能，但在实际应用中仍存在一些需要改进的地方。例如，系统在语音回放时仍存在一定的噪声，尤其当输入语音音量较小时，噪声更为明显。为了进一步提升系统的性能，可以考虑采用更先进的降噪算法和更优质的硬件芯片。此外，还可以增加语音识别的功能，使系统更加智能化和便捷化。