[發明專利]基于FPGA的IMA-ADPCM編解碼IP核的設計實現

無效

• 申請號: 201110435168.1
• 申請日: 2011-12-22
• 公開（公告）號: CN102737140A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 楊軍;王小軍;趙嘎;舒平平;張偉平;董寅;陳成;張凱;杜琛
• 申請（專利權）人: 云南大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明從IMA-ADPCM的基本原理入手，分模塊逐步剖析各部分功能，利用Verilog硬件描述語言編程設計實現了一個基于FPGA的可靈活配置的IMA-ADPCM編解碼IP核。通過仿真測試和不同芯片的實際驗證，確保此編解碼器正確性和穩定性。整個系統Verilog編程部分是在Quartus?II8.0平臺完成，仿真是在專業仿真軟件ModelSim?6.1g上完成的，仿真完后分別在Altera公司的硬件平臺DE2和DE0開發板上進行驗證。本發明充分利用了FPGA的靈活性和可配置性，仿真和硬件驗證表明，此IMA-ADPCM編解碼IP核具有硬件結構簡單、資源消耗低、可靠性高、靈活性強、速度快、性價比突出的顯著特征，具有良好的應用前景。

背景技術

IMA-ADPCM算法是互動多媒體協會（IMA）在自適應差分脈沖編碼調制（ADPCM）算法基礎上發展的設計用于娛樂多媒體應用的一種算法，它屬于自適應差分脈沖編碼調制（ADPCM）算法的一種，具有編解碼速度快，結構簡單（不嚴格要求任何乘法或浮點操作）等特點。同時該算法不局限于語音信號頻率范圍，能處理任何采樣率輸入的信號，因而能壓縮高質量的音頻信號。著名的WestWood?在它的許多游戲,?如沙丘II、命令與征服、紅色警戒等中保存聲音的數據文件(AUD?格式)?大多使用IMA-?ADPCM壓縮。另外,?該壓縮方式在手機鈴聲和MP3中的WAV錄音中得到了很好的應用。

?現場可編程門陣列（FPGA）融合了DSP和ASIC的優點，并具有可配置性強、速度快、密度高、功耗低的特點。本文針對IMA-ADPCM算法的自身特點，利用FPGA的優勢，設計和實現了IMA-ADPCM編解碼器，充分利用了FPGA上面的資源，以達到目前對IMA-ADPCM編解碼的實時性、高速度以及穩定性的要求。

發明內容

IMA-ADPCM算法是一種針對?16bits(?或8bits或者更高)?聲音波形數據的一種有損壓縮算法,它將聲音流中每次采樣的?16bit?數據以?4bit?存儲,所以壓縮比?1:4.?而且壓縮/解壓縮算法非常簡單,所以是一種低空間消耗，高質量高效率聲音獲得的好途徑。保存聲音的數據文件后綴名為?.AUD?的大多用ADPCM?壓縮。

其壓縮原理為：利用樣本間的相關性，根據前面出現的脈沖編碼調制（PCM）抽樣值對下一個抽樣進行預測，然后對輸入采樣值與預測值間的差分信號進行編碼，因為差分信號比原始語音信號的動態范圍和平均能量都小，相對來說可以用較少的位數進行表示。由于采用了自適應技術，其量化噪聲將大大減少。

由于上述原理可知，IMA-ADPCM算法是在PCM的基礎上進行操作的，因此我們需闡述下PCM相關知識：在計算機應用中，能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼，被廣泛用于素材保存及音樂欣賞，CD、DVD以及我們常見的WAV文件中均有應用。PCM中的聲音數據沒有被壓縮，如果是單聲道的文件，采樣數據按時間的先后順序依次存入。（它的基本組織單位是BYTE(8bit)或WORD(16bit)）如果是雙聲道的文件，采樣數據按時間先后順序交叉地存入。

在現實生活中的很多方面，直接把原始聲音文件進行存儲和傳播是很不經濟和方便的，不僅浪費大量的存儲空間，在互聯網上傳播由于數據量大而變得異常麻煩。因此，我們非常有必要對其進行壓縮存儲。這也是我們致力研究IMA-ADPCM編解碼IP核的最主要原因。

IMA-ADPCM是壓縮格式，它是從PCM的16位（或者8位或者更高）采樣壓縮成4位的。對于單聲道的IMA-ADPCM來說，它是將PCM的數據按時間次序依次壓縮并寫入文件中的，每個BYTE中含兩個采樣，低四位對應第一個采樣，高四位對應第二個采樣。而對于雙聲道的IMA-ADPCM來說，它的存儲相對就麻煩一些了，它是將PCM的左聲道的前8個采樣依次壓縮并寫入到一個32位的存儲字中，緊接著是右聲道的前8個采樣。依次循環，當采樣數不足8時（到數據尾端），應該把多出來的采樣用0填充。

特別注意在IMA-ADPCM進行編碼時，并不是依次把所有的數據進行壓縮保存，而是分段進行的，這樣有一個十分重要的好處：那就是在只需要文件中的某一段信息時，可以在解碼時可以只解所需數據所在的段就行了，沒有必要再從文件開始起一個一個地解碼。這對于處理大文件將有相當的優勢。同時，這樣也可以保證聲音效果。

整個IMA-ADPCM編解IP核包括兩個獨立的模塊，分別是編碼模塊和解碼模塊。下面將分別詳述這兩個模塊：

（1）?IMA-ADPCM編碼模塊