基于ARM的嵌入式語音存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了有效地節(jié)省語音數(shù)據(jù)的傳輸帶寬和存儲系統(tǒng)的磁盤空間，需要在保證語音質(zhì)量的前提下盡可能降低其編碼比特率。本設(shè)計(jì)采用經(jīng)過優(yōu)化的G．729語音壓縮編譯碼算法，以ARM處理器為載體，開發(fā)的嵌入式語音存儲系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)語音信號的海量存儲，而且處理速度快、可靠性好、擴(kuò)展方便。通過嚴(yán)格的測試和評估，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對大量語音數(shù)據(jù)的壓縮和記錄，各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到了預(yù)期的水平。

關(guān)鍵詞：ARM；語音壓縮；G．729；語音存儲

1 系統(tǒng)控制核心

嵌入式操作系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由硬件層、驅(qū)動層、系統(tǒng)層和應(yīng)用層組成。硬件層包括嵌入式處理器最小系統(tǒng)、存儲器(SD RAM、Flash、ROM等)、通用設(shè)備接口和I／O接口(A／D、D／A、I／O等)，其中Linux實(shí)時操作系統(tǒng)和應(yīng)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(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式處理器最小系統(tǒng)。中間的驅(qū)動層將上層軟件和底層硬件分離開，為其連接提供接口。系統(tǒng)層主要負(fù)責(zé)軟件硬資源的分配、內(nèi)存管理、任務(wù)調(diào)度、文件處理等，是軟件層的核心。應(yīng)用層為用戶提供編程接口，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能。

1．1 系統(tǒng)軟件核心

Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核主要由進(jìn)程調(diào)度、內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)接口、進(jìn)程間通信五個子系統(tǒng)組成，各個子系統(tǒng)之間都存在著不可分割的依賴關(guān)系。內(nèi)核為設(shè)備驅(qū)動提供支持，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制與應(yīng)用；設(shè)備驅(qū)動為上層提供標(biāo)準(zhǔn)接口，完成硬件細(xì)節(jié)的封裝?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)需要對內(nèi)核模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟脺p，制作出理想、實(shí)用的操作系統(tǒng)。

1．2 系統(tǒng)硬件核心

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

2 G．729算法概述

2．1 G．729編碼原理

G．729編碼標(biāo)準(zhǔn)采用CS-ACELP語音壓縮編碼技術(shù)，其核心原理是線性預(yù)測和二級量化。每個10 ms的語音幀包含80個采樣點(diǎn)，在每個這樣的語音中都要進(jìn)行線性預(yù)測(LP)分析，計(jì)算出LP濾波器系數(shù)，再轉(zhuǎn)換為線性譜對參數(shù)(Line Spectrum Pari，LSP)，并使用有兩個階段

的預(yù)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音和合成語音的誤差感覺加權(quán)最小為準(zhǔn)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(shù)(固定碼書參數(shù)和自適應(yīng)碼書參數(shù))每個子幀(5 ms幀長，40個采樣點(diǎn))確定一次，感覺加權(quán)濾波器的系數(shù)由未量化的LP系數(shù)產(chǎn)生。

2．2 G．729解碼原理

解碼是編碼的逆過程，其原理為：首先從獲得的碼流中提取出參數(shù)的索引，這些參數(shù)包括LP濾波器系數(shù)、自適應(yīng)碼書矢量以及固定碼書矢量和增益，它們分別解碼后，可獲得一個LSP系數(shù)、兩個音節(jié)延遲、兩組自適應(yīng)碼書和固定碼書增益等對應(yīng)于10 ms語音幀的編碼器參數(shù)。

然后將LSP系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插操作，轉(zhuǎn)換為每個5 ms子幀的LP濾波器系數(shù)，再對每個子幀進(jìn)行如下操作：

①經(jīng)各自增益縮放的自適應(yīng)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LPC合成濾波器，得到重建語音；

③重建的語音信號經(jīng)過各種濾波器的后續(xù)處理，實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)。其基本原則如下：首先計(jì)算出K維碼本里的各個碼字矢量的平均值并存儲起來；然后求出輸入信號矢量平均值和各個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(yīng)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，減少了搜索時間，并沒有改變矢量量化的精度。

3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。S3C2440A作為整個系統(tǒng)的主控芯片，DC電源、復(fù)位電路、時鐘電路作用于系統(tǒng)的每個部分；存儲模塊包括SDRAM、Flash以及外接的CF或SD卡等；調(diào)試模塊包括JTAG接口、RS232接口以及網(wǎng)絡(luò)接口三個部分；音頻模塊的主要工作由編解碼器UDA1 341完成，擴(kuò)展接口由USB接口、IDE接口構(gòu)成，交互模塊由TFT LCD和觸摸屏構(gòu)成。其中，音頻模塊和IDE擴(kuò)展接口是研究的重點(diǎn)。