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低功耗加密型語(yǔ)音硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

作者: 時(shí)間:2008-09-22 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

高質(zhì)量、低速率的語(yǔ)音編碼算法在現(xiàn)代通訊系統(tǒng)中地位越來(lái)越重要,被廣泛應(yīng)用于諸如IP電話(huà)、語(yǔ)音信箱、軍事無(wú)線(xiàn)通訊等領(lǐng)域。特別是在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域,信道帶寬很窄而且誤碼率較高,要在這種信道上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通訊,低速和甚低速語(yǔ)音壓縮編碼技術(shù)是關(guān)鍵。以前由于硬件條件的限制,此類(lèi)的低速率復(fù)雜編解碼算法往往只能停留在原理和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)階段。近些年來(lái),由于VLSI技術(shù)的蓬勃發(fā)展,尤其是高性能數(shù)字信號(hào)處理芯片的的普及,這些編碼算法開(kāi)始大規(guī)模的運(yùn)用到了現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。本次設(shè)計(jì)就是為這套軍用語(yǔ)音編碼算法標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一個(gè)通用編解碼平臺(tái)。該平臺(tái)已經(jīng)做為嵌入式語(yǔ)音模塊,應(yīng)用到語(yǔ)音編碼和語(yǔ)音合成等領(lǐng)域,并已小規(guī)模量產(chǎn)。
  
1.語(yǔ)音硬件平臺(tái)的總體介紹和系統(tǒng)框架
  
本語(yǔ)音信號(hào)處理平臺(tái)需要考慮以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì)要求。在運(yùn)算量方面,本平臺(tái)上運(yùn)行的幾種語(yǔ)音編碼算法都具有比較高的運(yùn)算復(fù)雜度,經(jīng)過(guò)CCS的仿真測(cè)試結(jié)果表明,至少要求芯片有50MIPS的處理能力。在接口設(shè)計(jì)方面,搭載本聲碼器模塊的通訊平臺(tái)定義了如表1所示的接口管腳,其中VIN和VOUT分別連接到通訊平臺(tái)的話(huà)筒和聽(tīng)筒上的輸入和輸出話(huà)音,PTT連接到話(huà)筒的按鈕上,按下PTT表示請(qǐng)求通話(huà)。TXD和RXD分別是發(fā)送和接收的數(shù)字語(yǔ)音碼流信號(hào),RTS和CD分別是發(fā)送和接收碼流指示,為低電平的時(shí)候表示碼流有效。TXC為系統(tǒng)的同步時(shí)鐘。在功耗方面,由于是手持式設(shè)備,要求采用設(shè)計(jì),以延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。另外,設(shè)計(jì)系統(tǒng)的安全性也是一個(gè)需要考慮的因素。
   


表1 硬件平臺(tái)接口信號(hào)定義
  
基于以上幾項(xiàng)設(shè)計(jì)要求,以及以前設(shè)計(jì)的原型系統(tǒng)原理[7],我們提出了一個(gè)基于TMS320VC5510A2和MSP430F149的設(shè)計(jì)方案。[1] 5510A2是德州儀器公司的55系列的最高端的產(chǎn)品,這個(gè)系列的DSP是特別針對(duì)手持式終端設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合設(shè)計(jì)的,同等條件下其內(nèi)核的功耗僅為54系列DSP的三分之一,而且具有更高的代碼執(zhí)行效率,其指令也與54系列的相互兼容,可以很方便的進(jìn)行代碼的移植。5510A2的最高數(shù)字信號(hào)的處理能力為200MIPS,能夠很好的滿(mǎn)足本平臺(tái)對(duì)運(yùn)算的要求。[6]MSP430F149是德州儀器生產(chǎn)的一款極的16位RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī),我們用他來(lái)做為主控芯片輔助DSP完成程序加載和系統(tǒng)的功能。圖1給出了該硬件平臺(tái)的總體框圖。
          

