【正文】 將本文獻(xiàn)給我的家人，沒有他們 的支持和鼓勵，就沒有我現(xiàn)在的成績。 感謝我的同 事們， 在和他們的討論交流中我得到了很多啟發(fā)。 本文是我半年來研究成果的總結(jié)，回顧過去走過的每一步，無不凝固了各位老師、同事和單位領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷和幫助。這些功能在本系統(tǒng)平臺上實(shí)現(xiàn)時不需要修改硬件，只要針對 DSP 的特點(diǎn)編寫相應(yīng)的程序即可。在下一步的研究中，需要進(jìn)一步結(jié)合系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)用匯編進(jìn)行算法優(yōu)化，使系統(tǒng)處理時間進(jìn)一步縮短。 6）最后對系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析和測試，并針對系統(tǒng)存在的不足給出了改進(jìn)意見。 4）研究并實(shí)現(xiàn)了編碼速率為 的 MELP 算法，作為低碼率語音編碼處理算法。 2）詳細(xì)介紹了數(shù)字信號處理器 DSP，重點(diǎn)介紹 TMS320F281x 系列的 DSP 以及其開發(fā)工具 CCS，研究了如何在 TMS320F281x 系列的 DSP 上實(shí)現(xiàn)語音編碼、加密的關(guān)鍵問題。由于采用 DSP 實(shí)現(xiàn)和軟件 模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，能夠更換語音壓縮編碼算法和加密算法，所以本系統(tǒng)又可以作為低速率語音實(shí)時保密通信的實(shí)驗(yàn)平臺。在現(xiàn)有的數(shù)字語音保密通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用的語音編解碼算法碼率偏高，占用信道帶寬多。接收方 B 首先接收 A 的 x、Ⅳ和用 戶輸入的隨機(jī)數(shù) y，計(jì)算 Y和 k； B 發(fā)送 Y 給 A；并打開語音處理模塊，然后向語音加解密模塊輸出Ⅳ和 k。 密鑰協(xié)商按發(fā)起方、接收方兩種不同方式工作，其工作流程如圖 41 所示。 密鑰協(xié)商的實(shí)現(xiàn) 密鑰協(xié)商的作用是協(xié)商 會話密鑰、傳送初始化向量和確定加密模式，語音通話之前通信雙方的安全參數(shù)必須確定完畢，因此密鑰協(xié)商應(yīng)在會話建立過程中安全協(xié)商完成。如果是 ECB 模式下的加密包則利用前面得到的密鑰解密語音數(shù)據(jù)，然后解碼回放。 DSP 將接收到的數(shù)據(jù)包 (一幀 )存放在操作緩沖區(qū)中，并對收到的這一幀作處理。當(dāng) CPU 要通過 McBSP 發(fā)送數(shù)據(jù)時，直接將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器 DXR[1,2]，若傳輸轉(zhuǎn)移寄存器 XSR[1,2]中沒有數(shù)據(jù)，則 DXR[1,2]中的數(shù)值移向 XSR[1,2]，在發(fā)送時鐘 CLKX 和幀同步發(fā)送信號 FSX 控制下，再由 XSR[l,2]將數(shù)據(jù)移到 DX 引腳上發(fā)送 ；若 XSR[1,2]不為空，則等待 XSR[1,2]中的數(shù)據(jù)全部移到 DX 引腳發(fā)送之后才將 DXR[1， 2]中的數(shù)據(jù)復(fù)制到 XSR[1， 2]，然后才移位到 DX。 數(shù)據(jù)發(fā)送 發(fā)送數(shù)據(jù)是 McBSP 串口直接對 DXR[1,2]寫入數(shù)據(jù)。 4）中斷的設(shè)置，關(guān)閉所有中斷。設(shè)置 DSP 狀態(tài)寄存器 ST0_5STl_55。 3）設(shè)置 SWWSR。 2）工作時鐘的設(shè)置。將中斷向量表放在起始地址為 0xffff00 的 vectors 段中，在 CMD 文件中修改。系統(tǒng)整個傳輸過程分為三部分：系統(tǒng)復(fù)位和初始化，數(shù)據(jù)的接收以及數(shù)據(jù)的發(fā)送。