【正文】 （ 2） MATLAB環(huán)境中的語音信號采集 MATLAB是美國 Math Works公司推出的一種面向工程和科學(xué)計(jì)算的交互式計(jì)算軟件，在 MATLAB環(huán)境中，可以通過多種編程方法驅(qū)動(dòng)聲卡實(shí)現(xiàn)對語音信號的采集和播放，它的信號處理與分析工具箱為語音信號分析提供了十分豐富的功能函數(shù)，利用這些功能函數(shù)可以快捷而又方便地完成語音信號的處理和分析。使用 MATLAB語言編程可以將聲音文件變換為離散的數(shù)據(jù)文件，然后利用其強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力處理數(shù)據(jù)，如數(shù)字濾波、傅里葉變換、時(shí)域和頻域分析、聲音回放以及各種 分析圖的呈現(xiàn)等等。 另外，在 MATLAB中提供了許多專用工具箱，如用于信號分析和處理的工具箱有系統(tǒng)時(shí)域辨別、系統(tǒng)頻域辨別、數(shù)值分析和統(tǒng)計(jì)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、小波分析等，可以完成很多語音信號處理任務(wù)。 （ 3） TLV320AIC23芯片采集語音信號 語音采集處理單元核心是 TI公司的一款高性能立體聲音頻編解碼器 Codec芯片TLV320AIC23（簡稱 AIC23）。其內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADCs）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ DACs）采用了帶有過采樣數(shù)字插補(bǔ)濾波的多位 SigmaDelta技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸字長為 1 2 32位，支持采樣頻率范圍 8kHz至 96kHz。 ADC和 DAC的信噪比分別達(dá)到 90dB和100dB。內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持 MIC和 LINE IN兩種輸入方式，且對輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)。另外， AIC23功耗低，回放模式下功率僅為 3mW，省電模式下更是小于 15uW。 3種方法的比較：錄音機(jī)程序采集語音信號方便，但只能簡單進(jìn)行信號的處理，不能進(jìn)一步分析； MATLAB語音信號采集和處理可以通過函數(shù)和控件工具箱完成，復(fù)雜信號分析和處理可通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)； AIC23能為 DSP5416提供方便的外圍接口電路和 其對語音信號獨(dú)特的采集能力使之成為數(shù)字音頻應(yīng)用領(lǐng)域中的理想選擇。 保密通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 保密通信的概況 保密通信自古以來都是人們熱衷研究的一個(gè)問題，早在公元前 440年，就有人用頭發(fā)來隱蔽信息進(jìn)行傳遞的記錄了。傳說古希臘人 Histaieus在其仆人的光頭上刺寫秘密信息，等到頭發(fā)長出來了信息也看不到了，這樣仆人就可以安全地將信息傳遞到目的地。多少年來，人們雖然發(fā)明出了各種各樣的保密方式，但其本質(zhì)都是一樣的。 保密通信是一種隱蔽通信具體內(nèi)容的通信方式。按這種通信方式，信息在進(jìn)入信道 傳送之前必須先進(jìn)行各種形式變化，成為加密信息，在接收端進(jìn)行相應(yīng)的逆變化以后，將恢復(fù)出原來信號。這樣，非法的截收者將不能理解通信內(nèi)容的含義。電報(bào)通信、電話通信、視頻通信和數(shù)據(jù)通信等各種通信方式中都有相應(yīng)的保密技術(shù)問題。 通信的保密手段主要是加密技術(shù)，數(shù)據(jù)加密技術(shù)的發(fā)展為保密通信提供了強(qiáng)有力的保證，同時(shí)保密通信的發(fā)展也促進(jìn)了加密技術(shù)的發(fā)展，兩者是相輔相成的。 