          
圖1 語(yǔ)音處理平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)總框圖
  
如圖所示,當(dāng)PTT被按下則表示請(qǐng)求通話(huà),話(huà)筒輸入的模擬話(huà)音VIN通過(guò)一個(gè)放大電路放大之后輸入語(yǔ)音CODEC芯片TLV320AIC11,TLV320AIC11內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成16bit的線(xiàn)性PCM格式并通過(guò)DSP的McBSP0口傳送到DSP內(nèi)部接收語(yǔ)音緩沖區(qū),DSP在緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)在積累到一定幀長(zhǎng)之后啟動(dòng)編碼算法編成特定碼率的碼流。編好的碼流被送入另一發(fā)送比特流緩沖區(qū)緩沖。該緩沖區(qū)內(nèi)的信號(hào)在同步時(shí)鐘TXC的上升沿被送到MODEM的調(diào)制模塊調(diào)制并發(fā)射出去。同時(shí),DSP檢測(cè)MODEM的CD信號(hào),當(dāng)CD信號(hào)有效(低電平)時(shí),在同步時(shí)鐘TXC的下降沿鎖存RXD上的數(shù)據(jù)并送入DSP內(nèi)的接收比特流緩沖區(qū)。當(dāng)接收比特緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)積累到一定長(zhǎng)度時(shí),DSP啟動(dòng)解碼程序?qū)⑵浣獯a成16bit的PCM語(yǔ)音。該語(yǔ)音通過(guò)McBSP0口被送入TLV320AIC11,TLV320AIC11內(nèi)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成模擬的語(yǔ)音信號(hào)送入聽(tīng)筒。
             

            
圖2 CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接
  
語(yǔ)音CODEC芯片和DSP、MCU的硬件連接圖如圖2所示,[5]TLV320AIC11是德州儀器公司生產(chǎn)的一款語(yǔ)音CODEC芯片,其片內(nèi)集成了一個(gè)A/D和一個(gè)D/A模塊,并且有內(nèi)置的運(yùn)算放大器,因此僅需要很少的部件就可以將無(wú)源話(huà)筒和聽(tīng)筒連接到AIC11上。同時(shí),由于它可以和TI公司的DSP無(wú)縫連接。如圖所示,本次設(shè)計(jì)中AIC11工作在主模式下(M/S=1),在這個(gè)模式下,芯片的采樣率為SCLK腳輸入的時(shí)鐘頻率的1/256。SCLK腳輸入的時(shí)鐘來(lái)源于MCU的P5.5,這個(gè)管腳是MCU的副時(shí)鐘輸出為MCU主時(shí)鐘的1/4。由于MCU工作在4.096MHz,因此CODEC的采樣頻率為8KHz。AIC11以8KHz的頻率在FS上發(fā)出同步脈沖,并在DOUT腳上將16bit的PCM數(shù)據(jù)流發(fā)送到DSP。同時(shí)從DIN管腳接收DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的經(jīng)過(guò)解碼的16bit PCM語(yǔ)音。由于使用了AIC11,系統(tǒng)的使用“粘合邏輯”部件大大減小,從而有效的縮小了硬件電路板的面積。
  
2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
  
有效的保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)必須要考慮的因素。TI的C55x系列DSP芯片是一種開(kāi)放式的總線(xiàn)結(jié)構(gòu),因此別有用心的人可以通過(guò)JTAG接口和相應(yīng)軟件訪(fǎng)問(wèn)并分析DSP內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的代碼和數(shù)據(jù),或者僅僅是直接導(dǎo)出并復(fù)制這些信息,就可以輕易竊取產(chǎn)品。針對(duì)這種現(xiàn)實(shí)情況,最好的解決方法是將程序交由芯片的生產(chǎn)商掩模入芯片內(nèi)部的ROM儲(chǔ)存區(qū)內(nèi),再去除DSP芯片中的JTAG邏輯模塊, DSP內(nèi)部的總線(xiàn)與外界隔離,這樣從外部就無(wú)法獲得片內(nèi)的信息。然而當(dāng)產(chǎn)品的產(chǎn)量不大的時(shí)候,掩模ROM在成本上來(lái)說(shuō)是不現(xiàn)實(shí)的,需要另外想辦法。
  