結(jié)尾圈等價(jià)于去掉列混合逆變換的圈變換逆變換。 Nr 的大小與加密時相同。結(jié)尾圈等價(jià)于去掉列混合變換的圈。從 CipherKey 導(dǎo)出 ExpandedKey 的過程記為KeyExpansion。初始的密鑰加法和每個輪變換均以狀態(tài) State 和一個輪密鑰作為輸入。分組長度和密鑰長度可以獨(dú)立指定為 128bit、 192bit 或者 256bit。 AES 與 Rijndael 算法唯一區(qū)別是 AES 的分組長度固定為 128bit。 語音加密模塊的實(shí)現(xiàn) 根掘前面總體方案分析，本系統(tǒng)語音加密采用 AES 算法，按照低碼率語音加密系統(tǒng)帶寬和基于 DSP 實(shí)現(xiàn)的要求采用了 ECB 和計(jì)數(shù)器兩種模式進(jìn)行加密運(yùn)算。能夠?qū)崿F(xiàn)與 DSP 的 McBSP端口的無縫連接，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡單。有麥克風(fēng)輸入和立體聲線性輸入 (增益可調(diào) )。本系統(tǒng)采用 TI 公司專為語音處理應(yīng)用定做的單片接口電路一一TLV320AIC23(簡稱 AIC23)，完成模擬語音信號的采樣和數(shù)字語音信號的 D/A轉(zhuǎn)換工作。由于時間原因，本文主要簡單介紹幾個模塊的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)。在實(shí)現(xiàn)過程中保證此系統(tǒng)安全的同時，力求做到語音連續(xù)性好，通話占用信道帶寬需求低，語音處理時延短。存儲區(qū)的優(yōu)化體現(xiàn)在壓縮代碼的存儲空間上，而代碼的優(yōu)化則體現(xiàn)在編解碼函數(shù)的計(jì)算延對上，優(yōu)化的具體措麓是采用 C 語言和匯編語言混合編程的方法，利用匯編語言，直接針對硬件資源編程，能較大限度地發(fā)揮 DSP 的效率，提高開始讀入一幀語言預(yù)處理計(jì)算基音周期清濁音標(biāo)志及抖動參數(shù)計(jì)算 LPC 系數(shù)計(jì)算殘差峰值更新清 / 濁音標(biāo)志計(jì)算增益LPC 轉(zhuǎn)化 LSF 并量化量化各參數(shù)根據(jù)量化的 LSF 系數(shù)計(jì)算譜幅度參數(shù)并量化更新存儲器語音輸入結(jié)束 ？結(jié)束參數(shù)打包發(fā)送Y ESNO 23 整個系統(tǒng)的運(yùn) 行速度。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 22 圖 33 MELP 聲碼器編碼流程圖 算法實(shí)現(xiàn)過程中 的優(yōu)化 整個程序在 TMS320F2812 的 simulator 環(huán)境下運(yùn)行，軟件主體程序由 C 語言編寫，處理一幀語音 ()大致需要 ，延時較大，必須對程序代碼作進(jìn)一步的優(yōu)化。其中編碼函數(shù) melp ana()的程序流程如圖33。源代碼是 16bit 定點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn) C 程序，一共包含 21 個文件，可將其分成兩個部分：通用程序和編解碼程序。通常采用如下方法進(jìn)行修改：在 CCS 中選擇 View 菜單下的 Mixed Source/ASM 選項(xiàng)，可看到交叉列表的匯編程序；在所生成的語句中，每個 C 語句的下面就是 C 編譯器 對該 C 語句編譯所生成的匯編語句，通過查看交叉列表的匯編程序，可以對某些編譯不是很優(yōu)但卻比較關(guān)鍵的匯編語句進(jìn)行修改。采用這種方法的缺點(diǎn)是容易破壞 C 環(huán)境，因?yàn)?C 編譯器在編譯嵌入了匯編語句的 C 程序時并不檢查或分析所嵌入的匯編語句。 2．直接在 C 程序中嵌入?yún)R編語句 在 C 程序中嵌入?yún)R編語句的方法比較簡單，只需加入 asnl(“匯編語句” )語句即可。通常， FFT、 FIR、 IIR【 26】 等的程序一般采用匯編語言編寫，而主程序則可采用 C 語言，這樣只需在 C 程序中定義這些程序?yàn)橥獠空{(diào)用即可。