【正文】 L 硬件描述語(yǔ)言設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了 ADPCM 編 /解碼器， 運(yùn)用 Modelsim 仿真測(cè)試，來(lái)確保編 /解碼器的正確性和穩(wěn)定性， 整個(gè)設(shè)計(jì)充分利用了 FPGA 芯片的資源、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，具有良好的應(yīng)用前景。 ④ 采用與編碼器相同的方法更新步長(zhǎng)索引表，得到新的 qd ⑤ 利用新的濾波器系數(shù)，重復(fù)上述 5個(gè)步驟，解碼下一個(gè) I(k)。 ② 通過(guò) qd 同 PS 相加便得到編碼輸出 Sr。 解碼時(shí)首先通過(guò)步長(zhǎng)索引查步長(zhǎng)調(diào)整表得到量化步長(zhǎng)，差值量化 編碼 I經(jīng)逆量化器得到語(yǔ)音差值 dq，這是求 I 的逆過(guò)程；然后與前次預(yù)測(cè)值一起重建當(dāng)前語(yǔ)音信號(hào) Sr，最后用固定預(yù)測(cè) Sp=Sr，更新預(yù)測(cè)采樣 Sp，用 I更新量化步長(zhǎng)索引值 [13][14][15]。解碼過(guò)程同編碼過(guò)程中求預(yù)測(cè)采樣的原理是一樣的，當(dāng)編碼端的 Sr能很好的跟蹤上 Si 時(shí)，解碼端的Sr也能同樣再現(xiàn) Si。解碼輸入即編碼輸出 I，逆量化器將 I 逆量化成差值 dq。 ⑤ 利用新的系數(shù)，計(jì)算得到 )(nXP ，重復(fù)上述 5個(gè)步驟，壓縮下一個(gè)語(yǔ)音采樣數(shù)據(jù)。 ③ 通過(guò)自適應(yīng)反量化模塊對(duì) I(k)計(jì)算得到量化差分預(yù)測(cè)信號(hào) qd 。編碼輸出 I后，編碼還需要重復(fù)進(jìn)行和解碼完全一樣的計(jì)算過(guò)程，求出新的預(yù)測(cè)采樣值 Sp。這樣就確定了編碼值I(k)。如果 dq大于 q/2，則 I的 D1位置 1，如果 dqq/2大于 q/4，則 I 的 D0 位置 1。 V 如果當(dāng)前采樣值 Si 和采樣預(yù)測(cè)值 ( 1)pXn? 之間的差值 d 為負(fù)，則 I的 D3 位置 1。另一個(gè)表為步長(zhǎng)調(diào)整表，其輸入為步長(zhǎng)索引，輸出為步長(zhǎng) q。在算法實(shí)現(xiàn)中，定義一個(gè)結(jié)構(gòu)變量存儲(chǔ)預(yù)測(cè)采樣 Sp 和量化步長(zhǎng)索引，并制定了兩個(gè)表。接下來(lái)量化器模塊對(duì)有符號(hào)的 4 位編碼數(shù)據(jù) I，由于是帶符號(hào)的所以這個(gè)數(shù)據(jù)的表示范圍在 7 到 7 之間，最高位為符號(hào)位。如果是非線性的 PCM 則之前先加個(gè)線性轉(zhuǎn)化模塊使得輸入的數(shù)據(jù)是線性的。 ADPCM 編碼過(guò)程如圖 所示輸示。并使短時(shí)間內(nèi)的均方預(yù)測(cè)誤差為最小值來(lái)選擇預(yù)測(cè)系數(shù) [11]。 nd 是以前量化值的線性組合時(shí)，其預(yù)測(cè)值為 )()()n(d 1 kndnapk k ??? ?? () 式中 P為預(yù)測(cè)器的階數(shù)。 tFd 的樣值用 )(39。對(duì) ADPCM 來(lái)說(shuō)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)的預(yù)測(cè)系數(shù)的選擇是很重要的。 為了進(jìn)一步有效地克服語(yǔ)聲通信過(guò)程中的不平穩(wěn)行，要考慮量化器和預(yù)測(cè)器都適應(yīng)匹配于語(yǔ)聲信號(hào)瞬時(shí)變化，又設(shè)計(jì)了同時(shí)帶有自適應(yīng)量化和自適應(yīng)階距的 ADPCM 系統(tǒng)。這樣是增加了其復(fù)雜程度，但它有可能在差錯(cuò)控制保護(hù)下傳輸階距從而大大改善高誤碼率傳輸時(shí)的輸出信號(hào)質(zhì)量。反饋控制的主要優(yōu)點(diǎn)是量化階距的信息由碼字序列提取，因此不需要傳輸或存儲(chǔ)額外的階距信息。另一 類是其階距根據(jù)量化器的輸出來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，或等效的用輸出編碼信號(hào)來(lái)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，這類自適應(yīng)量化方案稱為反饋?zhàn)赃m應(yīng)量化器。自適應(yīng)量化的基本思想是：讓量化間隔 )(t?的變化，與輸入信號(hào)方差相匹配，即量化器階距隨輸入信號(hào)的方差而變化，它正比于量化器輸入信號(hào)的方差。 