【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ELP 標(biāo)準(zhǔn) C 源程序，掌握該算法在 DSP 芯片中的運(yùn)行過(guò)程，把 C 源程序的核心部分和運(yùn)算量較大的部分使用手工匯編來(lái)優(yōu)化，達(dá)到高效率、短延時(shí)的目的，為下一步實(shí)現(xiàn)加密打好基礎(chǔ)。 加密算法的研究和實(shí)現(xiàn) 語(yǔ)音通信在加密方面有其自己的特點(diǎn) (主要是考慮其實(shí)時(shí)性和話音質(zhì)量的要求 )，另外安全的投入必須與實(shí)際需求成比例。針對(duì)本系統(tǒng)的需求，我們對(duì)各種加密方法和加密算法進(jìn)行研究和比較，選擇了 AES 算法作為本系統(tǒng)的加密算法。實(shí)現(xiàn)了基于 DSP 的保密語(yǔ)音通信所需要的加密方法和加密算法。 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí) 時(shí)保密通信系統(tǒng) 低碼率語(yǔ)音加密系統(tǒng)是基于 DSP 的實(shí)時(shí)語(yǔ)音業(yè)務(wù)。它對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，對(duì)時(shí)延非常敏感。通常，單向的通話時(shí)延在 150ms 以下時(shí)，人們幾乎感受不到時(shí)延的存在。而當(dāng)單向時(shí)延超過(guò) 450ms 時(shí)，其通話質(zhì)量就很難讓人接受了 【 24】 。該系統(tǒng)綜合考慮了編碼復(fù)雜度、延時(shí)、話音質(zhì)量、帶寬和安全性等各個(gè)方面性能因素。 系統(tǒng)性能評(píng)測(cè) 由于引入了加密過(guò)程，它將影響到語(yǔ)音包大小、語(yǔ)音延時(shí)和傳輸帶寬的占用等各個(gè)方面，因此需要對(duì)該功能引入之后對(duì)系統(tǒng)的性能影響進(jìn)行評(píng)測(cè)，以確保它不會(huì)給系統(tǒng)的性能帶來(lái)太大的影響。 本文選題和論文結(jié)構(gòu) 本文就如何在降低信道帶寬占用的同時(shí)保證語(yǔ)音數(shù)據(jù)的安全性提出了一種解決方案，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)的語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)。利用 DSP 完成語(yǔ)音信號(hào)實(shí)時(shí)采集回放、語(yǔ)音編解碼、語(yǔ)音加解密和實(shí)時(shí)傳輸。編解碼算法采用的是美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn) 算法，加解密算法采用的是 AES 算法。文中介紹了語(yǔ)音編解碼和數(shù)據(jù)加密的理論知識(shí)、 DSP 及其開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、相關(guān)接口的程序設(shè)計(jì)和語(yǔ)音編碼以及加密算法設(shè)計(jì)，最后給出了測(cè)試結(jié)果以及改進(jìn)意見(jiàn)。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 10 第 2 章 基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音保 密通信系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 低碼率語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)由數(shù)字信號(hào)處理器 (DsP)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的編碼、加密、解密和解碼，工作時(shí)不需要上位機(jī)的支持?？紤]到目前語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，從安全和節(jié)約帶寬資源兩方面考慮，采用低碼率語(yǔ)音編碼技術(shù)和數(shù)字語(yǔ)音加密技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的方案。 本章首先分析了系統(tǒng)中語(yǔ)音數(shù)據(jù)的流程，然后介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)，最后描述了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案。 數(shù)字信號(hào)處理器概述 數(shù)字信號(hào)處理器，即通常所說(shuō)的 DSP(digital signal processor)。這種芯片具有較高的運(yùn)行速度、豐富的軟硬件資源，非常適合做數(shù)字信號(hào)處理算法，且可以根據(jù)不同需要，編制不同程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的信號(hào)處理算法，方便靈活。 