基于ADPCM語音編解碼VLSI芯片的設(shè)計方法

　　output CLK8K;

　　wire[3:0] code_in,code_out;

　　wire en_encoder,en_decoder,re_rst,pl_rst,WE,CS,CLK_8K;

　　wire [ADDR_WIDTH-1:0] ADDRESS;

　　assign CLK8K =CLK_8K;

　　CLOCK_GE U0 (CLK,RECORD, CLK_8K);

　　encoder_new U1 ( PCM_IN,re_rst ,en_encoder, CLK_8K ,code_in );

　　RAM U2 (ADDRESS,WE,CS,CLK_8K,code_in,code_out);

　　decoder_new U3 (pl_rst, CLK_8K ,code_out ,en_decoder,PCM_OUT);

　　controllogic U4(CS,re_rst,pl_rst,en_encoder,en_decoder,WE,ADDRESS,RECORD,PLAY,CLK_8K);

　　endmodule

　　子模塊電路設(shè)計及仿真

　　整個語音編解碼VLSI芯片包括編碼電路、解碼電路、存儲電路、控制電路和時鐘電路幾個部分。下面分別具體描述關(guān)鍵電路的設(shè)計。

　　1 編碼電路

　　編碼電路實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮功能，將輸入的PCM信號轉(zhuǎn)換成均勻的PCM碼，然后與預(yù)測信號進行差分，得到的差分信號經(jīng)過“自適應(yīng)量化器”進行壓縮編碼得到ADPCM碼，ADPCM碼被返回經(jīng)過“逆自適應(yīng)量化器”以及“自適應(yīng)預(yù)測器”用來構(gòu)建下一個預(yù)測信號。編碼電路仿真波形如圖3所示，其中PCM_IN為編碼器輸入信號(PCM碼)，CODE為編碼后得到的輸出信號(ADPCM碼)。

　　圖3 編碼電路仿真波形

　　2 解碼電路

　　解碼電路實現(xiàn)解壓縮功能，將ADPCM碼經(jīng)過“逆自適應(yīng)量化器”得到量化差分信號，量化差分信號與預(yù)測值相加得到重構(gòu)信號，然后轉(zhuǎn)換成PCM碼。解碼電路仿真波形如圖4所示，其中CODE為解碼器輸入信號(ADPCM碼)，PCM_OUT為解碼后得到的輸出信號(PCM碼)。與圖3中編解碼前的PCM_IN對比，可以看出解碼誤差很小。

　　3 其他模塊

　　控制電路控制其他電路模塊的協(xié)調(diào)工作，在編碼的同時使能存儲器寫入信號，使編碼電路輸出數(shù)據(jù)可以及時存入存儲器;在解碼的同時使能存儲器讀出信號，編碼和解碼不能同時進行。時鐘電路主要實現(xiàn)對外部晶振的原始時鐘信號進行分頻，以得到電路系統(tǒng)實際所需的時鐘信號。本系統(tǒng)采用的外部晶振固有頻率為14.318MHz，經(jīng)過分頻后可以獲得8kHz時鐘。存儲電路在控制電路的作用下，保存編碼所得的ADPCM碼(32kb/s)，由于只需驗證電路的功能，所以只設(shè)定了2s的錄音存儲空間，即64kb存儲容量。

　　整體電路仿真

　　[table][/table] 在子模塊電路仿真正確后，對系統(tǒng)整體進行仿真，可以得到圖5所示波形。此次仿真輸入信號PCM_IN激勵采用Testbench產(chǎn)生。在編碼使能信號RECORD為“0”時，開始編碼，RECORD跳變到“1”時，編碼被屏蔽;此時解碼使能信號PLAY為“0”，開始解碼，PLAY跳變到“1”時，解碼被屏蔽。從圖中可以看出編碼前輸入信號PCM_IN的激勵和解碼后輸出PCM_OUT的響應(yīng)基本符合。由于ADPCM算法本身是有損壓縮，可以確定本電路系統(tǒng)的設(shè)計是正確可靠的。

　　FPGA驗證及結(jié)論

　　本文基于FPGA驗證所設(shè)計的電路。這里選用Altera公司Cyclone系列的EP1C6Q240C8器件，其內(nèi)部有90kb的存儲容量，6k個邏輯單元，2 個PLL。由于電路采用8kHz采樣頻率，編碼后的ADPCM碼為4位，設(shè)定錄音時間為2s，所以需要64kb存儲容量;同時，設(shè)計需要大約400個左右的邏輯單元。所以選用此低成本的FPGA即可滿足設(shè)計要求，而且基本上充分利用了內(nèi)部資源。此芯片的引腳有240 個，能滿足外面的引腳連接，而且價格也易于接受。

　　FPGA驗證表明：電路的最大時鐘延遲為26.903ns，最高工作頻率可達37.17MHz，可以很好地再現(xiàn)被錄入的語音，具有較高的保真度和很好的實時性。在電子地圖、車載信息終端語音播報、治安報警系統(tǒng)，特別是便攜式語音記錄裝置等方面具有較高的應(yīng)用價值。同時，也指明了數(shù)字語音壓縮處理高效設(shè)計方法的方向。

　　圖4 編碼電路仿真波形

　　圖5 系統(tǒng)仿真波形