基于A(yíng)RM的嵌入式語(yǔ)音存儲系統設計

摘要：為了有效地節省語(yǔ)音數據的傳輸帶寬和存儲系統的磁盤(pán)空間，需要在保證語(yǔ)音質(zhì)量的前提下盡可能降低其編碼比特率。本設計采用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的G．729語(yǔ)音壓縮編譯碼算法，以ARM處理器為載體，開(kāi)發(fā)的嵌入式語(yǔ)音存儲系統可實(shí)現語(yǔ)音信號的海量存儲，而且處理速度快、可靠性好、擴展方便。通過(guò)嚴格的測試和評估，該系統能夠實(shí)現對大量語(yǔ)音數據的壓縮和記錄，各項指標基本達到了預期的水平。

關(guān)鍵詞：ARM；語(yǔ)音壓縮；G．729；語(yǔ)音存儲

1 系統控制核心

嵌入式操作系統軟硬件結構框圖如圖1所示，由硬件層、驅動(dòng)層、系統層和應用層組成。硬件層包括嵌入式處理器最小系統、存儲器(SD RAM、Flash、ROM等)、通用設備接口和I／O接口(A／D、D／A、I／O等)，其中Linux實(shí)時(shí)操作系統和應用程序都可以固化在ROM中。硬件層的核心是嵌入式處理器，在一片嵌入式處理器基礎上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲器電路，就構成了一個(gè)嵌入式處理器最小系統。中間的驅動(dòng)層將上層軟件和底層硬件分離開(kāi)，為其連接提供接口。系統層主要負責軟件硬資源的分配、內存管理、任務(wù)調度、文件處理等，是軟件層的核心。應用層為用戶(hù)提供編程接口，實(shí)現各種應用功能。

1．1 系統軟件核心

Linux操作系統的內核主要由進(jìn)程調度、內存管理、虛擬文件系統、網(wǎng)絡(luò )接口、進(jìn)程間通信五個(gè)子系統組成，各個(gè)子系統之間都存在著(zhù)不可分割的依賴(lài)關(guān)系。內核為設備驅動(dòng)提供支持，實(shí)現設備控制與應用；設備驅動(dòng)為上層提供標準接口，完成硬件細節的封裝?？梢愿鶕?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/設計">設計需要對內核模塊進(jìn)行適當的裁減，制作出理想、實(shí)用的操作系統。

1．2 系統硬件核心

Samsung公司的S3C2440A處理器是一款以手持設備為主而設汁的芯片。這款處理器支持NOR Flash和NAND Flash啟動(dòng)方式，內部集成LCD、I2C總線(xiàn)、AC97、Camera等控制器。提供豐富的接口資源，方便與外設連接，易于擴展。

2 G．729算法概述

2．1 G．729編碼原理

G．729編碼標準采用CS-ACELP語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)，其核心原理是線(xiàn)性預測和二級量化。每個(gè)10 ms的語(yǔ)音幀包含80個(gè)采樣點(diǎn)，在每個(gè)這樣的語(yǔ)音中都要進(jìn)行線(xiàn)性預測(LP)分析，計算出LP濾波器系數，再轉換為線(xiàn)性譜對參數(Line Spectrum Pari，LSP)，并使用有兩個(gè)階段

的預測矢量量化器(Vector Quantization，VQ)進(jìn)行18比特量化。然后編碼器以原始語(yǔ)音和合成語(yǔ)音的誤差感覺(jué)加權最小為準則采用A-B-S(Analysis-By-Synthesis，分析合成)方法搜索激勵信號，激勵參數(固定碼書(shū)參數和自適應碼書(shū)參數)每個(gè)子幀(5 ms幀長(cháng)，40個(gè)采樣點(diǎn))確定一次，感覺(jué)加權濾波器的系數由未量化的LP系數產(chǎn)生。

2．2 G．729解碼原理

解碼是編碼的逆過(guò)程，其原理為：首先從獲得的碼流中提取出參數的索引，這些參數包括LP濾波器系數、自適應碼書(shū)矢量以及固定碼書(shū)矢量和增益，它們分別解碼后，可獲得一個(gè)LSP系數、兩個(gè)音節延遲、兩組自適應碼書(shū)和固定碼書(shū)增益等對應于10 ms語(yǔ)音幀的編碼器參數。

然后將LSP系數進(jìn)行內插操作，轉換為每個(gè)5 ms子幀的LP濾波器系數，再對每個(gè)子幀進(jìn)行如下操作：

①經(jīng)各自增益縮放的自適應矢量和固定碼本矢量相加，得到重建的激勵信號；

②將激勵信號通過(guò)LPC合成濾波器，得到重建語(yǔ)音；

③重建的語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)各種濾波器的后續處理，實(shí)現信號的放大和改善。

2．3 G．729算法優(yōu)化

在G．729編碼算法中，采用量化碼本結構。其基本原則如下：首先計算出K維碼本里的各個(gè)碼字矢量的平均值并存儲起來(lái)；然后求出輸入信號矢量平均值和各個(gè)碼字矢量平均值的均方誤差值；最后用遍歷法找到這些均方誤差中的最小值Dmin，與之相對應的碼字即為最佳逼近碼字。采用這種搜索方法加快了編碼速度，減少了搜索時(shí)間，并沒(méi)有改變矢量量化的精度。

3 系統硬件結構

系統硬件結構框圖如圖2所示。S3C2440A作為整個(gè)系統的主控芯片，DC電源、復位電路、時(shí)鐘電路作用于系統的每個(gè)部分；存儲模塊包括SDRAM、Flash以及外接的CF或SD卡等；調試模塊包括JTAG接口、RS232接口以及網(wǎng)絡(luò )接口三個(gè)部分；音頻模塊的主要工作由編解碼器UDA1 341完成，擴展接口由USB接口、IDE接口構成，交互模塊由TFT LCD和觸摸屏構成。其中，音頻模塊和IDE擴展接口是研究的重點(diǎn)。