CN207993476U - 高质量低速率的双主机加密型声码器系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了高质量低速率的双主机加密型声码器系统，包括语音处理单元、主控单元和辅助单元，语音处理单元为DSP主机模块，且DSP主机模块包括音频处理模块、DSP模块、声卡模块和回波抑制模块，主控单元为ARM主机模块，且ARM主机模块包括显示部分、键盘部分和网络控制部分，辅助单元包括电池和电源管理部分。本实用新型设计合理，结构简单，双主机控制，语音编码质量高，有效实现噪声抑制，节省宽带，本实用新型可以使得工作人员按照符合数据传输格式的方式和外部设备通信，发送查询帧对传输过程进行监控，能够很好的运用到卫星通信、数字无线通信、电话通信等领域中。

Description

高质量低速率的双主机加密型声码器系统

技术领域

本实用新型属于数字语音通信技术领域，具体涉及高质量低速率的双主机加密型声码器系统。

背景技术

高质量、低速率的语音编码算法在现代通讯系统中地位越来越重要，被广泛应用于诸如IP电话、语音信箱、军事无线通讯等领域。特别是在一些特殊的应用领域，信道带宽很窄而且误码率较高，要在这种信道上实现语音通讯，低速和甚低速语音压缩编码技术是关键。

声码器系统(vocoder)就是一种利用高性能数字信号处理芯片，实现在发送端对数字语音信号进行高质量、低速率的压缩编码，在接收端进行数字语音解码，还原语音信号的嵌入式语音处理系统。为了更好地节省传输信道带宽，增强语音通信抗干扰能力和保密性能，需要尽可能地降低语音编码速率。为了满足我国移动、无线、卫星等通信的需要自主发展的需要，高质量多速率功能完善接口灵活的声码器成为了必须解决的问题。

当前，声码器的算法研究已经非常成熟。编码算法种类繁多，包括国外的MELP、AMBE、CELP等，国内的SELP。编码速率从高速率、中速率和低速率也都基本覆盖，从64kbps到0.6kbps都有相应的算法提出。这些算法为声码器的研制开发提供的基本的技术基础。基于这些语音编码算法的研究成功，研制出了各种各样的声码器，用于满足话音通信的需要。

以前由于硬件条件的限制，此类的低速率复杂编解码算法往往只能停留在原理和计算机实现阶段。近些年来，由于VLSI技术的蓬勃发展，尤其是高性能数字信号处理芯片的普及，这些编码算法开始大规模的运用到了现实领域。这类应用的方式，都是采用软件实现标准的移动通信语音编码标准，由大的移动厂商或方案提供商在基带芯片中将语音编码算法进行集成。但是，这种应用方式的代价较高，集成后修改难度大，主要应用于移动通信这一类应用量大、实现方案已经标准化的领域。在某些专用领域，如卫星通信等，应用量还达不到采用基带芯片集成的方法，而且不同类型卫星采用的编码速率和功能要求可能会发生变化，声码器一般采用单独的模块实现。

国内采用单独模块实现声码器的技术也相对较多。比如采用高性能数字信号处理的DSP芯片，或通用处理器ARM芯片实现语音编码算法，或采用专用编解码芯片实现话音通信功能。

但是，这些实现方法基本存在以下问题。一是部分实现语音编码速率较为单一、功能较少，大多只完成语音编码和解码功能。其实，在语音通信中，语音信令的处理、语音通信流程的处理是十分必要的。另外，语音通信中存在的回波问题等都会对语音通信质量带来影响。二是只将声码器系统作为一个嵌入式语音处理模块看待，没有友好的人机交互的接口，用户使用这些系统很不友好，过于底层化，难于调试和产品化，迫切需要带有通用操作系统和标准人机接口的声码器系统产品的出现。三、用于算法实现的DSP芯片是一种开放式的总线结构，因此别有用心的人可以通过JTAG接口和相应软件访问并分析DSP内部存储区的代码和数据，或者仅仅是直接导出并复制这些信息，就可以轻易窃取产品。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供高质量低速率的双主机加密型声码器系统，以解决上述背景技术中所提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：高质量低速率的双主机加密型声码器系统，其结构要点在于：包括语音处理单元、主控单元和辅助单元，语音处理单元为DSP主机模块，且DSP主机模块包括音频处理模块、DSP模块、声卡模块和回波抑制模块，主控单元为ARM主机模块，且ARM主机模块包括显示部分、键盘部分和网络控制部分，辅助单元包括电池和电源管理部分。

作为优选的，DSP模块采用型号为TMS320VC5510-200M的芯片。

作为优选的，声卡模块采用型号为WM960的声卡芯片。

作为优选的，回波抑制模块采用型号为ZL38002的回拨抑制芯片。

作为优选的，ARM主机模块采用型号为MCIMX6G2的芯片。

与现有技术相比，本实用新型设计合理，结构简单，双主机控制，语音编码质量高，有效实现噪声抑制，节省宽带，本实用新型可以使得工作人员按照符合数据传输格式的方式和外部设备通信，发送查询帧对传输过程进行监控，能够很好的运用到卫星通信、数字无线通信、电话通信等领域中。

