基于Nios II的語音加密傳輸系統(tǒng)設(shè)計
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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(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。WM8731內(nèi)部有11個寄存器，該芯片的初始化和內(nèi)部功能設(shè)置是通過I2C控制模塊對其內(nèi)部的這11個寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置實現(xiàn)的。本設(shè)計中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)芯片寄存器的特點和功能，要進(jìn)行I2C控制模塊的設(shè)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(biāo)寄存器寫入相應(yīng)的控制信息，達(dá)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(jìn)行采樣，每10 ms對應(yīng)80個樣點為1幀，語音質(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，輸入的語音信號首先進(jìn)行高通濾波并按比例放縮，對預(yù)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(zhuǎn)換成為線頻譜對系數(shù)LSP，并將LSP系數(shù)利用預(yù)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(jìn)行選擇，在該算法中，依據(jù)感覺加權(quán)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(jié)構(gòu)
圖3 G.729A編碼結(jié)構(gòu)
具體上是重構(gòu)語音與預(yù)處理后語音的誤差，通過自適應(yīng)感覺加權(quán)濾波器，搜索最小的濾波后誤差，感覺加權(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的激勵參數(shù)（自適應(yīng)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(quán)語音信號估算一次，使LP殘差信號通過加權(quán)合成濾波器獲得目標(biāo)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(jìn)行濾波來更新的。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)信號進(jìn)行閉環(huán)基音分析(尋找自適應(yīng)碼書的時延和增益)。在考慮自適應(yīng)碼書的影響后更新目標(biāo)信號，用于搜索固定碼書。自適應(yīng)碼書和固定碼書搜索完成后用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(biāo)號，這些標(biāo)號被譯碼以獲得對應(yīng)一個10 ms語音幀的編碼參數(shù)。這些參數(shù)是LSP，2個分?jǐn)?shù)基音延遲，2個固定碼書矢量，2組自適應(yīng)碼書和固定碼書增益。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，對每5 ms子幀進(jìn)行如下操作： 將自適應(yīng)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(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音。
G.729A解碼器結(jié)構(gòu)
圖4 G.729A解碼器結(jié)構(gòu)
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