2000TM聲碼器在數(shù)字加密電話中的應用方案

關鍵詞： AMBE-2000TM , 聲碼器 , 數(shù)字加密電話

引言

現(xiàn)今使用的普通電話機無論是傳統(tǒng)的脈沖、音頻兼容電話機，還是ISDN數(shù)字電話機或基于VOIP技術(shù)的IP電話，在其通信線路上傳播的都是明碼的模擬信號或數(shù)字信號。非法竊聽者只需把與電氣性能相匹配的通信終端設備接入到合法的通信線路上，就能完整地截獲通信信息。而數(shù)字加密電話與普通電話相比，在信號的傳輸環(huán)節(jié)又增加了一些功能單元(如A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)壓縮單元、加密算法單元、調(diào)制解調(diào)器、解密算法單元、數(shù)據(jù)減壓單元、D／A轉(zhuǎn)換器等)，通過這些功能單元可將模擬形式的語音信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式的語音信息，經(jīng)過數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)加密后，再通過調(diào)制解調(diào)器加載到電話線上。由于加密算法具有擾亂和擴散功能，它能使被傳輸?shù)恼Z音信息轉(zhuǎn)變成表面上看起來無規(guī)則、無意義的亂碼信息，因此，讓竊聽者無法監(jiān)聽，從而實現(xiàn)信息安全和保密功能。

1 MBE算法和AMBE-2000TM簡介

1.1 MBE算法介紹

一般語音編碼算法可分為三類：波形編碼、參數(shù)編碼和混合編碼。其中波形編碼包括脈沖編碼調(diào)制(PCM)、自適應差分編碼(ADPCM)、增量調(diào)制編碼等；參數(shù)編碼包括線性預測編碼(LPC)；而混合編碼則包括碼本激勵線性預測編碼(CELP)、時頻插值編碼(TFI)和多帶激勵編碼(MBE)等。

MBE(Multiband Excitation Coding)算法是80年代由美國麻省理工學院(MIT—Massachusetts Institute of Technology)的D．W．Griffin博士提出的。MBE編碼方案首先將一幀語音的頻譜按基音各諧波頻率分成若干個諧波段。再以若干個諧波段為一組進行分段，并分別對各段進行清／濁音(U／V)判決。因此，總的激勵信號是由各帶激勵信號相加而構(gòu)成的。對于濁音段而言。可用以基音P為周期的脈沖序列來作為激勵信號：而對于清音段，則以白噪聲作為激勵信號。之后再用該激勵信號激勵聲道濾波器，最終合成出具有較高自然度的語音。

MBE模型能夠使合成語音譜與原語音譜在細致結(jié)構(gòu)上很好地擬合，因此，在低比特率的情況下，其合成語音的音質(zhì)依然能夠保持較高的自然度。

1．2 AMBE-2000TM簡介

在MIT開發(fā)了MBE編碼器以后，美國數(shù)字語音系統(tǒng)公司DVSI(Digital Voice System Inc)繼續(xù)對這個技術(shù)進行了開發(fā)，并在改進的多帶激勵(IMBE--Improved MBE)和先進的多帶激勵(AMBE--Advanced MBE)編碼器商業(yè)化的過程中取得了很大的成功。1997年，由DVSI公司開發(fā)的3．6 kbps AMBE編碼器的性能已與全速率(8kbps)VSELP北美數(shù)字蜂窩標準(IS-54)的性能相當。1998年。由DVSI公司開發(fā)的4 kbps AMBE編碼器，其性能與ITU—T8 kbps CS—CELP標準的性能相當。

DVSI開發(fā)的AMBE-2000TM是一種高性能的多速率語音壓縮編解碼芯片，它采用MBE (AMBE)算法，其語音編解碼速率可在2000～9600 bps之間以50 Bits的間隔設置。在芯片內(nèi)部有相互獨立的語音編碼和解碼通道。由于其編解碼可同步進行，所以可完全支持全雙工通信方式，并且所有的編解碼操作都可在芯片內(nèi)部完成．而不需要外擴的存儲器。此外，它還具有FEC(前向糾錯)、VAD(語音活動監(jiān)視)和DTMF信號檢測功能。AMBE-2000TM的這些特性使得它非常適合于數(shù)字語音通信、加密語音通信以及其它需要對語音進行數(shù)字處理的場合。

2 接口設計

2．1 聲碼器和語音編解碼器的接口設計

語音接口一般是采用外置的A／D—D／A芯片，流入和流出的語音數(shù)據(jù)流格式應該匹配。也就是說，它們必須具有統(tǒng)一的格式(16位線性，8位A律，8位U律)。在筆者做設計的時候，首先考慮的是A/D—D／A芯片的選擇、通道接口的選擇以及語音和FEC速率等。其中。A／D—D／A芯片的選擇對于設計出具有優(yōu)良語音質(zhì)量的系統(tǒng)是非常關鍵的。

從AMBE-2000TM的用戶手冊上可以看出，可以作為其外部A／D—D／A部分器件的。除了通用的16位線性器件、8位A律或U律編碼器件外。還有一種特別的器件，那就是AD (美國模擬器件)公司的AD73311AR。AD73311AR芯片內(nèi)部集成有16位A/D和D／A轉(zhuǎn)換以及編解碼功能，并具有3V和5V兩種工作電壓。AD73311AR采用全雙工串行工作方式，且內(nèi)置5個控制寄存器，可通過串口對其輸入／輸出增益、串口時鐘速率、幀速率、參考電平等進行控制。另外，如果選用AD73311AR，則AMBE-2000TM對它的命令字發(fā)送是自動進行的。AMBE-2000與AD73311AR的連接方式如圖1所示。