這部分的工作重點(diǎn)是針對運(yùn)算量大的模塊用匯編語言進(jìn)行代碼優(yōu)化。 圖 32 MELP 聲碼器的合成器 低通濾波數(shù)字話音整數(shù)基因提取分?jǐn)?shù)基因分析及 帶 通濁音強(qiáng)度LPC 分析LPC 殘差計(jì)算增益計(jì)算量化后的LPC 系數(shù) 進(jìn) 行殘差計(jì)算基因倍增檢測 非周期標(biāo)志判決帶通濁音強(qiáng)度修正峰值檢測 多級矢量量化基因量化增益量化LSF 參數(shù)提取傅里葉譜幅度計(jì)算感覺加權(quán)矢量量化通信傳輸基音和顫動標(biāo)志 反D FT傅里葉幅度噪聲發(fā)生器脈沖整形濾波器整形濾波器子帶語音特性整形濾波器增益增益調(diào)整因子自適應(yīng)譜增強(qiáng) 濾波器線譜對合成濾波器合成語音西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 20 MELP編解碼模塊的 DSP實(shí)現(xiàn) TI為 MELP算法提供了一套標(biāo)準(zhǔn) C程序，但是將該源代碼直接移植到 TMS320F2812編譯后，并不能滿足實(shí)時性要求，而且占用大量的存儲空間。 19 圖 31 MELP 聲碼器的分析器流程框圖 合成器 MELP 合成器 (如圖 3— 2)的任務(wù)是根據(jù)分析器提取的參數(shù)進(jìn)行解碼，恢復(fù)原始語音，并根據(jù)語音特點(diǎn)采用一些技術(shù)來改善語音的主觀聽覺質(zhì)量 。 MELP 的參數(shù)量 化部分使用了多級矢量量化，有效的降低了 LSF 參數(shù)量化的 bit 數(shù)，并具有較低的運(yùn)算復(fù)雜度。 分析器 MELP 分析器算法流程如圖 3— 1，整個算法分為參數(shù)提取和參數(shù)量化兩部分。分析器用于對原始語音信號進(jìn)行分段分析，提取各個語音段的特征參數(shù)并進(jìn)行量化編碼，得到待傳輸或存儲的數(shù)字碼元。MELP 聲碼器的語音質(zhì)量可以在很低的碼率下達(dá)到較好的聽覺效果，其主觀聽覺質(zhì)量接近美國聯(lián)邦 4． 8kbps 的 CELP【 27】 。 5) 脈沖散布。 3) 自適應(yīng)譜增強(qiáng)。 ) {R_laointer=R_pointer︿ l； R_eounter=0； Read_f=l； //編碼函數(shù)對此標(biāo)志進(jìn)行查詢，等于 1 時，開始讀取一幀數(shù)據(jù)進(jìn) //行編解碼處理，同時將 read_f 置 0 }} 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 18 第 3 章 MELP 算法及其 DSP 實(shí)現(xiàn) MELP 聲碼器在經(jīng)典二元激勵 LPC 聲碼器的基礎(chǔ)上，加入一些新的特征： 1）混合脈沖和噪聲激勵。 //接收二級緩沖區(qū)指針 在接收中斷服務(wù)程序中，計(jì)數(shù)器 R_counter 計(jì)數(shù)到 180 時，對 R_counter 清零，并讓 pointer 和 1 進(jìn)行異或，這樣編碼函數(shù)每次只需對 R_buff[R_pointer][0]的 180 個數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取就可以了。而發(fā)送部分，每次 McBSP0 的發(fā)送移位寄存器 1(DxRl)空了以后，就向 CPU 申請中斷， CPU 響應(yīng)中斷，就轉(zhuǎn)到發(fā)送中斷服務(wù)程序，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)從發(fā)送緩沖區(qū) X_buff 提出并寫入 DXRl 中，同時發(fā)送計(jì)數(shù)器 X_counter 加 l。首先，主程序在初始化部分設(shè)置允許 McBSP0 的接收和發(fā)送中斷請求，由以下指令完成： asm(” ssbx INTM” )； i_PMST： PMST=iamp。 其它初始化函數(shù)在相應(yīng)模塊介紹。 