基于FPGA技術(shù)和CVSD編解碼算法實(shí)現(xiàn)語音編解碼器的設(shè)計(jì)和仿真研究

64 Kbit/s的A律或μ律的對(duì)數(shù)壓擴(kuò)PCM編碼在大容量的光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字微波系統(tǒng)中已得到廣泛應(yīng)用，但由于占用較大的傳輸帶寬和具有復(fù)雜的成幀結(jié)構(gòu)，PCM編碼不適合無線語音系統(tǒng)的應(yīng)用。連續(xù)可變斜率增量（Continuously Variable Slope Delta，CVSD）調(diào)制以其較低的應(yīng)用難度、成本和編碼速率，較好的語音質(zhì)量廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)、衛(wèi)星通信、藍(lán)牙等無線語音傳輸領(lǐng)域。近年來FPGA不斷發(fā)展演化，并在構(gòu)架方面針對(duì)DSP應(yīng)用有了顯著增強(qiáng)。這些增強(qiáng)使得FPGA能夠支持各領(lǐng)域的眾多復(fù)雜DSP應(yīng)用，如電信（基站信號(hào)處理、雷達(dá)信號(hào)處理等）、多媒體處理（視頻處理、音頻信號(hào)處理等）及其他應(yīng)用領(lǐng)域，筆者結(jié)合FPCA的靈活性、強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力、較短的開發(fā)周期，提出了基于FPGA的32 Kbit／s CVSD語音編解碼器。

1、 CVSD原理

增量調(diào)制（Delta Modulation，DM）用一位編碼表示相鄰樣值的相對(duì)大小，從而反映出抽樣時(shí)刻波形的變化趨勢(shì)，它分為線性增量調(diào)制（Linear Delta Modulation，LDM）和自適應(yīng)增量調(diào)制（Adaptive Delta Modulation，ADM）。LDM中采用固定的量化臺(tái)階△，在量化編碼的過程中會(huì)引起兩類失真，一類是斜率過載失真，它是由于量化臺(tái)階△過小，跟不上信號(hào)波形中斜率陡峭部分造成的，另一類是顆粒失真，它是由于量化臺(tái)階△過大，在信號(hào)波形斜率較小部分造成的。CVSD是一種自適應(yīng)增量ADM算法，動(dòng)態(tài)調(diào)整量化臺(tái)階△的大小隨輸入信號(hào)變化，當(dāng)輸入信號(hào)幅度變化率增大時(shí)，量化臺(tái)階相應(yīng)增大，當(dāng)輸入信號(hào)幅度變化率減小時(shí)，量化臺(tái)階相應(yīng)減小。

2、 CVSD編解碼算法

2.1 編碼算法

編碼算法流程如圖1所示，x（n）為輸入語音采樣信號(hào)，采樣頻率fs=32 kHz，xp（n）為一階預(yù)測(cè)值，d（n）為輸入采樣信號(hào)x（n）和一階預(yù)測(cè)值xp（n）的差值，β為量階衰減因子，△0為初始量階。模塊L實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，輸入c（n）=1時(shí)輸出為+1，輸入c（n）=0時(shí)輸出為-1，因此模塊L的輸出值為2c（n）-1。

當(dāng)x（n）≥xp（n）時(shí)，d（n）≥0，編碼輸出c（n）=1，當(dāng)x（n）《xp（n）時(shí)，編碼輸出c（n）=0。CVSD編碼過程中，動(dòng)態(tài)地調(diào)整量化臺(tái)階△（n），當(dāng)檢測(cè)到連續(xù)3個(gè)編碼“1”或者連續(xù)3個(gè)編碼“0”時(shí)，說明信號(hào)斜率陡峭，這時(shí)量階增大△0。

2.2 譯碼算法

譯碼算法流程如圖2所示，它是編碼的逆過程，由于積分器輸出的xQD（n）是階梯波，有較高的諧波分量，這里通過一個(gè)數(shù)字低通濾波器平滑積分器的輸出。當(dāng)c（n）=1時(shí)，xQD（n）=xQD（n-1）+△（n）；當(dāng)c（n）=0時(shí)，xQD（n）=xQD（n-1）-△（n）。其中量階△（n）的取值同編碼算法。