附图说明

图1为本实用新型的总体结构示意图；

图2为本实用新型的DSP主机模块功能框图；

图3为本实用新型的主控单元功能框图；

图4为本实用新型的语音编解码实现模型；

图5为本实用新型的信令音的产生流程框图；

图6为本实用新型的信令检测的流程框图；

图7为本实用新型的一个实施例的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的解释说明，但不限制本实用新型的保护范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

请参阅图1-3，本实用新型提供一种技术方案，高质量低速率的双主机加密型声码器系统，包括语音处理单元、主控单元和辅助单元，所述的语音处理单元为DSP主机模块，且DSP主机模块包括音频处理模块、DSP模块、声卡模块和回波抑制模块，所述的主控单元为ARM主机模块，且ARM主机模块包括显示部分、键盘部分和网络控制部分，所述的辅助单元包括电池和电源管理部分。

其中，在本实施例中，所述的DSP模块采用TI公司的型号为TMS320VC5510-200M的芯片，该芯片采用哈佛结构，有12组独立的总线，其中包括3组数据读、2组数据写、5组数据地址、1组程序读和1组程序写总线，具有24K字节的指令告诉缓冲Cache，320K字节的片内高速RAM，具有双MAC结构，特别适合于计算密集的应用场合，最高执行指令速度可达800MIPS，但在0.9V内核电压下内核功耗却仅为0.05mW/MIPS。非常适合高计算、低功耗场合使用。

其中，在本实施例中，所述的声卡模块采用Wolfson的型号为WM960的声卡芯片，该芯片内置有麦克风接口、立体声耳机驱动器，支持立体声D类扬声器驱动器，每声道输出到8欧姆BTL扬声器的功率为1W。该芯片具有高性能的立体声24比特模数转换器(ADC)和数模转换器(DAC)，其中数模转换器信噪比为98dB，采样率为48kHz、电压为3.3V时总谐波失真为-84dB，而模数转换器信噪比为95dB，采样率为48kHz、电压为3.3V时总谐波失真为-82dB。它主要应用于便携式电脑游戏、DVD播放器、手机多媒体等。同时它还具有噪声抑制功能，可编程自动电平控制/抑制器和噪声门限。

其中，在本实施例中，所述的回波抑制模块采用Zarlink公司的型号为ZL38002的回拨抑制芯片，该芯片专为免提、全双工数字电话、保密通信系统等设计，具有112ms的声学自适应回波抵消能力，可以进行超过12dB的噪声抑制功能。

其中，在本实施例中，所述的ARM主机模块采用Freescale的i.MX6UltraLite系列芯片中的型号为MCIMX6G2的芯片。Freescale公司的i.MX6UltraLite是一个高性能、超高效处理器子系列，采用先进的ARM Cortex-A7内核，运行速度高达528MHz。i.MX6UltraLite应用处理器包括一个集成的电源管理模块，降低了外接电源的复杂性，并简化了上电时序。这个系列的每个处理器提供多种存储器接口，其中包括16位LPDDR2，DDR3，DDR3L，NANDFlash，NOR Flash，eMMC。同时该芯片具有较高的安全性能，具有TRNG、加密引擎(AES/TDES/SHA)以及安全引导，防止恶意窃取声码器软件，具有广泛的应用领域。

本实用新型的工作原理：

DSP主机模块，主要完成各种语音编解码算法、实现话音通信终端信令功能、中继信令功能、噪声抑制、回波抵消等功能，整个系统的麦克话筒组等模拟部分也由该单元进行处理；

ARM主机模块，主要完成流程控制，包括显示部分、键盘部分和网络控制部分，同时该单元具有较高的安全性能，具有TRNG、加密引擎(AES/TDES/SHA)以及安全引导，可以防止恶意盗取代码；

辅助单元，包括电池和电源管理部分，主要包含电池组、5V输入电源转换为电路各部分需求电源的功能，而接口时序、粘合逻辑功能主要通过CPLD来实现。

由于卫星通信不同轨道的卫星、不同的通信波段，其通信带宽不同，这就要求不同条件下语音编码速率不同。另外，卫星通信对抗干扰能力的要求和调制方式等也对语音编码的速率提出了不同需要。而且，编码速率要求能实时进行切换。另外，基于各种互通考虑，声码器要实现多种语音编码算法。为此，本实用新型实现了包括64kbps、8kbps、4kbps、2.4kbps、2.0kbps、1.2kbps、0.6kbps等多个速率的编码。这满足了卫星通信各个轨道卫星、各个波段卫星、各种应用环境的各种需求，确保了高质量话音通信和互通。本实用新型使用了统一的编解码模型，其实现模型如图4所示。

通信终端信令包括提示音、拨号音、忙音、按键音等。中继信令包括提示音、前向信令、后向信令等。这些信令音的实现包括信令音的产生和检测两大功能。本实用新型中信令音的产生采用了单音数字合成技术、多音频率叠加技术、单音时长控制技术。具体信令音的产生流程见图5。

