基于Nios II的语音加密传输系统设计
2.1.1 语音采集回放模块
本模块是语音加密通信的起点和终点，利用开发板上提供的24 bit CD-Quality Audio CODEC芯片完成系统的语音信号Ａ/D、D/A转换。CODEC芯片中封装了WM8731编解码器，其采样率为8 kHz～96 kHz可变。它是一款低电压并集成有耳机驱动的编解码器，提供立体音和单一麦克风音频输入，并具有降低输入噪声、可编程音量控制以及适合于电气型麦克风的输出电压可增益的特点。WM8731内部有11个寄存器，该芯片的初始化和内部功能设置是通过I2C控制模块对其内部的这11个寄存器进行相应的配置实现的。本设计中WM8731工作于从模式，采样频率设为48 kHz，转换的数据位长度为16 bit，WM8731的寄存器参数(十六进制)设置如表1。
表1 寄存器配置参数
寄存器配置参数
根据芯片寄存器的特点和功能，要进行I2C控制模块的设计，并以IP核的形式通过SoPC Builder连接到系统的Avalon总线上。I2C控制模块通过该模块中I2C_SDAT数据端口，向目标寄存器写入相应的控制信息，达到对WM8731工作状态的配置。
2.1.2 G.729A语音编解码模块
基于CELP编码模型的G.729A处理语音帧，以每秒8 000样点进行采样，每10 ms对应80个样点为1帧，语音质量与32 kb/s的ADPCM相当。
(1)编码器
G.729A编码器的工作原理如图3所示。在预处理块中，输入的语音信号首先进行高通滤波并按比例放缩，对预处理后的语音每10 ms计算一次LP滤波器系数，把LP系数转换成为线频谱对系数LSP，并将LSP系数利用预测式两级矢量量化(VQ)量化为18 bit。激励信号用分析合成(ABS)搜索算法进行选择，在该算法中，依据感觉加权失真测度使原始与重建语音信号间的误差最小。
G.729A编码结构
图3 G.729A编码结构
具体上是重构语音与预处理后语音的误差，通过自适应感觉加权滤波器，搜索最小的滤波后误差，感觉加权滤波器的自适应系数由未量化的LP系数控制。G.729A的激励参数（自适应和固定码书）每5 ms(40个样点)子帧确定一次。首先一个开环基音延迟每10 ms帧基于感觉加权语音信号估算一次，使LP残差信号通过加权合成滤波器获得目标信号。滤波器的初始状态是通过对LP残差信与激励之间的误差进行滤波来更新的。在得到加权合成滤波器的冲击响应后，就可以利用冲击响应和目标信号进行闭环基音分析(寻找自适应码书的时延和增益)。在考虑自适应码书的影响后更新目标信号，用于搜索固定码书。自适应码书和固定码书搜索完成后用7 bit进行矢量量化。最后滤波器的记忆值由已确定的激励信号来更新。
(2)解码器
G.729A解码器原理如图4所示。首先，从接收到的比特流中提取参数标号，这些标号被译码以获得对应一个10 ms语音帧的编码参数。这些参数是LSP，2个分数基音延迟，2个固定码书矢量，2组自适应码书和固定码书增益。LSP系数在每一子帧中进行插值并转化为 LP滤波器系数。然后，对每5 ms子帧进行如下操作： 将自适应码书和固定码书乘以各自增益后相加，获得激励；用LP合成滤波器对激励滤波，获得合成语音；合成语音通过一个包括长时和短时合成滤波器的自适应后滤波器进行增强，然后经高通滤波和定标去除得到最终的重建语音。
G.729A解码器结构
图4 G.729A解码器结构
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