3、 FPGA的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

CVSD編譯碼算法中涉及到量階衰減因子β、初始量階△0和低通濾波器系數(shù)的設(shè)計(jì)。量階衰減因子滿足：β=1-T/τ，T表示語音信號(hào)的周期，語音信號(hào)頻率f=300～3 400 Hz，所以周期T=0.29～3.30 ms，τ為音節(jié)時(shí)間常數(shù)，一般情況下τ=5～10ms?！?的選取很重要，如果△0選取過小，會(huì)導(dǎo)致初始的一段時(shí)間量化的數(shù)字信號(hào)與輸入信號(hào)之間存在較大的失真，需要經(jīng)過較長(zhǎng)的時(shí)間才能跟蹤上輸入信號(hào)，為減少顆粒失真和過載失真，根據(jù)歐洲通信組織標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合多次的MATLAB仿真測(cè)試，取β=0.855，△0=0.043，如圖3所示。

升余弦窗具有較好的旁瓣抑制和阻帶衰減，數(shù)字低通濾波器設(shè)計(jì)成14階升余弦窗有限脈沖響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR）濾波器，其參數(shù)采樣率fs=32 kHz由于語音信號(hào)頻譜集中在300～3 400 Hz，數(shù)字低通濾波器通帶截止頻率設(shè)計(jì)為fc=4 kHz／32 kHz=0.125，F(xiàn)IR濾波器系數(shù)向量B=［0.0029 0.0086 0.02600.058 0 0.1000 0.1400 0.1645 0.1645 0.1400 0.1000 0.058 0 0.0260 0.008 6 0.002 9］。如圖4所示，由于信號(hào)經(jīng)過14階FIR低通濾波器，輸出信號(hào)與原采樣信號(hào)相比存在一定的延時(shí)，經(jīng)低通濾波后原信號(hào)得到了較好的恢復(fù)。

3.2 CVSD編解碼器

硬件設(shè)計(jì)時(shí)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，將編解碼器分成各種功能模塊。CVSD編碼器負(fù)責(zé)處理采樣頻率32 kHz采樣的16 bit語音信號(hào)，由比較判決模塊、三連碼檢測(cè)模塊、量階調(diào)整模塊和預(yù)測(cè)值產(chǎn)生模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。比較判決模塊將預(yù)測(cè)值產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的預(yù)測(cè)值與語音信號(hào)值進(jìn)行比較，如果輸入語音信號(hào)值≥預(yù)測(cè)值，則編碼輸出“1”，否則編碼輸出“0”。編碼輸入三連碼檢測(cè)模塊進(jìn)行三連電平的判決，通過量階調(diào)整模塊和預(yù)測(cè)值產(chǎn)生模塊產(chǎn)生動(dòng)態(tài)的量階和預(yù)測(cè)值。其中預(yù)測(cè)值產(chǎn)生模塊需要注意防止數(shù)據(jù)溢出。

CVSD解碼器負(fù)責(zé)處理32 kHz的單比特符號(hào)，根據(jù)圖2，編碼過程中預(yù)測(cè)值的產(chǎn)生模塊就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了譯碼過程，后面數(shù)字低通FIR濾波器采用分布式算法（Distributed Arithmetic，DA）進(jìn)行設(shè)計(jì)，極大地提高了乘累加運(yùn)算的效能且節(jié)省了FPGA的硬件資源。解碼器還需要設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)鐘產(chǎn)生模塊，因?yàn)椴捎梅植际剿惴ǖ?4階的低通濾波器的時(shí)鐘頻率是數(shù)據(jù)時(shí)鐘的16倍。

4 、仿真測(cè)試

采用Quartus Ⅱ6.0進(jìn)行開發(fā)仿真，verilog語言編程。為了便于軟件仿真，設(shè)計(jì)了DDS信號(hào)源，CVSD編碼器的輸入由正弦信號(hào)源DDS模塊提供。仿真結(jié)果如圖6所示。

最后在Altera DE2開發(fā)板上進(jìn)行了硬件測(cè)試，芯片為Cyclone II EP2C35，編解碼器硬件資源消耗見表1。A／D輸入模擬的語音信號(hào)，采樣頻率32 kHz，采樣信號(hào)經(jīng)編碼器、解碼器、低通濾波再通過D／A轉(zhuǎn)換輸出解碼的語音信號(hào)，如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明輸出語音信號(hào)理想，說明設(shè)計(jì)是可行的。

5、 結(jié)束語

CVSD是一種自適應(yīng)增量脈沖編碼調(diào)制，對(duì)誤碼有很強(qiáng)的魯棒性，擅長(zhǎng)處理丟失和被損壞的語音采樣，編碼器是單比特編碼，和PCM相比不需要復(fù)雜的成幀設(shè)備，并且解碼器中集成了數(shù)字低通濾波器，使得編解碼設(shè)備簡(jiǎn)單，綜合這些優(yōu)越性，CVSD特別適合應(yīng)用于無線語音通信系統(tǒng)，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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