基于 DSP5416 的語音信號采集與保密傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)加密概述 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加密的主要手段是使用密碼，密碼可以是隱蔽語言、文字或圖象等特種符號。凡是用特種符號按照通信雙方約定的方法把電文的 原形隱蔽起來，不為第三者所識別的通訊方式稱為保密通信。在保密通信中，采用密碼技術(shù)將信息隱蔽起來，再將隱蔽后的信息傳輸出去，使信息在傳輸過程中即使被竊取或截獲，竊取者也不能了解信息的內(nèi)容，從而保證信息傳輸?shù)陌踩? 任何一個(gè)加密系統(tǒng)至少包括下面四個(gè)組成部分： (1)未加密的報(bào)文，也稱明文。 (2)加密后的報(bào)文，也稱密文。 (3)加密解密設(shè)備或算法。 (4)加密解密的密鑰。 明 文加 密 算法密 文解 密 算法明 文加 密 密 鑰 解 密 密 鑰 圖 一般的加密解密系統(tǒng) 一般的加密、解密過程如上圖 。發(fā)送方用加密密鑰，通過加密設(shè)備或算法，將信息加密后發(fā)送出去。接收方在收到密文后，用解密密鑰將密文解密，恢復(fù)為明文。如果傳輸中有人竊取，他只能得到無法理解的密文，從而對信息起到保密作用。 包含 對稱密鑰密碼技術(shù) 對稱 (傳統(tǒng) )密碼體制是從傳統(tǒng)的簡單換位，代替密碼發(fā)展而來的，自 1997年美國頒布 DES密碼算法作為美國數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)以來，對稱密鑰密碼體制得到了迅猛地發(fā)展，在世界各國得到了關(guān)注和使用。對稱密鑰密碼體制從加密模式上序列密碼和分組密碼兩大類。 (l)序列密碼 序列密碼一直是作為軍事和外交場合使用的主要密碼技術(shù)之一，它的主 要原理是，通過有限狀態(tài)機(jī)產(chǎn)生性能優(yōu)良的偽隨機(jī)序列，使用該序列加密信息流， (逐比特加密 )得到密文序列，所以，序列密碼算法的安全強(qiáng)度完全決定于它所產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列的好壞。 產(chǎn)生好的序列密碼的主要途徑之一是利用移位寄存器產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，典型方法有： l)反饋移位寄存器：采用 n階非線性反饋函數(shù)產(chǎn)生大周期的非線性序列，例如 M序列，具有較好的密碼學(xué)性質(zhì)，只是反饋函數(shù)的選擇有難度，如何產(chǎn)生全部的 M序列至今仍是世界難題。 2)利用線性移位寄存器序列加非線性前饋函數(shù)，產(chǎn)生前饋序列，如何控制序列相位及非線性前饋函數(shù)也是相當(dāng)困難 的問題， Bent序列就是其中一類好的序列，我國學(xué)者對反饋序列和前饋序列的研究都取得了相當(dāng)多的成果。 基于 DSP5416 的語音信號采集與保密傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 3)鐘控序列，利用一個(gè)寄存器序列作為時(shí)鐘控制另一寄存器序列 (或自己控制自己 )來產(chǎn)生鐘控序列，這種序列具有大的線性復(fù)雜度。 4)組合網(wǎng)絡(luò)及其他序列，通過組合運(yùn)用以上方法，產(chǎn)生更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的序列，這種序列的密碼性質(zhì)理論上比較難控制。 5)利用混沌理論，細(xì)胞自動(dòng)機(jī)等方法產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列。 對序列密碼攻擊的主要手段有代數(shù)方法和概率統(tǒng)計(jì)方法，兩者結(jié)合可以達(dá)到較好的效果。目前要求寄存器的階數(shù)大于 100階，才能保證必要的安全。 