本实用新型中信令检测采用了频谱分析和信号分类判决技术。频谱分析可以采用FFT、Goertzel等算法。对频谱分析结果，根据不同信号的特性进行判决检测。例如，针对DTMF信号，主要根据高低频谱对的频谱幅度大小差距、频谱位置、频谱峰值度等进行判决。针对用户信令音，主要根据频率峰值度、信令音时长特性等进行检测。为了避免误判，对检测结果采用了平滑后处理等技术。具体信令检测的流程见图6。

本实用新型包含通用的Linux3.14.38操作系统，提供友好的软件接口，包含有键盘、触摸屏幕显示、网络以及WiFi控制，和DSP通信，另外还包含通过IO来控制的硬件配置、指示灯等可扩展接口部分的软件资源。

加密声码器的实现

有效的保护知识产权是产品开发必须要考虑的因素。实现声码器算法的DSP芯片是一种开放式的总线结构，很容易被别有用心的人导出并复制这些信息，就可以轻易窃取产品。但是将程序交由芯片的生产商掩模入芯片内部的ROM储存区内，再去除DSP芯片中的JTAG逻辑模块，DSP内部的总线与外界隔离，这样从外部就无法获得片内的信息，然而当产品的产量不大的时候，掩模ROM在成本上来说是不现实的。本实用新型利用双主机的特点，利用Freescale的i.MX6UltraLite系列芯片中的TRNG、AES/TDES/SHA加密引擎以及安全引导来实现双主机联合加密。本实用新型加密的实现方式是：

1)为每一块电路板指定一个完全随机的密钥，将密钥和加密算法烧写入ARM主机；

2)使用该密钥和加密算法，将加密后的语音编解码算法的程序和数据写入DSP的外部存储Flash芯片之中。

3)将DSP设置成工作于HPI口boot模式，在每次重启之后，主机将一段BOOT程序装入特定起始位置包含了解码程序的程序空间里，并将的密钥加载到DSP内部的某个特定位置。ARM主机将DSP的RST引脚置高表示主机的load过程结束。DSP自动从该位置开始执行程序，读入加密了的程序和数据，并使用ARM主机写入的解密程序并结合密钥进行解密，解密后的程序和数据被装载入DSP的程序和数据段内开始正常的运行。

如图7所示，本实用新型的一个实施例利用了包括ARM主机模块及DSP主机模块双主机来实现声码器的各个功能，该实施例中，本声码器系统被用于一个特定作用的手持机应用场景中。在该场景下，用户设计的手持机直接使用本实用新型的键盘、显示以及WiFi的软硬件接口，控制编解码，进行人机交互，通过9芯航插接口进行供电和模拟语音输入/输出，用于无需了解内部硬件连接情况，也无需了解编解码底层数据，可以像使用电脑或者手机一样，编写自己的APP，实现各种需要的声码器功能，上手快，效果好。

本实用新型的有益效果：

(1)语音编码质量

语音编码在64kbps速率下，语音编码质量PESQ得分可以达到4.0分。在8kbps速率下，语音编码质量PESQ得分可以达到3.5分。在4kbps速率下，语音编码质量PESQ得分可以达到3.4分。在2.4kbps/2kbps速率下，语音编码质量PESQ得分可以达到3.2分。在1.2kbps速率下，语音编码质量PESQ得分可以达到3.0分。在0.6kbps速率下，语音编码质量PESQ得分可以达到2.7分。

(2)语音其他功能

本实用新型的回波抵消可以抵消的回波延时达到64ms；实现的噪声抑制可以将白噪声衰减达到35dB；在噪声条件下，话音激活检测将噪声误检为话音的情况不超过90％，能有效节省带宽；信号音产生频率准确度可以达到99％以上，时长控制没有误差。

(3)人机外接口功能

可以提供键盘、触摸屏幕显示、网络以及WiFi控制，和DSP通信，另外还包含通过IO来控制的硬件配置、指示灯等可扩展接口部分的软件资源。

本实用新型可以使得工作人员按照符合数据传输格式的方式和外部设备通信，发送查询帧对传输过程进行监控，能够很好的运用到卫星通信、数字无线通信、电话通信等领域中去。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.高质量低速率的双主机加密型声码器系统，其特征在于：包括语音处理单元、主控单元和辅助单元，所述的语音处理单元为DSP主机模块，且DSP主机模块包括音频处理模块、DSP模块、声卡模块和回波抑制模块，所述的主控单元为ARM主机模块，且ARM主机模块包括显示部分、键盘部分和网络控制部分，所述的辅助单元包括电池和电源管理部分。

2.根据权利要求1所述的高质量低速率的双主机加密型声码器系统，其特征在于：所述的DSP模块采用型号为TMS320VC5510-200M的芯片。

3.根据权利要求1所述的高质量低速率的双主机加密型声码器系统，其特征在于：所述的声卡模块采用型号为WM960的声卡芯片。

4.根据权利要求1所述的高质量低速率的双主机加密型声码器系统，其特征在于：所述的回波抑制模块采用型号为ZL38002的回拨抑制芯片。

5.根据权利要求1所述的高质量低速率的双主机加密型声码器系统，其特征在于：所述的ARM主机模块采用型号为MCIMX6G2的芯片。