低功耗加密型語音硬件平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

高質(zhì)量、低速率的語音編碼算法在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中地位越來越重要，被廣泛應用于諸如IP電話、語音信箱、軍事無線通訊等領(lǐng)域。特別是在一些特殊的應用領(lǐng)域，信道帶寬很窄而且誤碼率較高，要在這種信道上實現(xiàn)語音通訊，低速和甚低速語音壓縮編碼技術(shù)是關(guān)鍵。以前由于硬件條件的限制，此類的低速率復雜編解碼算法往往只能停留在原理和計算機實現(xiàn)階段。近些年來，由于VLSI技術(shù)的蓬勃發(fā)展，尤其是高性能數(shù)字信號處理芯片的DSP的普及，這些編碼算法開始大規(guī)模的運用到了現(xiàn)實領(lǐng)域。本次設(shè)計就是為這套軍用語音編碼算法標準設(shè)計一個通用編解碼平臺。該平臺已經(jīng)做為嵌入式低功耗語音模塊，應用到語音編碼和語音合成等領(lǐng)域，并已小規(guī)模量產(chǎn)。
　　
1．語音硬件平臺的總體介紹和系統(tǒng)框架
　　
本語音信號處理平臺需要考慮以下幾個方面的設(shè)計要求。在運算量方面，本平臺上運行的幾種語音編碼算法都具有比較高的運算復雜度，經(jīng)過CCS的仿真測試結(jié)果表明，至少要求DSP芯片有50MIPS的處理能力。在接口設(shè)計方面，搭載本聲碼器模塊的通訊平臺定義了如表1所示的接口管腳，其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺的話筒和聽筒上的輸入和輸出話音，PTT連接到話筒的按鈕上，按下PTT表示請求通話。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數(shù)字語音碼流信號，RTS和CD分別是發(fā)送和接收碼流指示，為低電平的時候表示碼流有效。TXC為系統(tǒng)的同步時鐘。在功耗方面，由于是手持式設(shè)備，要求采用低功耗設(shè)計，以延長電池的使用時間。另外，設(shè)計系統(tǒng)的安全性也是一個需要考慮的因素。
　　　