TMS320F2812 數(shù)字信號(hào)處理器是 TI 公司最新推出的 32 位定點(diǎn) DSP 控制器，是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其頻率高達(dá) 150MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。 TMS320F2812 芯片基于 C/C++高效 32 位 TMS320C28x DSP 內(nèi)核，并提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，從而可以在定點(diǎn)處理器上方便地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。在高精度伺服控制、可變頻電源、 UPS 電源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，同時(shí)是電機(jī)等數(shù)字化控制產(chǎn)品升級(jí)的最佳選擇。 TMS320F2812 DSP 集成了 128KB 的閃存，可用于開(kāi)發(fā)及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟件進(jìn)行升級(jí)時(shí)的簡(jiǎn)單再編程。優(yōu)化過(guò)的事件管理器包括脈沖寬度調(diào)制 （ PWM） 產(chǎn)生器、可編程通用計(jì)時(shí)器，以及捕捉譯碼器接口等；該器件還包括 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)化器（ ADC），吞吐量可達(dá)每秒 的采樣，其雙采樣裝置可實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路的同步采樣，片上標(biāo)準(zhǔn)通訊端口可為主機(jī)、測(cè)試設(shè)備、顯示器及其他組件提供簡(jiǎn)便的通訊端口。 TMS320F2812 的主要特點(diǎn)如下： ? 具有 32 位定點(diǎn) DSP TMS320C28xTMCPU 內(nèi)核 基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 11 ? 存儲(chǔ)器 4K????/?????????????MELP?AES??????????????????? ???????????????,????????????????,?????????MELP?????????? ?????????????AES???????????NNNYYY16 Boot ROM 18K????/?????????????MELP?AES??????????????????? ??????????????,????????????????,?????????MELP?????????? ?????????????AES???????????NNNYYY16 RAM 128K????/?????????????MELP?AES??????????????????? ???????????????,????????????????,?????????MELP?????????? ?????????????AES???????????NNNYYY16 Flash ? 速度 的指令周期，每秒可以執(zhí)行 150M 條指令。 ? 事件管理器（ EV） 12 路比較 PWM 通道； 4 個(gè) 16 位通用定時(shí)器，均具有 4 種計(jì)數(shù)模式； 6 個(gè)全比較單元； 6 個(gè)捕獲單元，其中 4 個(gè)具有連接正交編碼器脈沖的功能； 外部時(shí)鐘輸入和外 部比較輸入。 ? 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 內(nèi)置具有兩個(gè) 8 選 1 多路切換器和雙采樣保持器的 12 位 ADC 內(nèi)核； 快速的轉(zhuǎn)換時(shí)間（ S/H+轉(zhuǎn)換）為 80ns（ ADC 工作在 25MHz）； 16 個(gè)模擬輸入通道； 自動(dòng)排序功能，具有兩個(gè)獨(dú)立的最多可選擇 8 個(gè)模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器，可獨(dú)立以雙排序器模式工作，也可級(jí)連后組成最多可選擇 16 個(gè)通道的模式，每次需要轉(zhuǎn)換的通道均可通過(guò)編程來(lái)選擇。 多個(gè)觸發(fā)源可啟動(dòng) ADC，可通過(guò)軟件、 EVA、 EVB 和外部引腳來(lái)觸發(fā)； 采樣和保持獲取時(shí)間窗具有單獨(dú)的預(yù)定標(biāo)。 ? 具有 56 個(gè)單獨(dú)可編程的多路復(fù)用 I/O 引腳 ? 串行外設(shè)接口模塊（ SPI） ? 串行通信接口模塊（ SCI） ? CAN 控制器模塊（ CAN） ? 