序列密碼的優(yōu)點(diǎn)是錯(cuò)誤擴(kuò)展小、速度快、利于同步和安全程度高。 (2)分組密碼 分組密碼的工作方式是將明文分成固定長度的組 (塊 )，如 64比特一組，用同一密鑰和算法對每一塊加密，輸出也是固定長度的密文。例如 DES密碼算法的輸入為64比特明文，密鑰長度 56比特，密文長度 64比特。 以 DES算法為例，它采用美國國家安全局精心設(shè)計(jì)的 8個(gè) S一 ox和 P置換，經(jīng)過 16圈迭代，最終產(chǎn)生 64比特密文，每圈迭代使用的 48比特子密鑰是由原始的 56比特產(chǎn)生的。 對稱密鑰密碼系統(tǒng)具有加解密速度快、安全性高等優(yōu)點(diǎn) ，在軍事、外交以及商業(yè)應(yīng)用中使用越來越普遍。 非對稱密鑰密碼技術(shù) 1976年 Diffie和 Hellman以及 Merkte分別提出了公開密鑰密碼體制的思想，于傳統(tǒng)的對稱密鑰密碼體制，它要求密鑰成對出現(xiàn)，一個(gè)為加密密鑰 (e)，另一個(gè)為解密密鑰 (d)，且不可能從其中一個(gè)推導(dǎo)出另一個(gè)。自 1976年以來，己經(jīng)提出了多種公開密鑰密碼算法，其中許多是不安全的，一些認(rèn)為是安全的算法又有許多是不實(shí)用的，它們要么是密鑰太大，要么密文擴(kuò)展的太大。多數(shù)密碼算法的安全基礎(chǔ)是基于一些數(shù)學(xué)難題，這些難題專家們認(rèn)為在短期內(nèi) 不可能得 到解決。因?yàn)橐恍﹩栴} (如因子分解問題 )至今己有數(shù)千年的歷史了。 公鑰加密算法也稱非對稱密鑰算法，用兩對密鑰：一個(gè)公共密鑰和一個(gè)專用密鑰。用戶要保障專用密鑰的安全：公共密鑰則可以發(fā)布出去。公共密鑰與專用密鑰是有緊密關(guān)系的，用公共密鑰加密的信息只能用專用密鑰解密，反之亦然。除加密功能外，公鑰系統(tǒng)還可以提供數(shù)字簽名。公共密鑰加密算法主要有： RSA(Receive、shamir、 ^de一 man)、 Fertezza、 Eloama等。公鑰加密算法中使用最廣的是 RSA。 公共密鑰方案較保密密鑰方案處理速 度慢，因此，通常把公共密鑰與專用密鑰技術(shù)結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)最佳性能。即用公共密鑰技術(shù)在通信雙方之間傳送專用密鑰，而用專用密鑰來對實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密解密。另外，公鑰加密也用來對專用密鑰進(jìn)行加密。 以下是基于對稱加密算法的兩種加密算法： （ 1）混沌序列加密算法 混沌信號由于高度的初值敏感性，不可預(yù)測性和類似噪聲的寬帶功率譜等突出特征，使得它具有天生的隱蔽性。即使兩個(gè)完全相同的混沌系統(tǒng)，從差異非常微小的初始條件開始演化，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡將很快的互不相關(guān)。混沌保密通信的方式多種多樣，國內(nèi)外研究較多的是混沌遮掩，混 沌鍵控和混沌調(diào)制三種方案。它們的基于 DSP5416 的語音信號采集與保密傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 基本思想是要把傳遞的信息按照某種方式加載到一個(gè)由混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號上，實(shí)現(xiàn)對信號的隱蔽。該信號經(jīng)信道發(fā)送到接受端后，由一相同的混沌系統(tǒng)重構(gòu)出混沌信號，進(jìn)而解調(diào)出混合信號所攜帶的信息?；煦绫Ｃ芡ㄐ偶夹g(shù)的興起，為信息保密開辟了一條嶄新的道路。 （ 2） 循環(huán)異或加密算法 循環(huán)異或加密算法不涉及過多的復(fù)雜理論問題，而是把問題集中在如何建立一個(gè)加密算法使得原始語音變得不可理解。由于音頻信號的特殊性，這種不可理解不是指數(shù)據(jù)本身的擾亂，而主要是指聽覺感知上的不可理解性。