基于ARM的嵌入式語音存儲系統設計

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

關鍵詞：ARM；語音壓縮；G．729；語音存儲

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實時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、時鐘電路和存儲器電路，就構成了一個嵌入式處理器最小系統。中間的驅動層將上層軟件和底層硬件分離開，為其連接提供接口。系統層主要負責軟件硬資源的分配、內存管理、任務調度、文件處理等，是軟件層的核心。應用層為用戶提供編程接口，實現各種應用功能。

1．1 系統軟件核心

Linux操作系統的內核主要由進程調度、內存管理、虛擬文件系統、網絡接口、進程間通信五個子系統組成，各個子系統之間都存在著不可分割的依賴關系。內核為設備驅動提供支持，實現設備控制與應用；設備驅動為上層提供標準接口，完成硬件細節的封裝。可以根據設計需要對內核模塊進行適當的裁減，制作出理想、實用的操作系統。

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啟動方式，內部集成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語音壓縮編碼技術，其核心原理是線性預測和二級量化。每個10 ms的語音幀包含80個采樣點，在每個這樣的語音中都要進行線性預測(LP)分析，計算出LP濾波器系數，再轉換為線性譜對參數(Line Spectrum Pari，LSP)，并使用有兩個階段

的預測矢量量化器(Vector Quantization，VQ)進行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(固定碼書參數和自適應碼書參數)每個子幀(5 ms幀長，40個采樣點)確定一次，感覺加權濾波器的系數由未量化的LP系數產生。

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的索引，這些參數包括LP濾波器系數、自適應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、兩個音節延遲、兩組自適應碼書和固定碼書增益等對應于10 ms語音幀的編碼器參數。

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

①經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LPC合成濾波器，得到重建語音；

③重建的語音信號經過各種濾波器的后續處理，實現信號的放大和改善。

2．3 G．729算法優化

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 系統硬件結構

系統硬件結構框圖如圖2所示。S3C2440A作為整個系統的主控芯片，DC電源、復位電路、時鐘電路作用于系統的每個部分；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接口以及網絡接口三個部分；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。