圖 所示為采用固定預(yù)測(cè)并帶有自適應(yīng)量化的 ADPCM 系統(tǒng)。即自適應(yīng)措施。 III 自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 ADPCM 前述概要地介紹了 DPCM 的工作原理。由于相鄰樣值的差值比樣值本身小，可以用較少的比特?cái)?shù)表示差值。 圖 DPCM原理圖 在 PCM 中，每個(gè)波形樣值都獨(dú)立編碼，與其他樣值無(wú)關(guān)，樣值的整個(gè)幅值編碼需要較多位數(shù)，比特率較高，數(shù)字化的信號(hào)帶寬大。他們的和，即 )(kSr 作為預(yù)測(cè)器確定下一個(gè)信號(hào)估算值的輸入信號(hào)。 DPCM 系統(tǒng)實(shí)際就是一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，采用這種結(jié)構(gòu)可以避免量化誤差的積累。此刻， )1(e ?kS 是對(duì) S（ k）的預(yù)測(cè)值，而不是過(guò)去樣本的實(shí)際值。根據(jù)過(guò)去的樣本去估算下一個(gè)樣本信號(hào)幅度大小，這個(gè)值稱為預(yù)測(cè)值，對(duì)實(shí)際信號(hào)值與預(yù)測(cè) II 值之差進(jìn)行量化編碼，從而就減少了表示每個(gè)樣本信號(hào)的位數(shù)。 差分脈沖編碼調(diào)制 DPCM 差分脈沖編碼調(diào)制 DPCM 是利用樣本與樣本之間存在的信息冗余度（預(yù)測(cè)樣值與當(dāng)前樣值之差）來(lái)代替樣值本身進(jìn)行編碼的一種數(shù)據(jù)壓縮技術(shù) [10]。 編碼，就是用一組二進(jìn)制碼組來(lái)表示每一個(gè)有固定電平的量化值。 非均勻量化根據(jù)幅度的不同區(qū)間來(lái)確定量化間隔，幅度小的區(qū)間量化間隔取得小，幅度大的區(qū)間量化間隔取得大。 量化級(jí)數(shù)越多誤差越小，相應(yīng)的二進(jìn)制碼位數(shù)越多，要求傳輸速率越高，頻帶越寬。 量化誤差：量化后的信號(hào)和抽樣信號(hào)的差值。抽樣速率采用 8KHZ。該模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣后還應(yīng)當(dāng)包含原信號(hào)中所有信息，也就是說(shuō)能無(wú)失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)。脈沖編碼調(diào)制就是對(duì)模擬信號(hào)先抽樣，再對(duì)樣值幅度量化，編碼的過(guò)程 [9]。 m 轉(zhuǎn)為 Verilog，使用 Matlab和 Modesim聯(lián)合仿真驗(yàn)證 二：系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。 課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)課題 : ADPCM編解碼器的實(shí)現(xiàn) 姓 名 : 專 業(yè) : 集成電路設(shè)計(jì)與集成系統(tǒng) 學(xué) 號(hào) : 日 期 指 導(dǎo)教師 : I 一：課程設(shè)計(jì)任務(wù)與要求。 ADPCM編解碼器的實(shí)現(xiàn)。 脈沖編碼調(diào)制 PCM 脈沖編碼調(diào)制就是把一個(gè)時(shí)間連續(xù)，取值連續(xù)的模擬信號(hào)變換成時(shí)間離散，取值離散的數(shù)字信號(hào)后在信道中傳輸。 抽樣，就是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行周期性掃描，把時(shí)間上連續(xù)的信號(hào)變成時(shí)間上離散的信號(hào)，抽樣必須遵循奈奎斯 特抽樣定理。它的抽樣速率的下限是由抽樣定理確定的。 量化，就是把經(jīng)過(guò)抽樣得到的瞬時(shí)值將其幅度離散，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時(shí)抽樣值用最接近的電平值來(lái)表示 ,通常是用二進(jìn)制表示。量化誤差在接收端表現(xiàn)為噪聲，稱為量化噪聲。 為使量化噪聲盡可能小而所需碼位數(shù)又不太多，通常采用非均勻量化的方法進(jìn)行量 化。 一個(gè)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)抽樣量化后，得到已量化的脈沖幅度調(diào)制信號(hào)，它僅為有限個(gè)數(shù)值。然而，實(shí)際上量化是在編碼過(guò)程中同時(shí)完成的，故編碼過(guò)程也稱為模 /數(shù)變換，可記作 A/D。差分脈沖編 碼調(diào)制可以實(shí)現(xiàn)在量化臺(tái)階不變（即量化噪聲不變）的情況下，編碼位數(shù)顯著減少，信號(hào)帶寬大大壓縮。 