使用時，AD73311的SE(即串口使能)端必須接高電平，否則AD73311將沒有SCLK串口時鐘輸出。復位后。AMBE-2000TM對AD73311的初始化是自動進行的。AMBE-2000TM依次發(fā)送Ox8113、Ox82f19、Ox8300及Ox8001。前面3個控制字用于設置AD73311的以下工作狀態(tài)：

DMCLK(設備內(nèi)部主時鐘)-MCLK(外部主時鐘)／2=8．046 MHz；

SCLK(串口時鐘)=MCLK／16=1．024MHz；

Sample rate(采樣頻率)=MCLK/512=32 kHz。

2．2 聲碼器和主機DSP的接口設計

AMBE-2000TM與主機的接口主要有兩種選擇模式：主動模式和被動模式。在主動模式下。數(shù)據(jù)選通信號是由AMBE-2000TM聲碼器芯片內(nèi)部產(chǎn)生的；而在被動模式下，數(shù)據(jù)選通信號則由外部來提供。

主機芯片可采用Texas Instruments (美國德州儀器公司)生產(chǎn)的TMS320F2812，這是一種帶有flash ROM的32位定點數(shù)字信號處理器芯片。AMBE-2000TM聲碼器在用戶手冊的硬件信息部分指出：AMBE-2000TM聲碼器芯片的核心使用的就是一個數(shù)字信號處理器芯片。其型號是TM320LC541B-66。AMBE-2000TM聲碼器的對外輸出為16位全雙工串行口。這與數(shù)字信號處理器芯片的緩沖串行口(BSP)一致。所以，與主機TMS320F2812連接時，可以十分方便地使用TMS320F28x系列芯片所具有的多通道緩沖串行口(McBSP)來進行操作。AMBE-2000聲碼器與TMS320F2812數(shù)字信號處理器的連接方式如圖2所示。

聲碼器與主機接口的數(shù)據(jù)格式分為兩種：一種是有格式，另一種是無格式。在有格式情況下，AMBE-2000TM大約每20 ms生成一個壓縮數(shù)據(jù)包(也就是一幀)，每幀24個雙字，每個雙字16位。同時AMBE-2000TM會從主機接口收到一幀。其中，每幀前12個雙字是ID狀態(tài)和控制信息，且第一個雙字固定為Ox13EC；第13至第24個雙字是壓縮語音的數(shù)據(jù)信息。根據(jù)數(shù)據(jù)率的不同，其數(shù)據(jù)位數(shù)也不相同。數(shù)據(jù)位數(shù)和壓縮數(shù)據(jù)率的關系如下：

位數(shù)=壓縮數(shù)據(jù)率(bps)／50(bps)

例如，在最低壓縮率為2 Kbps時，數(shù)據(jù)位數(shù)為2000／50即40位。

AMBE-2000TM與TMS320F2812的通信可采用中斷方式。每一次中斷執(zhí)行一次數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。也可采用查詢方式。AMBE-2000TM每產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)包后，其EPR管腳會輸出一個短的負脈沖指示。當EPR輸出由高到低的脈沖時，系統(tǒng)將檢測CHAN_TX_STB引腳，并讀取CHAN_TX_DATA引腳上的數(shù)據(jù)。如果頭字不是Ox13EC，則丟棄。當?shù)玫降氖荗x13EC后。再讀取這一幀余下的數(shù)據(jù)。

3 工作流程

本設計的系統(tǒng)工作流程如圖3所示。電話聽筒傳入的語音信號經(jīng)由濾波電路2處理后，將由第一A／D、D／A轉(zhuǎn)換器3轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再由數(shù)字語音編解碼單元4將碼率大幅度降低。接著由數(shù)字信號處理器進行DSP壓縮、加密算法處理，以將數(shù)據(jù)中的冗余降到最低并加密成密文，同時加上糾錯碼，最后由調(diào)制解調(diào)器10將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當對方話機的調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)接收下來后，再由數(shù)字信號處理器DSP對接收到的數(shù)據(jù)進行解密、解壓縮，最后由數(shù)字語音編解碼單元4、第二A/D、D／A轉(zhuǎn)換器5轉(zhuǎn)換并放大還原成聲音。

4 結(jié)束語

本文所設計的數(shù)字加密電話系統(tǒng)，在較低的數(shù)據(jù)碼率(2．0 Kbps)傳輸時，輸出的語音仍然非常清晰，幾乎與普通模擬語音電話一致。因此，與普通電話相比，有著巨大優(yōu)勢。這種用AMBE2000TM與AD73311AR相結(jié)合的設計方法，已經(jīng)采用參數(shù)編碼降低了數(shù)碼率。此外，在主機內(nèi)還使用了統(tǒng)計學算法，更進一步地降低了數(shù)碼率。這樣不但可以節(jié)約存儲資源，而且能夠減小對日益緊張的通信帶寬的需求。此外，主機內(nèi)還可根據(jù)需求對語音數(shù)據(jù)進行處理，靈活性較大。因此，AMBE-2000TM語音壓縮編解碼芯片將會有十分廣闊的應用前景。