多通道緩沖串行口（ McBSP） 數(shù)據(jù)流程 低碼率語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)的傳輸信道上有兩種數(shù)據(jù)流：密鑰同步數(shù)據(jù)流和語(yǔ)音數(shù)據(jù)流。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 12 密鑰同步數(shù)據(jù)流主要用于密鑰協(xié)商和更換密鑰。由于本系統(tǒng)采用分組密碼，在加密后語(yǔ)音打包時(shí)應(yīng)在包頭進(jìn)行加密相關(guān)設(shè)置，以保證接受方能正確的解密。 圖 21 單向語(yǔ)音數(shù)據(jù)流圖 系統(tǒng)語(yǔ)音通信流程如圖 2— 1。首先發(fā)送端以 8kHz 的采樣率對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行采集，以 8bit量化精度 得到數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)，以幀 (幀長(zhǎng) ，每幀 180 個(gè)樣點(diǎn) )為單位進(jìn)行語(yǔ)音編碼處理，使其轉(zhuǎn)化為特定格式的編碼數(shù)據(jù)，減少語(yǔ)音信號(hào)的冗余度及占用的傳輸信道帶寬。壓縮編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)封裝，以特定格式的數(shù)據(jù)包為單位進(jìn)行語(yǔ)音加密處理，進(jìn)行語(yǔ)言加密處理時(shí)， DSP 工作模塊隨即使用內(nèi)置的加密算法和接收到的密鑰對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行加密，然后將密文再進(jìn)行打包，并發(fā)送至信道。 接收端從信道收到密文后經(jīng)解包處理，根據(jù)包頭的相關(guān)參數(shù)判斷此包所用密鑰，用得到的密鑰對(duì)密文進(jìn)行解密。將解密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行語(yǔ)音解碼，最后得到數(shù)字化的語(yǔ)音，經(jīng)揚(yáng)聲器 或耳機(jī)播出。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 當(dāng) 根據(jù) 節(jié)的分析可知，系統(tǒng)中耗時(shí)較多的模塊是語(yǔ)音編解碼和語(yǔ)音加解密四個(gè)模塊。由文獻(xiàn)知 MELP 編碼需要的 DSP 器件的運(yùn)算能力約為 2030MIPS，再加上解碼器的需求， MELP 編碼和解碼共需要的 DSP 器件的運(yùn)算能力約 60MIPS。再加上加密運(yùn)算和解密運(yùn)算，系統(tǒng)需要的 DSP 器件的運(yùn)算能力不能低于 100MIPS。綜合考慮運(yùn)算能力、成本以及系統(tǒng)的擴(kuò)展等因素，本系統(tǒng)選用 TI 公司的 TMS320F2812 芯片作主處理器。 分析圖 21 語(yǔ)音流程可知，本系統(tǒng)硬件平臺(tái)至少應(yīng)該 包括：實(shí)時(shí)語(yǔ)音采集與回放的實(shí)時(shí)語(yǔ)音采集 語(yǔ)音編碼 語(yǔ)音加密 語(yǔ)音發(fā)送語(yǔ)音打包語(yǔ)音解包 語(yǔ)音接收語(yǔ)音解密語(yǔ)音解碼實(shí)時(shí)語(yǔ)音回放發(fā)送端接收端原始音頻流還原后的音頻流編碼壓縮后 的音頻流音頻流數(shù)據(jù)包加密后的音頻流解密后的 音頻流信道上傳輸?shù)囊纛l數(shù)據(jù)包解包后的音頻流音頻流數(shù)據(jù)包基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 音頻處理模塊，語(yǔ)音編碼／解碼模塊、加密／解密模塊、能夠進(jìn)行全雙工通信時(shí)的串行接口模塊等。圖 22給出了設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所用到的硬件模塊配置圖，包括 TMS320F2812DSP芯片，存儲(chǔ)器 FLASH 和 SDRAM，音頻處理模塊，異步串行接口模塊。 圖 22 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件平臺(tái) 音頻處理模塊的主要功能是對(duì)輸入的語(yǔ)音信號(hào)作混疊濾波、放大、 A／ D 轉(zhuǎn)換，完成模擬語(yǔ)音信號(hào)的采樣；同時(shí)對(duì)輸出的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行 D／ A 轉(zhuǎn)換、平滑濾波。主處理芯片 TMS320F2812 主要完成系統(tǒng)的核心工作 ，即語(yǔ)音編解碼和語(yǔ)音加解密的操作，同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理。 FLASH 和 SDRAM 主要功能是為系統(tǒng)提供代碼和數(shù)據(jù)以及變量的存儲(chǔ)空間。