關鍵詞： 技術 , 壓縮 , 音頻 , 語音

本應用報告將介紹 IMA 自適應差分脈沖代碼調制 (ADPCM) 的壓縮／解壓縮算法，討論在 MSP430 上使用 ADPCM 庫的相關步驟。我們在介紹 ADPCM 庫的使用時，將給出兩種均采用 MSP430 微控制器片上信號鏈解決方案的語音記錄器實例。
1 引言
　　采用微控制器 (MCU) 來實施語音記錄器比較簡單。許多 MCU 均采用集成模數 (A/D)轉換器。擴音器將捕獲到的聲音提供給放大器，然后再饋送給 A/D 轉換器的模擬輸入?？蓪浿频穆曇舸鎯υ陂W存或 RAM等存儲器中，按下按鈕就能觸發 MCU 以播放錄制到的聲音，其原理是將存儲的數據先提供給數模 (D/A) 轉換器，然后再提供給音頻功率放大器。
　　利用 MSP430 很容易實現這種語音記錄器。MSP430 微控制器利用集成外設來實現片上模擬信號鏈。此外，MSP430 的 CPU 處理能力非常強大，足以執行錄制聲音的壓縮。

2 壓縮與解壓縮算法
　　舉例來說，實現語音記錄器的最簡單辦法就是將 A/D 轉換器轉換結果（如 12 位采樣）直接存儲在閃存中。音頻數據大多數時間都不使用整個 A/D 轉換器范圍，也就是說，冗余數據也存儲在閃存中。壓縮算法可去除這些冗余信息，從而減小所存儲數據的容量。
　　自適應差分脈沖代碼調制 (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量化階步長方案。在進一步討論 IMA ADPCM 算法用于相關代碼之前，我們首要來簡單介紹一下差分 PCM 編碼。
2.1 差分脈沖代碼調制 (DPCM)
　　DPCM通過使用當前采樣與前一個采樣的差值來對模擬音頻輸入信號進行編碼。圖 1 顯示了DPCM 編碼器與解碼器的結構圖。在本例中，我們用信號估算Se(n) 而非前一個輸入來決定信號差值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輸入采樣的話，那么就會造成量化的累積錯誤，從而使重建信號與原始輸入信號不同。通過采用如圖 1 所示的信號估算，我們能避免重建信號 Sr(n) 與原始輸入信號出現差異。重建信號 Sr(n) 是預測器(predictor) 的輸入，其決定了下一個信號估算 Se(n+1)。

                         圖 1. DPCM 編碼器與解碼器結構圖
　　圖 2 顯示了一小段錄制音頻流，并通過兩個示意圖給出了模擬音頻輸入采樣（PCM 值）與連續采樣（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 個步長。編碼的 DPCM 值范圍在 –44 至 46之間，總共 90個步長。盡管量化器步長僅為 1，但這種 DPCM 編碼已經實現了輸入數據的壓縮功能。只需選擇較大的量化器步長即可將編碼 DPCM值的范圍進一步縮小。

                              圖 2. 8 位音頻數據與連續采樣差值的比較
　　                               　（差分 PCM 步長 = 1）
2.2適應差分脈沖編碼調制 (ADPCM)
　　ADPCM 是 DPCM的一個變體，編碼器步長會有差異。語音輸入信號的強度差異體現在不同的揚聲器器上，也體現在語音輸入信號的語音和非語音部分上。量化器步長對每個采樣都進行適應調節，確保高低輸入信號強度都能實現同樣的編碼效率。圖 3 顯示了采用步長調節技術的修訂版 DPCM結構圖。

                                 圖 3. ADPCM 編碼器和解碼器結構圖
　　ADPCM 編碼器通過解碼 ADPCM 代碼進行信號估算 (Se)，這就是說，解碼器是 ADPCM 編碼器的一部分，因此已經編碼的音頻數據流只能用解碼器進行重放，這樣解碼器就必須對編碼器加以跟蹤。
　　最初的編碼器和解碼器信號估算等級以及步長大小調節等級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超過范圍。
3  MSP430 片上信號鏈
　　MSP430 系列微控制器支持多種片上外設。為了實現完整的片上信號鏈解決方案，MSP430 至少必須提供 1 個 A/D 轉換器模擬輸入和 1 個 D/A 轉換器。下面我們將介紹兩種 MSP430 解決方案。
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3.1  MSP430F169 片上信號鏈解決方案
　　MSP430F169 包括 1 個集成 12 位 SAR A/D 轉換器，作為一種硬件乘法器模塊，它能高效支持數字濾波器，此外 MSP430F169 還包括 1 個集成 12 位 D/A 轉換器模塊。圖 4 給出了 MSP430F169 信號鏈電路圖。