天地（常州）自動(dòng)化股份有限公司 孫旭峰

嵌入式終端音頻媒體格式轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

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本文介紹了一種適用于嵌入式媒體終端平臺(tái)的音頻格式轉(zhuǎn)換軟件模塊，模塊可實(shí)現(xiàn)PCMU/PCMA、LPCM和ADPCM三類音頻編碼格式之間的靈活轉(zhuǎn)換，提供支持RTP格式打包和解析功能的TCP/IP協(xié)議棧接口以及音頻芯片底層驅(qū)動(dòng)接口功能。經(jīng)測試驗(yàn)證，該模塊便于移植使用，功能穩(wěn)定。

音頻格式轉(zhuǎn)換；A/μ律PCM；ADPCM；嵌入式終端平臺(tái)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，嵌入式媒體終端憑借其靈活多變的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)形式逐漸成為工業(yè)生產(chǎn)中VOIP網(wǎng)絡(luò)終端形態(tài)的優(yōu)先選擇，例如目前礦山通訊網(wǎng)絡(luò)建立時(shí)，一般選擇使用工業(yè)以太網(wǎng)作為通訊服務(wù)器與終端節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸通道，而嵌入式多媒體終端作為終端節(jié)點(diǎn)時(shí)只需要支持相應(yīng)的底層數(shù)據(jù)接口（如TCP/IP協(xié)議棧），然后根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品形態(tài)應(yīng)用方式修改應(yīng)用層邏輯即可滿足各類終端節(jié)點(diǎn)使用需求。我公司項(xiàng)目組長期致力于工業(yè)通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)嵌入式終端音頻數(shù)據(jù)處理邏輯過程中，我們發(fā)現(xiàn)在以太網(wǎng)寬帶網(wǎng)絡(luò)中，音頻傳輸使用G.711標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)壓縮格式可以充分利用帶寬以獲得更好的音質(zhì)效果，而在終端節(jié)點(diǎn)間或板載音頻芯片之間傳輸音頻數(shù)據(jù)時(shí)，音頻格式選用壓縮比例更高的ADPCM格式傳輸更加實(shí)用。因此本項(xiàng)目組基于C語言編寫了一種音頻格式轉(zhuǎn)換軟件模塊，便于在各類嵌入式終端平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)PCMU/PCMA與ADPCM之間的音頻格式轉(zhuǎn)換。

1 音頻格式轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用方式

音頻格式轉(zhuǎn)換軟件模塊提供PCMU/A、LPCM和ADPCM三種常用音頻格式之間的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換功能，主要適用于支持音頻底層硬件功能和以太網(wǎng)接口的嵌入式媒體終端，圖1為轉(zhuǎn)換模塊在嵌入式終端中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)。

圖1 音頻轉(zhuǎn)換模塊應(yīng)用結(jié)構(gòu)

具體應(yīng)用時(shí)，首先需要完成模塊移植工作，包括從本地內(nèi)存管理模塊中分配內(nèi)存、添加音頻芯片驅(qū)動(dòng)接口和添加網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧接口三項(xiàng)工作。分配內(nèi)存主要用于為模塊運(yùn)行時(shí)處理音頻數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)空間，音頻芯片驅(qū)動(dòng)接口和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧接口移植則是為了方便在具體應(yīng)用時(shí)與網(wǎng)絡(luò)端或本地媒體模塊間進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)交互。完成移植后系統(tǒng)主程序可以通過調(diào)用模塊提供的API接口函數(shù)設(shè)置音頻格式轉(zhuǎn)換任務(wù)，設(shè)置任務(wù)時(shí)需要配置音頻源格式、目標(biāo)格式、數(shù)據(jù)包大小、數(shù)據(jù)收發(fā)接口等參數(shù)，完成設(shè)置后啟動(dòng)任務(wù)，模塊會(huì)周期性從接收接口獲取源格式音頻數(shù)據(jù)包并轉(zhuǎn)換為目標(biāo)格式后從發(fā)送接口發(fā)出。

2 音頻轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部架構(gòu)

圖2 音頻轉(zhuǎn)換模塊內(nèi)部架構(gòu)

如圖2所示，音頻轉(zhuǎn)換模塊包括核心功能模塊和輔助功能模塊兩個(gè)部分，核心功能包括音頻數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隊(duì)列創(chuàng)建、音頻轉(zhuǎn)換算法、內(nèi)存分配接口和模塊API調(diào)用接口，輔助功能包括面向網(wǎng)絡(luò)端的TCP/IP數(shù)據(jù)接口和RTP打包/解包模塊以及面向音頻芯片的驅(qū)動(dòng)接口和RIFF頭（資源互換文件格式）生成模塊。

3 多種媒體格式間轉(zhuǎn)換流程

嵌入式系統(tǒng)主程序在調(diào)用音頻轉(zhuǎn)換模塊時(shí)，模塊會(huì)根據(jù)設(shè)置的音頻格式和數(shù)據(jù)包大小為各個(gè)格式隊(duì)列分配相應(yīng)空間，當(dāng)模塊接收到源格式數(shù)據(jù)后會(huì)將數(shù)據(jù)存入相應(yīng)隊(duì)列，然后依次調(diào)用轉(zhuǎn)換算法，最終獲取所需的目標(biāo)格式音頻數(shù)據(jù)。

圖3 音頻格式轉(zhuǎn)換流程圖

圖3為音頻數(shù)據(jù)從PCMU/A轉(zhuǎn)換至ADPCM流程圖。由于PCMU/A和ADPCM之間無法直接轉(zhuǎn)換，所以需要通過線性PCM格式進(jìn)行中轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主程序啟動(dòng)該轉(zhuǎn)換任務(wù)后，模塊會(huì)首先為三個(gè)格式的隊(duì)列分配所需的存儲(chǔ)空間，然后開始循環(huán)接收PCMU/A的數(shù)據(jù)包，每收到一個(gè)160byte包后就調(diào)用轉(zhuǎn)換算法將其轉(zhuǎn)換為320byte的LPCM數(shù)據(jù)并存入LPCM隊(duì)列，當(dāng)LPCM隊(duì)列中收滿1010byte的數(shù)據(jù)后，開始調(diào)用LPCM至ADPCM的轉(zhuǎn)換算法，獲取256byte的ADPCM數(shù)據(jù)包，并從主程序設(shè)置好的發(fā)送接口發(fā)出。當(dāng)主程序設(shè)置的源格式、目標(biāo)格式和數(shù)據(jù)包大小不同時(shí)，模塊會(huì)根據(jù)設(shè)置內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換流程。

4 結(jié)語

本文介紹的音頻轉(zhuǎn)換模塊為嵌入式終端應(yīng)用提供了媒體處理輔助功能，并且提供了合適的應(yīng)用層調(diào)用接口和移植模塊接口，可以在不同的嵌入式平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)快速移植，有效提高了媒體終端應(yīng)用業(yè)務(wù)開發(fā)速度，對嵌入式媒體終端快速產(chǎn)品化提供一定的助力。

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孫旭峰（1989—），男，江蘇常州人，助理工程師，主要研究方向?yàn)槲⑻幚頇C(jī)的應(yīng)用。

智慧礦山專項(xiàng)（2016-ZHKSZX-04）。