異步串行接口為系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信提供接口。 JTAG 接口為系統(tǒng)調(diào)試工具提供接口。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)部分：初始化模塊、密鑰協(xié)商模塊、語(yǔ)音采集與回放模塊、語(yǔ)音編解碼模塊、語(yǔ)音加解密模塊、串行口中斷服務(wù)模塊。主程序流程如圖 23。 TMS32 0F2812McBPSJTAG接口音頻處理音頻輸入音頻輸出仿真器 異步串行接口SDRAMFLASH西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 14 圖 23 主程序流程圖 首先對(duì)硬件和 MELP 編解碼 函數(shù)和 AES 加解密函數(shù)初始化。然后開(kāi)中斷，允許McBSPO 接收和發(fā)送中斷請(qǐng)求，進(jìn)入主循環(huán)，開(kāi)始接收、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收過(guò)程???? / ????????????? M EL P ? AES ??????? ??????????? ???????? ???????? , ???????????????? , ?????????M EL P ??? ??????? ???????????? ?AES ???????????NNNYYY基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 15 中，如果接收滿一幀數(shù)據(jù) (180 個(gè)采樣值 )，則將數(shù)據(jù)送接收編碼緩沖區(qū)，并將接收計(jì)數(shù)器清零，調(diào)整接收緩沖區(qū)指針。接著 MELP 編解碼函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，處理完成后將數(shù)據(jù)送接收加密緩沖區(qū)，在接收過(guò)程中，如果接收滿一個(gè)分組數(shù)據(jù) (兩個(gè) MELP 語(yǔ)音幀 )，調(diào) AES 加解密函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，最后存儲(chǔ)重構(gòu)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，等待發(fā)送。在發(fā)送過(guò)程中，當(dāng)發(fā)送完一幀后，發(fā)送計(jì)數(shù)器清零，并將發(fā)送緩沖區(qū)指針調(diào)整，將 重構(gòu)語(yǔ)音數(shù)據(jù)送發(fā)送緩沖區(qū)。最后繼續(xù)對(duì)發(fā)送和接收緩沖區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)上述循環(huán)。 系統(tǒng)功能模塊描述 模塊化的設(shè)計(jì)思路現(xiàn)已廣泛使用，其原理是盡量降低各部分之間的耦合度來(lái)達(dá)到使用靈活、查錯(cuò)定位方便的目的。本系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)正是采用這種模塊化的思想。采用模塊化思想后只要對(duì)不同的部分更換不同的處理模塊，再更改少量的代碼就可完成編程的工作。這也為以后系統(tǒng)升級(jí)以及更換其它算法進(jìn)行試驗(yàn)提供了方便。 依據(jù)圖 21 語(yǔ)音通信流程，本系統(tǒng)至少應(yīng)該具有以下幾個(gè)模塊： 1．主程序 主程序管理系統(tǒng)中所有子程序，并負(fù)責(zé)通信雙方的交互 。 2．語(yǔ)音采集和回放模塊 該模塊是語(yǔ)音加密通信的起點(diǎn)和終點(diǎn)，完成系統(tǒng)的語(yǔ)音輸入和輸出。目前，開(kāi)發(fā)語(yǔ)音信號(hào)采集與處理系統(tǒng)通常有三種方案。一種是利用通用計(jì)算機(jī)加 A/D 卡構(gòu)成硬件平臺(tái)，語(yǔ)音處理算法由軟件實(shí)現(xiàn)。其待點(diǎn)是價(jià)格便宜，但速度很謾。第二種方案是采用專(zhuān)用芯片進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)采集和處理，其特點(diǎn)是價(jià)格較便宜，處理速度快，缺點(diǎn)是不夠靈活。產(chǎn)品不能升級(jí)。第三種方案是采用 DSP 芯片作為處理中心，配合高精度、高速的 A/D、D/A 模塊，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音處理算法。采用這種方案的成本較高，但是由于 DSP 的高性能，可編程，此方案是一種性價(jià) 比較高的方案。本系統(tǒng)選用 TI 公司的 TLV320AIC23 作為A/D、 D/A 模塊，實(shí)現(xiàn)基于 DSP 的語(yǔ)音信號(hào)采集系統(tǒng)。 3．語(yǔ)音編碼和解碼模塊 該模塊功能是對(duì)語(yǔ)音信號(hào)迸行編碼、壓縮以