差分脈沖編碼的概念，如圖 ，差分信號(hào) d(k)是離散輸入信號(hào) s(k)和預(yù)測(cè)器輸出的估計(jì)值 )1(e ?kS 之差。DPCM 系統(tǒng)實(shí)際上就是對(duì)這個(gè)差值的 d(k)進(jìn)行量化編碼，用來(lái)補(bǔ)償過(guò)去編碼中產(chǎn)生的量化誤差。重建新號(hào) )(kSr 是由逆量化器產(chǎn)生的量化差分信號(hào) )(kdq ，與對(duì)過(guò)去樣本信號(hào)的估算值 )1( ?kSe求和得到。由于在發(fā)送端和接收端都使用相同的逆量化器和預(yù)測(cè)器，所以接收端的重建信號(hào) )(kSr 可以傳送信號(hào) I(k)中獲得。然而，大多數(shù)以奈奎 斯特或更高速率抽樣的信源信號(hào)在相鄰抽樣間表現(xiàn)出很強(qiáng)的相關(guān)性，利用信源的這種相關(guān)性，一種比較簡(jiǎn)潔的解決方案是對(duì)相鄰樣值的差值而不是樣值本身進(jìn)行編碼。如果將樣值之差仍用 N位編碼傳送，則 DPCM 的量化信噪比顯然優(yōu)于 PCM 系統(tǒng)。但為了能進(jìn)一步提高 DPCM 方式的質(zhì)量還需要采取一些輔助措施。語(yǔ)聲信號(hào)的變化是因人、因時(shí)而不同的，為了能在相當(dāng)寬的變化范圍內(nèi)仍能得到最佳的 性能， DPCM 也需要自適應(yīng)系統(tǒng)，自適應(yīng)預(yù)測(cè)和自適應(yīng)量化，稱為 ADPCM。圖中多電平量化與調(diào)制器用 Q表示，積分器用 P組成的預(yù)測(cè)系統(tǒng)表示。現(xiàn)有的自適應(yīng)量化方案有兩類 :一類是其輸入幅度或方差由輸入信號(hào)本身估算，這種方案叫前饋?zhàn)赃m應(yīng)量化器。 無(wú)論是采用前饋式還是反饋式，自適應(yīng)量化都可以改善動(dòng)態(tài)范圍及信噪比。但是在重建信號(hào)輸出時(shí)，傳輸中的誤碼對(duì)質(zhì)量的影響比較敏感，在前饋控制時(shí)，要求碼字和階距一起，用來(lái)得出信號(hào)。不論是前饋型還是反饋型自適應(yīng)量化都可以希望得到超過(guò)相同電平數(shù)固定量化的 10~20dB 的改善。自適應(yīng)量化和自適應(yīng)預(yù)測(cè)都可以是前饋型的或是反饋型的。如果信號(hào) )(tFS 的樣值用 S(n)表示， )(39。 nd 表示， )(dtF的樣值用 )(dn 表示，則當(dāng)采用線性預(yù)測(cè)，即 )(39。要使預(yù)測(cè)系數(shù) )(nak 自適應(yīng)，通常是假定短時(shí)間內(nèi)語(yǔ)聲信號(hào)的參量保持恒定的。 IV （ a）編碼器 （ b）解碼器 圖 ADPCM 原理圖 編碼過(guò)程 編碼的核心思想是對(duì)輸入信號(hào)與預(yù)測(cè)信號(hào)差值進(jìn)行編碼和預(yù)測(cè)，采用的是非均勻量化，為了使不同幅值的信號(hào)信噪比接近一致，從而避免大幅值語(yǔ)音信號(hào)信噪比大而小幅值語(yǔ)音信號(hào)信噪比小 [12]。輸入 Si 是一個(gè)線性 16bit 補(bǔ)碼PCM 數(shù)據(jù)，其范圍在 32767 到 32767 之間。經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)器出來(lái)的預(yù)測(cè)采樣值 Sp= ( 1)pXn? ，與線性輸入 Si的 差值為 d，我們就可以在這個(gè)差值上進(jìn)行處理。 具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下，首先計(jì)算 16位的 PCM值的當(dāng)前采樣值 Si和上一時(shí)刻預(yù)測(cè)采樣值 ( 1)pXn?之間的差值 d，這個(gè)差值的量化編碼即輸出 4位 ADPCM 值 I(k)。一個(gè)表為索引調(diào)整表，其輸入為差值量化編碼 I(k)，用來(lái)更 新步長(zhǎng)索引。編碼時(shí)，首先用上一個(gè)采樣點(diǎn)的步長(zhǎng)索引查步長(zhǎng)調(diào)整表求出步長(zhǎng) q。如果該差值絕對(duì)值大于步長(zhǎng) q，則 I的 D2位置 1。如果以上條件不滿足，則相應(yīng)位置 0。然后編碼值 I(k)作為索引調(diào)整表的輸入，查 表輸出索引調(diào)整，并和結(jié)構(gòu)變量中原步長(zhǎng)索引相加，產(chǎn)生新的步長(zhǎng)索引，在下一個(gè)采樣值的編碼中使用。 圖 概括起來(lái)其主要步驟如下 ① 計(jì)算 Si 與自適應(yīng)預(yù)測(cè)器輸出 ( 1)pXn? 的差值 )1(i ??? nXSd p ； ② 通過(guò)自適應(yīng)量化 模塊