基于Nios II的語音加密傳輸系統(tǒng)設計
加入技術交流群
2.1.1 語音采集回放模塊
本模塊是語音加密通信的起點和終點，利用開發(fā)板上提供的24 bit CD-Quality Audio CODEC芯片完成系統(tǒng)的語音信號Ａ/D、D/A轉換。CODEC芯片中封裝了WM8731編解碼器，其采樣率為8 kHz～96 kHz可變。它是一款低電壓并集成有耳機驅動的編解碼器，提供立體音和單一麥克風音頻輸入，并具有降低輸入噪聲、可編程音量控制以及適合于電氣型麥克風的輸出電壓可增益的特點。WM8731內部有11個寄存器，該芯片的初始化和內部功能設置是通過I2C控制模塊對其內部的這11個寄存器進行相應的配置實現(xiàn)的。本設計中WM8731工作于從模式，采樣頻率設為48 kHz，轉換的數(shù)據(jù)位長度為16 bit，WM8731的寄存器參數(shù)(十六進制)設置如表1。
表1 寄存器配置參數(shù)
寄存器配置參數(shù)
根據(jù)芯片寄存器的特點和功能，要進行I2C控制模塊的設計，并以IP核的形式通過SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。I2C控制模塊通過該模塊中I2C_SDAT數(shù)據(jù)端口，向目標寄存器寫入相應的控制信息，達到對WM8731工作狀態(tài)的配置。
2.1.2 G.729A語音編解碼模塊
基于CELP編碼模型的G.729A處理語音幀，以每秒8 000樣點進行采樣，每10 ms對應80個樣點為1幀，語音質量與32 kb/s的ADPCM相當。
(1)編碼器
G.729A編碼器的工作原理如圖3所示。在預處理塊中，輸入的語音信號首先進行高通濾波并按比例放縮，對預處理后的語音每10 ms計算一次LP濾波器系數(shù)，把LP系數(shù)轉換成為線頻譜對系數(shù)LSP，并將LSP系數(shù)利用預測式兩級矢量量化(VQ)量化為18 bit。激勵信號用分析合成(ABS)搜索算法進行選擇，在該算法中，依據(jù)感覺加權失真測度使原始與重建語音信號間的誤差最小。
G.729A編碼結構
圖3 G.729A編碼結構
具體上是重構語音與預處理后語音的誤差，通過自適應感覺加權濾波器，搜索最小的濾波后誤差，感覺加權濾波器的自適應系數(shù)由未量化的LP系數(shù)控制。G.729A的激勵參數(shù)（自適應和固定碼書）每5 ms(40個樣點)子幀確定一次。首先一個開環(huán)基音延遲每10 ms幀基于感覺加權語音信號估算一次，使LP殘差信號通過加權合成濾波器獲得目標信號。濾波器的初始狀態(tài)是通過對LP殘差信與激勵之間的誤差進行濾波來更新的。在得到加權合成濾波器的沖擊響應后，就可以利用沖擊響應和目標信號進行閉環(huán)基音分析(尋找自適應碼書的時延和增益)。在考慮自適應碼書的影響后更新目標信號，用于搜索固定碼書。自適應碼書和固定碼書搜索完成后用7 bit進行矢量量化。最后濾波器的記憶值由已確定的激勵信號來更新。
(2)解碼器
G.729A解碼器原理如圖4所示。首先，從接收到的比特流中提取參數(shù)標號，這些標號被譯碼以獲得對應一個10 ms語音幀的編碼參數(shù)。這些參數(shù)是LSP，2個分數(shù)基音延遲，2個固定碼書矢量，2組自適應碼書和固定碼書增益。LSP系數(shù)在每一子幀中進行插值并轉化為 LP濾波器系數(shù)。然后，對每5 ms子幀進行如下操作： 將自適應碼書和固定碼書乘以各自增益后相加，獲得激勵；用LP合成濾波器對激勵濾波，獲得合成語音；合成語音通過一個包括長時和短時合成濾波器的自適應后濾波器進行增強，然后經高通濾波和定標去除得到最終的重建語音。
G.729A解碼器結構
圖4 G.729A解碼器結構
評論