關(guān)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(jī)無(wú)論是傳統(tǒng)的脈沖、音頻兼容電話機(jī)，還是ISDN數(shù)字電話機(jī)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(hào)或數(shù)字信號(hào)。非法竊聽(tīng)者只需把與電氣性能相匹配的通信終端設(shè)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(hào)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?jiǎn)卧?、D／A轉(zhuǎn)換器等)，通過(guò)這些功能單元可將模擬形式的語(yǔ)音信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字形式的語(yǔ)音信息，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)加密后，再通過(guò)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(kuò)散功能，它能使被傳輸?shù)恼Z(yǔ)音信息轉(zhuǎn)變成表面上看起來(lái)無(wú)規(guī)則、無(wú)意義的亂碼信息，因此，讓竊聽(tīng)者無(wú)法監(jiān)聽(tīng)，從而實(shí)現(xiàn)信息安全和保密功能。

1 MBE算法和AMBE-2000TM簡(jiǎn)介

1.1 MBE算法介紹

一般語(yǔ)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(yīng)差分編碼(ADPCM)、增量調(diào)制編碼等；參數(shù)編碼包括線性預(yù)測(cè)編碼(LPC)；而混合編碼則包括碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼(CELP)、時(shí)頻插值編碼(TFI)和多帶激勵(lì)編碼(MBE)等。

MBE(Multiband Excitation Coding)算法是80年代由美國(guó)麻省理工學(xué)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(yǔ)音的頻譜按基音各諧波頻率分成若干個(gè)諧波段。再以若干個(gè)諧波段為一組進(jìn)行分段，并分別對(duì)各段進(jìn)行清／濁音(U／V)判決。因此，總的激勵(lì)信號(hào)是由各帶激勵(lì)信號(hào)相加而構(gòu)成的。對(duì)于濁音段而言?？捎靡曰鬚為周期的脈沖序列來(lái)作為激勵(lì)信號(hào)：而對(duì)于清音段，則以白噪聲作為激勵(lì)信號(hào)。之后再用該激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)聲道濾波器，最終合成出具有較高自然度的語(yǔ)音。

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

1．2 AMBE-2000TM簡(jiǎn)介

在MIT開(kāi)發(fā)了MBE編碼器以后，美國(guó)數(shù)字語(yǔ)音系統(tǒng)公司DVSI(Digital Voice System Inc)繼續(xù)對(duì)這個(gè)技術(shù)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，并在改進(jìn)的多帶激勵(lì)(IMBE--Improved MBE)和先進(jìn)的多帶激勵(lì)(AMBE--Advanced MBE)編碼器商業(yè)化的過(guò)程中取得了很大的成功。1997年，由DVSI公司開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)(IS-54)的性能相當(dāng)。1998年。由DVSI公司開(kāi)發(fā)的4 kbps AMBE編碼器，其性能與ITU—T8 kbps CS—CELP標(biāo)準(zhǔn)的性能相當(dāng)。

DVSI開(kāi)發(fā)的AMBE-2000TM是一種高性能的多速率語(yǔ)音壓縮編解碼芯片，它采用MBE (AMBE)算法，其語(yǔ)音編解碼速率可在2000～9600 bps之間以50 Bits的間隔設(shè)置。在芯片內(nèi)部有相互獨(dú)立的語(yǔ)音編碼和解碼通道。由于其編解碼可同步進(jìn)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(kuò)的存儲(chǔ)器。此外，它還具有FEC(前向糾錯(cuò))、VAD(語(yǔ)音活動(dòng)監(jiān)視)和DTMF信號(hào)檢測(cè)功能。AMBE-2000TM的這些特性使得它非常適合于數(shù)字語(yǔ)音通信、加密語(yǔ)音通信以及其它需要對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行數(shù)字處理的場(chǎng)合。

2 接口設(shè)計(jì)

2．1 聲碼器和語(yǔ)音編解碼器的接口設(shè)計(jì)

語(yǔ)音接口一般是采用外置的A／D—D／A芯片，流入和流出的語(yǔ)音數(shù)據(jù)流格式應(yīng)該匹配。也就是說(shuō)，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(shè)計(jì)的時(shí)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(yǔ)音和FEC速率等。其中。A／D—D／A芯片的選擇對(duì)于設(shè)計(jì)出具有優(yōu)良語(yǔ)音質(zhì)量的系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。

