基于ARM的嵌入式语音存储系统设计

摘要：为了有效地节省语音数据的传输带宽和存储系统的磁盘空间，需要在保证语音质量的前提下尽可能降低其编码比特率。本设计采用经过优化的G．729语音压缩编译码算法，以ARM处理器为载体，开发的嵌入式语音存储系统可实现语音信号的海量存储，而且处理速度快、可靠性好、扩展方便。通过严格的测试和评估，该系统能够实现对大量语音数据的压缩和记录，各项指标基本达到了预期的水平。

关键词：ARM；语音压缩；G．729；语音存储

1 系统控制核心

嵌入式操作系统软硬件结构框图如图1所示，由硬件层、驱动层、系统层和应用层组成。硬件层包括嵌入式处理器最小系统、存储器(SD RAM、Flash、ROM等)、通用设备接口和I／O接口(A／D、D／A、I／O等)，其中Linux实时操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。硬件层的核心是嵌入式处理器，在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式处理器最小系统。中间的驱动层将上层软件和底层硬件分离开，为其连接提供接口。系统层主要负责软件硬资源的分配、内存管理、任务调度、文件处理等，是软件层的核心。应用层为用户提供编程接口，实现各种应用功能。

1．1 系统软件核心

Linux操作系统的内核主要由进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口、进程间通信五个子系统组成，各个子系统之间都存在着不可分割的依赖关系。内核为设备驱动提供支持，实现设备控制与应用；设备驱动为上层提供标准接口，完成硬件细节的封装。可以根据设计需要对内核模块进行适当的裁减，制作出理想、实用的操作系统。

1．2 系统硬件核心

Samsung公司的S3C2440A处理器是一款以手持设备为主而设汁的芯片。这款处理器支持NOR Flash和NAND Flash启动方式，内部集成LCD、I2C总线、AC97、Camera等控制器。提供丰富的接口资源，方便与外设连接，易于扩展。

2 G．729算法概述

2．1 G．729编码原理

G．729编码标准采用CS-ACELP语音压缩编码技术，其核心原理是线性预测和二级量化。每个10 ms的语音帧包含80个采样点，在每个这样的语音中都要进行线性预测(LP)分析，计算出LP滤波器系数，再转换为线性谱对参数(Line Spectrum Pari，LSP)，并使用有两个阶段

的预测矢量量化器(Vector Quantization，VQ)进行18比特量化。然后编码器以原始语音和合成语音的误差感觉加权最小为准则采用A-B-S(Analysis-By-Synthesis，分析合成)方法搜索激励信号，激励参数(固定码书参数和自适应码书参数)每个子帧(5 ms帧长，40个采样点)确定一次，感觉加权滤波器的系数由未量化的LP系数产生。

2．2 G．729解码原理

解码是编码的逆过程，其原理为：首先从获得的码流中提取出参数的索引，这些参数包括LP滤波器系数、自适应码书矢量以及固定码书矢量和增益，它们分别解码后，可获得一个LSP系数、两个音节延迟、两组自适应码书和固定码书增益等对应于10 ms语音帧的编码器参数。

然后将LSP系数进行内插操作，转换为每个5 ms子帧的LP滤波器系数，再对每个子帧进行如下操作：

①经各自增益缩放的自适应矢量和固定码本矢量相加，得到重建的激励信号；

②将激励信号通过LPC合成滤波器，得到重建语音；

③重建的语音信号经过各种滤波器的后续处理，实现信号的放大和改善。

2．3 G．729算法优化

在G．729编码算法中，采用量化码本结构。其基本原则如下：首先计算出K维码本里的各个码字矢量的平均值并存储起来；然后求出输入信号矢量平均值和各个码字矢量平均值的均方误差值；最后用遍历法找到这些均方误差中的最小值Dmin，与之相对应的码字即为最佳逼近码字。采用这种搜索方法加快了编码速度，减少了搜索时间，并没有改变矢量量化的精度。

3 系统硬件结构

系统硬件结构框图如图2所示。S3C2440A作为整个系统的主控芯片，DC电源、复位电路、时钟电路作用于系统的每个部分；存储模块包括SDRAM、Flash以及外接的CF或SD卡等；调试模块包括JTAG接口、RS232接口以及网络接口三个部分；音频模块的主要工作由编解码器UDA1 341完成，扩展接口由USB接口、IDE接口构成，交互模块由TFT LCD和触摸屏构成。其中，音频模块和IDE扩展接口是研究的重点。