表1 硬件平臺接口信號定義
　　
基于以上幾項設(shè)計要求，以及以前設(shè)計的原型系統(tǒng)原理[7]，我們提出了一個基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的設(shè)計方案。[1] 5510A2是德州儀器公司的55系列DSP的最高端的產(chǎn)品，這個系列的DSP是特別針對手持式終端設(shè)備應用場合設(shè)計的，同等條件下其內(nèi)核的功耗僅為54系列DSP的三分之一，而且具有更高的代碼執(zhí)行效率，其指令也與54系列的相互兼容，可以很方便的進行代碼的移植。5510A2的最高數(shù)字信號的處理能力為200MIPS，能夠很好的滿足本平臺對運算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極低功耗的16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機，我們用他來做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統(tǒng)加密的功能。圖1給出了該硬件平臺的總體框圖。
　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　
圖1 語音處理平臺硬件結(jié)構(gòu)總框圖
　　
如圖所示，當PTT被按下則表示請求通話，話筒輸入的模擬話音VIN通過一個放大電路放大之后輸入語音CODEC芯片TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成16bit的線性PCM格式并通過DSP的McBSP0口傳送到DSP內(nèi)部接收語音緩沖區(qū)，DSP在緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在積累到一定幀長之后啟動編碼算法編成特定碼率的碼流。編好的碼流被送入另一發(fā)送比特流緩沖區(qū)緩沖。該緩沖區(qū)內(nèi)的信號在同步時鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調(diào)制模塊調(diào)制并發(fā)射出去。同時，DSP檢測MODEM的CD信號，當CD信號有效（低電平）時，在同步時鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數(shù)據(jù)并送入DSP內(nèi)的接收比特流緩沖區(qū)。當接收比特緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)積累到一定長度時，DSP啟動解碼程序?qū)⑵浣獯a成16bit的PCM語音。該語音通過McBSP0口被送入TLV320AIC11，TLV320AIC11內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成模擬的語音信號送入聽筒。
　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　
圖2 CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接
　　
語音CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接圖如圖2所示，[5]TLV320AIC11是德州儀器公司生產(chǎn)的一款語音CODEC芯片，其片內(nèi)集成了一個A/D和一個D/A模塊，并且有內(nèi)置的運算放大器，因此僅需要很少的部件就可以將無源話筒和聽筒連接到AIC11上。同時，由于它可以和TI公司的DSP無縫連接。如圖所示，本次設(shè)計中AIC11工作在主模式下（M/S=1），在這個模式下，芯片的采樣率為SCLK腳輸入的時鐘頻率的1/256。SCLK腳輸入的時鐘來源于MCU的P5.5，這個管腳是MCU的副時鐘輸出為MCU主時鐘的1/4。由于MCU工作在4.096MHz，因此CODEC的采樣頻率為8KHz。AIC11以8KHz的頻率在FS上發(fā)出同步脈沖，并在DOUT腳上將16bit的PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到DSP。同時從DIN管腳接收DSP發(fā)送過來的經(jīng)過解碼的16bit PCM語音。由于使用了AIC11，系統(tǒng)的使用“粘合邏輯”部件大大減小，從而有效的縮小了硬件電路板的面積。
　　
2．硬件系統(tǒng)加密設(shè)計
　　
有效的保護知識產(chǎn)權(quán)是產(chǎn)品開發(fā)必須要考慮的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一種開放式的總線結(jié)構(gòu)，因此別有用心的人可以通過JTAG接口和相應軟件訪問并分析DSP內(nèi)部存儲區(qū)的代碼和數(shù)據(jù)，或者僅僅是直接導出并復制這些信息，就可以輕易竊取產(chǎn)品。針對這種現(xiàn)實情況，最好的解決方法是將程序交由芯片的生產(chǎn)商掩模入芯片內(nèi)部的ROM儲存區(qū)內(nèi)，再去除DSP芯片中的JTAG邏輯模塊， DSP內(nèi)部的總線與外界隔離，這樣從外部就無法獲得片內(nèi)的信息。然而當產(chǎn)品的產(chǎn)量不大的時候，掩模ROM在成本上來說是不現(xiàn)實的，需要另外想辦法。
　　
本次設(shè)計所提出的是一種基于TI公司MSP430F149單片機作為硬件加密部件的方法。[6]MSP430F149是TI生產(chǎn)的一款16位RISC結(jié)構(gòu)的Flash型單片機。不僅功耗極低，其另外一個特點就是其內(nèi)部的熔斷型Flash儲存單元。當開發(fā)過程結(jié)束，程序?qū)懭隡SP430內(nèi)部的Flash之后，開發(fā)者可以將Flash連接在MSP430總線上的融絲融斷，熔斷之后如果想訪問其內(nèi)部的程序和數(shù)據(jù)，必須在單片機的JTAG引腳上加上一定時序的信號，進入單片機內(nèi)部的一段BOOTSTRAP程序，該BOOTSTRAP程序要求用戶向一個密碼寄存器內(nèi)寫入一個32個字節(jié)的密碼，如果該密碼和事先寫入Flash特定位置的一個密碼相符，才能訪問片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)資源，否則只能允許進行擦除整個Flash的操作。通過這種機理達到保護用戶程序數(shù)據(jù)代碼的目的。
　　
鑒于MSP430F149的內(nèi)部數(shù)據(jù)無法復制和訪問的特點，我們提出了一種基于MSP430F149的硬件加密方法。
　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　
圖3　DSP和MSP430的硬件連接示意圖
　　
圖3是MSP430和DSP之間的硬件連接示意圖[3]。如圖所示，這種連接方式將DSP和MCU配置成了16位復用連接模式（HMODE＝0），數(shù)據(jù)和地址共享HD總線。HRW、HCNTL0和HCNTL1的不同組合分別表示對DSP的EHPI口的三個寄存器HPID（數(shù)據(jù)）、HPIA（地址）、HPIC（控制）讀寫，具體的組合方式如表2所示。
　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　
表2 復用模式下EHPI口讀寫類型指示

具體加密方式簡述如下：
　　
1）為每一塊電路板指定一個128位的密鑰，密鑰的選擇完全隨機，只要不同板子不相同即可。將密鑰和加密算法（DES或是其他的加密算法）燒寫入MSP430的內(nèi)部做為DSP boot程序的一部分。
　　
2）使用該密鑰和加密算法，將加密后的語音編解碼算法的程序和數(shù)據(jù)燒寫入DSP的外部存儲Flash芯片之中。
　　
3）將DSP設(shè)置成工作于HPI口boot模式，在每次重啟之后，主機將一段BOOT程序裝入起始位置為0x10000程序空間里（該段BOOT程序中包含了解碼程序），并將128位的密鑰load到DSP內(nèi)部的某個特定位置。主機將DSP的RST引腳置高表示主機的load過程結(jié)束。DSP自動從0x10000的位置開始執(zhí)行程序，這段程序從Flash中讀入加密了的程序和數(shù)據(jù)，并使用主機寫入的解密程序并結(jié)合128位的密鑰進行解密，解密后的程序和數(shù)據(jù)被裝載入DSP的程序和數(shù)據(jù)段內(nèi)開始正常的運行。