基于Nios II的語(yǔ)音加密傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者：時(shí)間：2010-12-07 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)

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2.1.1 語(yǔ)音采集回放模塊

本模塊是語(yǔ)音加密通信的起點(diǎn)和終點(diǎn)，利用開(kāi)發(fā)板上提供的24 bit CD-Quality Audio CODEC芯片完成系統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)Ａ/D、D/A轉(zhuǎn)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(jī)驅(qū)動(dòng)的編解碼器，提供立體音和單一麥克風(fēng)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(fēng)的輸出電壓可增益的特點(diǎn)。WM8731內(nèi)部有11個(gè)寄存器，該芯片的初始化和內(nèi)部功能設(shè)置是通過(guò)I2C控制模塊對(duì)其內(nèi)部的這11個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中WM8731工作于從模式，采樣頻率設(shè)為48 kHz，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為16 bit，WM8731的寄存器參數(shù)(十六進(jìn)制)設(shè)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(diǎn)和功能，要進(jìn)行I2C控制模塊的設(shè)計(jì)，并以IP核的形式通過(guò)SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。I2C控制模塊通過(guò)該模塊中I2C_SDAT數(shù)據(jù)端口，向目標(biāo)寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的控制信息，達(dá)到對(duì)WM8731工作狀態(tài)的配置。

2.1.2 G.729A語(yǔ)音編解碼模塊

基于CELP編碼模型的G.729A處理語(yǔ)音幀，以每秒8 000樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，每10 ms對(duì)應(yīng)80個(gè)樣點(diǎn)為1幀，語(yǔ)音質(zhì)量與32 kb/s的ADPCM相當(dāng)。

(1)編碼器

G.729A編碼器的工作原理如圖3所示。在預(yù)處理塊中，輸入的語(yǔ)音信號(hào)首先進(jìn)行高通濾波并按比例放縮，對(duì)預(yù)處理后的語(yǔ)音每10 ms計(jì)算一次LP濾波器系數(shù)，把LP系數(shù)轉(zhuǎn)換成為線頻譜對(duì)系數(shù)LSP，并將LSP系數(shù)利用預(yù)測(cè)式兩級(jí)矢量量化(VQ)量化為18 bit。激勵(lì)信號(hào)用分析合成(ABS)搜索算法進(jìn)行選擇，在該算法中，依據(jù)感覺(jué)加權(quán)失真測(cè)度使原始與重建語(yǔ)音信號(hào)間的誤差最小。

G.729A編碼結(jié)構(gòu)

圖3 G.729A編碼結(jié)構(gòu)

具體上是重構(gòu)語(yǔ)音與預(yù)處理后語(yǔ)音的誤差，通過(guò)自適應(yīng)感覺(jué)加權(quán)濾波器，搜索最小的濾波后誤差，感覺(jué)加權(quán)濾波器的自適應(yīng)系數(shù)由未量化的LP系數(shù)控制。G.729A的激勵(lì)參數(shù)（自適應(yīng)和固定碼書(shū)）每5 ms(40個(gè)樣點(diǎn))子幀確定一次。首先一個(gè)開(kāi)環(huán)基音延遲每10 ms幀基于感覺(jué)加權(quán)語(yǔ)音信號(hào)估算一次，使LP殘差信號(hào)通過(guò)加權(quán)合成濾波器獲得目標(biāo)信號(hào)。濾波器的初始狀態(tài)是通過(guò)對(duì)LP殘差信與激勵(lì)之間的誤差進(jìn)行濾波來(lái)更新的。在得到加權(quán)合成濾波器的沖擊響應(yīng)后，就可以利用沖擊響應(yīng)和目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)基音分析(尋找自適應(yīng)碼書(shū)的時(shí)延和增益)。在考慮自適應(yīng)碼書(shū)的影響后更新目標(biāo)信號(hào)，用于搜索固定碼書(shū)。自適應(yīng)碼書(shū)和固定碼書(shū)搜索完成后用7 bit進(jìn)行矢量量化。最后濾波器的記憶值由已確定的激勵(lì)信號(hào)來(lái)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(biāo)號(hào)，這些標(biāo)號(hào)被譯碼以獲得對(duì)應(yīng)一個(gè)10 ms語(yǔ)音幀的編碼參數(shù)。這些參數(shù)是LSP，2個(gè)分?jǐn)?shù)基音延遲，2個(gè)固定碼書(shū)矢量，2組自適應(yīng)碼書(shū)和固定碼書(shū)增益。LSP系數(shù)在每一子幀中進(jìn)行插值并轉(zhuǎn)化為 LP濾波器系數(shù)。然后，對(duì)每5 ms子幀進(jìn)行如下操作：將自適應(yīng)碼書(shū)和固定碼書(shū)乘以各自增益后相加，獲得激勵(lì)；用LP合成濾波器對(duì)激勵(lì)濾波，獲得合成語(yǔ)音；合成語(yǔ)音通過(guò)一個(gè)包括長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)合成濾波器的自適應(yīng)后濾波器進(jìn)行增強(qiáng)，然后經(jīng)高通濾波和定標(biāo)去除得到最終的重建語(yǔ)音。

G.729A解碼器結(jié)構(gòu)