MSP430 的語音與音頻壓縮／解壓縮技術(shù)

作者　Christian Hernitscheck  MSP430 應(yīng)用，歐洲

摘要：本應(yīng)用報(bào)告將介紹 IMA 自適應(yīng)差分脈沖代碼調(diào)制 (ADPCM) 的壓縮／解壓縮算法，討論在 MSP430 上使用 ADPCM 庫的相關(guān)步驟。我們?cè)诮榻B ADPCM 庫的使用時(shí)，將給出兩種均采用 MSP430 微控制器片上信號(hào)鏈解決方案的語音記錄器實(shí)例。

1 引言

　　采用微控制器 (MCU) 來實(shí)施語音記錄器比較簡(jiǎn)單。許多 MCU 均采用集成模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器。擴(kuò)音器將捕獲到的聲音提供給放大器，然后再饋送給 A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入?？蓪浿频穆曇舸鎯?chǔ)在閃存或 RAM 等存儲(chǔ)器中，按下按鈕就能觸發(fā) MCU 以播放錄制到的聲音，其原理是將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)先提供給數(shù)模 (D/A) 轉(zhuǎn)換器，然后再提供給音頻功率放大器。

　　利用 MSP430 很容易實(shí)現(xiàn)這種語音記錄器。MSP430 微控制器利用集成外設(shè)來實(shí)現(xiàn)片上模擬信號(hào)鏈。此外，MSP430 的 CPU 處理能力非常強(qiáng)大，足以執(zhí)行錄制聲音的壓縮。

2 壓縮與解壓縮算法

　　舉例來說，實(shí)現(xiàn)語音記錄器的最簡(jiǎn)單辦法就是將 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換結(jié)果（如 12 位采樣）直接存儲(chǔ)在閃存中。音頻數(shù)據(jù)大多數(shù)時(shí)間都不使用整個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器范圍，也就是說，冗余數(shù)據(jù)也存儲(chǔ)在閃存中。壓縮算法可去除這些冗余信息，從而減小所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的容量。

　　自適應(yīng)差分脈沖代碼調(diào)制 (ADPCM) 就是此種類型的壓縮算法。ADPCM 算法存在各種類型，但都使用量化器差分編碼與量化器中自適應(yīng)量化階步長(zhǎng)方案。在進(jìn)一步討論 IMA ADPCM 算法用于相關(guān)代碼之前，我們首要來簡(jiǎn)單介紹一下差分 PCM 編碼。

2.1 差分脈沖代碼調(diào)制 (DPCM)
　　DPCM 通過使用當(dāng)前采樣與前一個(gè)采樣的差值來對(duì)模擬音頻輸入信號(hào)進(jìn)行編碼。圖 1 顯示了DPCM 編碼器與解碼器的結(jié)構(gòu)圖。在本例中，我們用信號(hào)估算 Se(n) 而非前一個(gè)輸入來決定信號(hào)差值 d(n)，從而確保了編碼器使用的信息與解碼器相同。如果編碼器使用的是上一個(gè)輸入采樣的話，那么就會(huì)造成量化的累積錯(cuò)誤，從而使重建信號(hào)與原始輸入信號(hào)不同。通過采用如圖 1 所示的信號(hào)估算，我們能避免重建信號(hào) Sr(n) 與原始輸入信號(hào)出現(xiàn)差異。重建信號(hào) Sr(n) 是預(yù)測(cè)器 (predictor) 的輸入，其決定了下一個(gè)信號(hào)估算 Se(n+1)。

　 
                         圖 1. DPCM 編碼器與解碼器結(jié)構(gòu)圖
　　圖 2 顯示了一小段錄制音頻流，并通過兩個(gè)示意圖給出了模擬音頻輸入采樣（PCM 值）與連續(xù)采樣（DPCM 值）間差值的比較。

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　　PCM 值的范圍在 26 到 203 之間，總共 177 個(gè)步長(zhǎng)。編碼的 DPCM 值范圍在 –44 至 46之間，總共 90 個(gè)步長(zhǎng)。盡管量化器步長(zhǎng)僅為 1，但這種 DPCM 編碼已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了輸入數(shù)據(jù)的壓縮功能。只需選擇較大的量化器步長(zhǎng)即可將編碼 DPCM 值的范圍進(jìn)一步縮小。