initVal（）、 initInterrupt（）、 imtMcBSP0（）、 initMcBSPl（）、 initCLK（）主要完成以下的初始化工作； CPU 各種控制方式寄存器的設(shè)置，包括時鐘模式寄存器CLKMD的設(shè)置，軟件可編程等待狀態(tài)寄存器 SWSSR和軟件等待狀態(tài)控制寄存器 SWCR的設(shè)置，寄存器 PMST、 ST0_5 STl_55 的設(shè)置，中斷可屏蔽寄存器 IMR 和中斷標(biāo)志寄存器 IFR 的設(shè)置。 初始化模塊 初始化模塊主要完成硬件及各函數(shù)的初始化，因?yàn)檫@部分不占用編解碼的時延，所以用 C 語言來編程。主要由中斷程序完成。并封裝或解析密鑰同步序列包，通過密鑰同步包保證加解密的同步及傳 送的實(shí)時性。密鑰協(xié)商的同時，通信雙方還應(yīng)該交換初始化向量等安全參數(shù)。加解密模式和會話密鑰都通過密鑰協(xié)商產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)通話的一次一密。語音加密與解密模塊是保證語音通信安全的核心。本系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)了碼速率為2． 4kbps 的混合激勵線性預(yù)測 MELP 算法，用作本系統(tǒng)的語音編碼處理，其語音質(zhì)量好于同速率的線性預(yù)測編碼算法 LPC 一 10，是有較好應(yīng)用前景的低速率語音編碼算法。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 的語音信號采集系統(tǒng)。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)語音處理算法。第二種方案是采用專用芯片進(jìn)行語音信號采集和處理，其特點(diǎn)是價(jià)格較便宜，處理速度快，缺點(diǎn)是不夠靈活。一種是利用通用計(jì)算機(jī)加 A/D 卡構(gòu)成硬件平臺，語音處理算法由軟件實(shí)現(xiàn)。 2．語音采集和回放模塊 該模塊是語音加密通信的起點(diǎn)和終點(diǎn)，完成系統(tǒng)的語音輸入和輸出。這也為以后系統(tǒng)升級以及更換其它算法進(jìn)行試驗(yàn)提供了方便。本系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)正是采用這種模塊化的思想。最后繼續(xù)對發(fā)送和接收緩沖區(qū)進(jìn)行檢測，重復(fù)上述循環(huán)。接著 MELP 編解碼函數(shù)對數(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)，在接收過程中，如果接收滿一個分組數(shù)據(jù) (兩個 MELP 語音幀 )，調(diào) AES 加解密函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，最后存儲重構(gòu)語音數(shù)據(jù)，等待發(fā)送。然后開中斷，允許McBSPO 接收和發(fā)送中斷請求，進(jìn)入主循環(huán)，開始接收、處理和發(fā)送數(shù)據(jù)。主程序流程如圖 23。 JTAG 接口為系統(tǒng)調(diào)試工具提供接口。 FLASH 和 SDRAM 主要功能是為系統(tǒng)提供代碼和數(shù)據(jù)以及變量的存儲空間。 圖 22 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)硬件平臺 音頻處理模塊的主要功能是對輸入的語音信號作混疊濾波、放大、 A／ D 轉(zhuǎn)換，完成模擬語音信號的采樣；同時對輸出的數(shù)字語音信號進(jìn)行 D／ A 轉(zhuǎn)換、平滑濾波。 分析圖 21 語音流程可知，本系統(tǒng)硬件平臺至少應(yīng)該 包括：實(shí)時語音采集與回放的實(shí)時語音采集 語音編碼 語音加密 語音發(fā)送語音打包語音解包 語音接收語音解密語音解碼實(shí)時語音回放發(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 的低碼率語音實(shí)時保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 13 音頻處理模塊，語音編碼