本次設(shè)計(jì)所提出的是一種基于TI公司MSP430F149單片機(jī)作為硬件部件的方法。[6]MSP430F149是TI生產(chǎn)的一款16位RISC結(jié)構(gòu)的Flash型單片機(jī)。不僅功耗極低,其另外一個(gè)特點(diǎn)就是其內(nèi)部的熔斷型Flash儲(chǔ)存單元。當(dāng)開(kāi)發(fā)過(guò)程結(jié)束,程序?qū)懭隡SP430內(nèi)部的Flash之后,開(kāi)發(fā)者可以將Flash連接在MSP430總線(xiàn)上的融絲融斷,熔斷之后如果想訪(fǎng)問(wèn)其內(nèi)部的程序和數(shù)據(jù),必須在單片機(jī)的JTAG引腳上加上一定時(shí)序的信號(hào),進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部的一段BOOTSTRAP程序,該BOOTSTRAP程序要求用戶(hù)向一個(gè)密碼寄存器內(nèi)寫(xiě)入一個(gè)32個(gè)字節(jié)的密碼,如果該密碼和事先寫(xiě)入Flash特定位置的一個(gè)密碼相符,才能訪(fǎng)問(wèn)片內(nèi)的程序和數(shù)據(jù)資源,否則只能允許進(jìn)行擦除整個(gè)Flash的操作。通過(guò)這種機(jī)理達(dá)到保護(hù)用戶(hù)程序數(shù)據(jù)代碼的目的。
  
鑒于MSP430F149的內(nèi)部數(shù)據(jù)無(wú)法復(fù)制和訪(fǎng)問(wèn)的特點(diǎn),我們提出了一種基于MSP430F149的硬件加密方法。
              

            
圖3 DSP和MSP430的硬件連接示意圖
  
圖3是MSP430和DSP之間的硬件連接示意圖[3]。如圖所示,這種連接方式將DSP和MCU配置成了16位復(fù)用連接模式(HMODE=0),數(shù)據(jù)和地址共享HD總線(xiàn)。HRW、HCNTL0和HCNTL1的不同組合分別表示對(duì)DSP的EHPI口的三個(gè)寄存器HPID(數(shù)據(jù))、HPIA(地址)、HPIC(控制)讀寫(xiě),具體的組合方式如表2所示。
             

              
表2 復(fù)用模式下EHPI口讀寫(xiě)類(lèi)型指示

具體加密方式簡(jiǎn)述如下:
  
1)為每一塊電路板指定一個(gè)128位的密鑰,密鑰的選擇完全隨機(jī),只要不同板子不相同即可。將密鑰和加密算法(DES或是其他的加密算法)燒寫(xiě)入MSP430的內(nèi)部做為DSP boot程序的一部分。
  
2)使用該密鑰和加密算法,將加密后的語(yǔ)音編解碼算法的程序和數(shù)據(jù)燒寫(xiě)入DSP的外部存儲(chǔ)Flash芯片之中。
  
3)將DSP設(shè)置成工作于HPI口boot模式,在每次重啟之后,主機(jī)將一段BOOT程序裝入起始位置為0x10000程序空間里(該段BOOT程序中包含了解碼程序),并將128位的密鑰load到DSP內(nèi)部的某個(gè)特定位置。主機(jī)將DSP的RST引腳置高表示主機(jī)的load過(guò)程結(jié)束。DSP自動(dòng)從0x10000的位置開(kāi)始執(zhí)行程序,這段程序從Flash中讀入加密了的程序和數(shù)據(jù),并使用主機(jī)寫(xiě)入的解密程序并結(jié)合128位的密鑰進(jìn)行解密,解密后的程序和數(shù)據(jù)被裝載入DSP的程序和數(shù)據(jù)段內(nèi)開(kāi)始正常的運(yùn)行。



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