　
                              圖 2. 8 位音頻數(shù)據(jù)與連續(xù)采樣差值的比較
　　                               ?。ú罘?PCM 步長(zhǎng) = 1）

2.2適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制 (ADPCM)
　　ADPCM 是 DPCM 的一個(gè)變體，編碼器步長(zhǎng)會(huì)有差異。語音輸入信號(hào)的強(qiáng)度差異體現(xiàn)在不同的揚(yáng)聲器器上，也體現(xiàn)在語音輸入信號(hào)的語音和非語音部分上。量化器步長(zhǎng)對(duì)每個(gè)采樣都進(jìn)行適應(yīng)調(diào)節(jié)，確保高低輸入信號(hào)強(qiáng)度都能實(shí)現(xiàn)同樣的編碼效率。圖 3 顯示了采用步長(zhǎng)調(diào)節(jié)技術(shù)的修訂版 DPCM結(jié)構(gòu)圖。

 
                                 圖 3. ADPCM 編碼器和解碼器結(jié)構(gòu)圖

　　ADPCM 編碼器通過解碼 ADPCM 代碼進(jìn)行信號(hào)估算 (Se)，這就是說，解碼器是 ADPCM 編碼器的一部分，因此已經(jīng)編碼的音頻數(shù)據(jù)流只能用解碼器進(jìn)行重放，這樣解碼器就必須對(duì)編碼器加以跟蹤。

　　最初的編碼器和解碼器信號(hào)估算等級(jí)以及步長(zhǎng)大小調(diào)節(jié)等級(jí)必須在開始編碼或解碼前就加以定義，否則，編碼或解碼的值就會(huì)超過范圍。

3  MSP430 片上信號(hào)鏈

　　MSP430 系列微控制器支持多種片上外設(shè)。為了實(shí)現(xiàn)完整的片上信號(hào)鏈解決方案，MSP430 至少必須提供 1 個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器模擬輸入和 1 個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器。下面我們將介紹兩種 MSP430 解決方案。

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3.1  MSP430F169 片上信號(hào)鏈解決方案
　　MSP430F169 包括 1 個(gè)集成 12 位 SAR A/D 轉(zhuǎn)換器，作為一種硬件乘法器模塊，它能高效支持?jǐn)?shù)字濾波器，此外 MSP430F169 還包括 1 個(gè)集成 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器模塊。圖 4 給出了 MSP430F169 信號(hào)鏈電路圖。

　
                                  圖 4. MSP430F169 片上信號(hào)鏈解決方案
　　上述配置也適合采用外部串行閃存的情況，從而可以滿足音頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求。外部閃存可通過 MSP430 的 I2C 或 SPI 接口來連接。MSP430F169 DMA 模塊可自動(dòng)將接收到的數(shù)據(jù)傳輸給 RAM，從而大幅降低了 CPU 的負(fù)載。

3.2  MSP430FG4618 片上信號(hào)鏈解決方案
　　我們用 MSP430FG4618 可以實(shí)現(xiàn)另一種片上信號(hào)鏈解決方案。MSP430F169 可支持 60 KB 的集成閃存，而 MSP430FG4618 則可支持 116 KB 的閃存。MSP430FG4618 的另一優(yōu)勢(shì)在于，它還集成了運(yùn)算放大器模塊。運(yùn)算放大器可用于放大擴(kuò)音器的輸入及數(shù)模轉(zhuǎn)換器的模擬輸出。圖 5 顯示了 MSP430FG4618 信號(hào)鏈電路圖。具體配置采用的是 TI 推出的 MSP430FG4618/F2013 試驗(yàn)板。該評(píng)估板可與相關(guān)代碼示例配合使用。

　 
                                       圖  5. MSP430FG4618 片上信號(hào)鏈解決方案

　　擴(kuò)音器的輸出信號(hào)非常小，必須放大。MSP430 的運(yùn)算放大器可用于不同的運(yùn)算模式。如果用于 PGA 模式，那么最大只能放大到 15 倍，對(duì)擴(kuò)音器放大器來說還不夠。因此，需要通過外部組件來加大增益。圖 5 中的運(yùn)算放大器 OA0 即用于通用放大器模式。放大器共有 8 種設(shè)置方式，可以使增益－帶寬乘積和轉(zhuǎn)換率等性能與電流消耗達(dá)到最佳平衡。圖中的所有放大器 OA0、OA1 及 OA2 均采用了高性能模式（快速模式）。