從AMBE-2000TM的用戶手冊(cè)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(guó)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(gè)控制寄存器，可通過(guò)串口對(duì)其輸入／輸出增益、串口時(shí)鐘速率、幀速率、參考電平等進(jìn)行控制。另外，如果選用AD73311AR，則AMBE-2000TM對(duì)它的命令字發(fā)送是自動(dòng)進(jìn)行的。AMBE-2000與AD73311AR的連接方式如圖1所示。

使用時(shí)，AD73311的SE(即串口使能)端必須接高電平，否則AD73311將沒(méi)有SCLK串口時(shí)鐘輸出。復(fù)位后。AMBE-2000TM對(duì)AD73311的初始化是自動(dòng)進(jìn)行的。AMBE-2000TM依次發(fā)送Ox8113、Ox82f19、Ox8300及Ox8001。前面3個(gè)控制字用于設(shè)置AD73311的以下工作狀態(tài)：

DMCLK(設(shè)備內(nèi)部主時(shí)鐘)-MCLK(外部主時(shí)鐘)／2=8．046 MHz；

SCLK(串口時(shí)鐘)=MCLK／16=1．024MHz；

Sample rate(采樣頻率)=MCLK/512=32 kHz。

2．2 聲碼器和主機(jī)DSP的接口設(shè)計(jì)

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

主機(jī)芯片可采用Texas Instruments (美國(guó)德州儀器公司)生產(chǎn)的TMS320F2812，這是一種帶有flash ROM的32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器芯片。AMBE-2000TM聲碼器在用戶手冊(cè)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(gè)數(shù)字信號(hào)處理器芯片。其型號(hào)是TM320LC541B-66。AMBE-2000TM聲碼器的對(duì)外輸出為16位全雙工串行口。這與數(shù)字信號(hào)處理器芯片的緩沖串行口(BSP)一致。所以，與主機(jī)TMS320F2812連接時(shí)，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(lái)進(jìn)行操作。AMBE-2000聲碼器與TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器的連接方式如圖2所示。

聲碼器與主機(jī)接口的數(shù)據(jù)格式分為兩種：一種是有格式，另一種是無(wú)格式。在有格式情況下，AMBE-2000TM大約每20 ms生成一個(gè)壓縮數(shù)據(jù)包(也就是一幀)，每幀24個(gè)雙字，每個(gè)雙字16位。同時(shí)AMBE-2000TM會(huì)從主機(jī)接口收到一幀。其中，每幀前12個(gè)雙字是ID狀態(tài)和控制信息，且第一個(gè)雙字固定為Ox13EC；第13至第24個(gè)雙字是壓縮語(yǔ)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(guān)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(shí)，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(gè)數(shù)據(jù)包后，其EPR管腳會(huì)輸出一個(gè)短的負(fù)脈沖指示。當(dāng)EPR輸出由高到低的脈沖時(shí)，系統(tǒng)將檢測(cè)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(dāng)?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(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作流程如圖3所示。電話聽(tīng)筒傳入的語(yǔ)音信號(hào)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(hào)，再由數(shù)字語(yǔ)音編解碼單元4將碼率大幅度降低。接著由數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)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(shí)加上糾錯(cuò)碼，最后由調(diào)制解調(diào)器10將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。當(dāng)對(duì)方話機(jī)的調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)接收下來(lái)后，再由數(shù)字信號(hào)處理器DSP對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密、解壓縮，最后由數(shù)字語(yǔ)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(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)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(shí)，輸出的語(yǔ)音仍然非常清晰，幾乎與普通模擬語(yǔ)音電話一致。因此，與普通電話相比，有著巨大優(yōu)勢(shì)。這種用AMBE2000TM與AD73311AR相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法，已經(jīng)采用參數(shù)編碼降低了數(shù)碼率。此外，在主機(jī)內(nèi)還使用了統(tǒng)計(jì)學(xué)算法，更進(jìn)一步地降低了數(shù)碼率。這樣不但可以節(jié)約存儲(chǔ)資源，而且能夠減小對(duì)日益緊張的通信帶寬的需求。此外，主機(jī)內(nèi)還可根據(jù)需求對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，靈活性較大。因此，AMBE-2000TM語(yǔ)音壓縮編解碼芯片將會(huì)有十分廣闊的應(yīng)用前景。