　　如欲了解有關(guān)運(yùn)算放大器使用的更多詳情，敬請(qǐng)參見 MSP430FG4618/F2013 試驗(yàn)板用戶指南。

　　利用通用串行通信接口 (USCI) 可將音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部閃存中。我們也可通過 I2C 總線或 SPI 總線與外部存儲(chǔ)器相連。
 
4  MSP430 性能

　　相關(guān)代碼文件中有一些 *.wav 文件示例，可表明解碼 ADPCM 數(shù)據(jù)的質(zhì)量。我們可在 PC 上用媒體播放器等軟件來比較這些文件，這樣就能體驗(yàn) ADPCM 壓縮算法的實(shí)際質(zhì)量了。請(qǐng)注意，通過提高音頻采樣率和音頻采樣大小（解析度），我們可以進(jìn)一步提高音頻質(zhì)量。

4.1 使用相關(guān)代碼
　　相關(guān)代碼中包含了兩個(gè)軟件項(xiàng)目，這兩個(gè)版本都基于第三部分中所介紹的內(nèi)容，也都采用 IMA ADPCM 算法。

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　　ADPCM 函數(shù)的使用非常簡(jiǎn)單。首先，必須在應(yīng)用代碼中包含 ADPCM.h 首標(biāo)文件。該首標(biāo)文件定義了 ADPCM.c 文件的 ADPCM 函數(shù)。在每次音頻數(shù)據(jù)的錄制或重放工作之前，必須調(diào)用 ADPCM_Init() 函數(shù)。該函數(shù)定義了信號(hào)估算 (Se) 的起始值以及用作量化器步長(zhǎng)調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)指針。編碼器和解碼器通過設(shè)置可實(shí)現(xiàn)同步。調(diào)用 ADPCM_Encoder(int value) 函數(shù)就能進(jìn)行編碼，每個(gè)音頻采樣調(diào)用 ADPCM_Decoder() 函數(shù)就能進(jìn)行回放。以下代碼段顯示了如何完成上述工作。
#include "ADPCM.h"
void main(void)
{ // 應(yīng)用軟件初始化
　　while(1) // 主循環(huán)
　　　{ // 應(yīng)用軟件
　　　　　if (P1IN & 0x01)
　　　　　　record();
　　　　　if (P1IN & 0x02)
　　　　　　play();
　　　}
}
void record(void)
{ // 初始化后，以便 A/D 轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、放大器等的錄制
　　ADPCM_Init(); // 須在開始錄制之前完成
　　// 開始錄制
}
void play(void)
{ //初始化后，以便 A/D 轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、放大器等的錄制
　　ADPCM_Init(); //須在開始錄制之前完成
　　// 開始回放
}

　　接下來，我們用 IAR Embedded Workbench™ KickStart™ version 3.42A 來測(cè)量 ADPCM 函數(shù)執(zhí)行的次數(shù)。測(cè)量時(shí)，采用的是默認(rèn)優(yōu)化設(shè)置。

　　ADPCM_Encoder() 函數(shù)調(diào)用需要 114～126 個(gè)循環(huán)。
　　ADPCM_Decoder() 函數(shù)調(diào)用需要 99～109 個(gè)循環(huán)。
　　請(qǐng)注意，這只包含壓縮／解壓縮算法。要實(shí)現(xiàn)錄制和回放功能，還需要更多代碼。

5 參考書目

1. MSP430x4xx 系列用戶指南 (SLAU056)
2. MSP430F169 產(chǎn)品說明書 (SLAS368)
3. MSP430FG4618 產(chǎn)品說明書 (SLAS508)
4. 基于 TMS32010 的 32kbps ADPCM (SPRA131)
5. 基于 MSP430F13x 的低成本 12 位語音編解碼器設(shè)計(jì) (SLAA131)
6. MSP430FG4618/F2013試驗(yàn)板用戶指南（SLAU213）