循環(huán)異或加密算法的原理是 將原始數(shù)據(jù)與前一個(gè)加密后的數(shù)據(jù)進(jìn)行異或而形成當(dāng)前的加密數(shù)據(jù)，并循環(huán)下去直到所有的數(shù)據(jù)都處理完畢。本算法詳見本系統(tǒng)保密算法軟件設(shè)計(jì)部分。 循環(huán)異或加密算法雖然安全性低一些，但具有簡單，加密處理速度快的特點(diǎn)，因此本文采用該算法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。 本文的主要工作及內(nèi)容安排 當(dāng)今的世界已高度信息化，我們每天都通過各種媒介接觸到大量的信息，同時(shí)還會和身邊或是遠(yuǎn)方的人們進(jìn)行各種信息的交流，電話和手機(jī)的普及就充分說明了這一點(diǎn)。電話給我們帶來的方便是眾所周知的 ， 但是在信息交流方便的同時(shí)又引發(fā)了一個(gè)新的 問題，即信息安全問題?，F(xiàn)在，人們越來越關(guān)注如何在信息交流的同時(shí)又能保證信息的安全。從各種媒體上經(jīng)?？吹交蚵牭降年P(guān)于電話竊聽問題可見，保密通信問題的解決己經(jīng)是迫在眉睫。 本文結(jié)合 TMS32OVC5416處理器適合語音信號處理的特點(diǎn)和實(shí)踐應(yīng)用，配合TLV320AIC23專用語音采集模塊，構(gòu)成音頻采集、處理和播放語音系統(tǒng)， 設(shè)計(jì)了一套基于數(shù)字信號處理器 (DSP)的語音保密通信系統(tǒng) ,成功實(shí)現(xiàn)語音信號的采集與回放。 DSP用于完成語音加解密算法，算法采用的是 異或并 結(jié)合 Logistic映射的混沌語音加密算法 ，進(jìn)行了語音信號 的保密傳輸。 文中介紹了數(shù)據(jù)加密和音頻編碼的理論知識、 DSP及其開發(fā)、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和加密算法設(shè)計(jì)，最后給出了測試結(jié)果以及改進(jìn)意見。 基于 DSP5416 的語音信號采集與保密傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 第二章 數(shù)字信號處理器 (DSP) 數(shù)字信號處理器 (DigitalsignalProeessor)是 采用 ，甚至 90nm的 CMOS工藝設(shè)計(jì)的超大規(guī)模集成電路芯片， 適合對數(shù)字信號進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器， 一般采用 LQFP或 BGA封裝， 其主要應(yīng)用是實(shí)時(shí)快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下， DSP己成為通信、計(jì)算機(jī)、 消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。 DSP的發(fā)展和應(yīng)用 數(shù)字信號處理器與數(shù)字信號處理有著密不可分的關(guān)系，我們通常說的 “DSP”也可以指數(shù)字信號處理 (Digital Signal Processing)，在本文里都是指數(shù)字信號處理器。數(shù)字信號處理是一門包括了許多學(xué)科并應(yīng)用于很多領(lǐng)域的新興學(xué)科，是指利用計(jì)算機(jī)或是專用處理設(shè)備，以數(shù)字形式對信號進(jìn)行采集、變換、濾波、估值、增強(qiáng)、壓縮、識別等處理，得到符合要求的信號形式 。 數(shù)字信號處理器是用于處理數(shù)字信號的器件，因此它是伴隨著數(shù)字信號處理才產(chǎn)生的。 DSP發(fā)展歷 程大致分為三個(gè)階段 ： 70年代理論先行， 80年代產(chǎn)品普及和 90年代的突飛猛進(jìn)。在 DSP出現(xiàn)之前數(shù)字信號處理只能依靠微處理器 (MPU)來完成。但 MPU較低的處理速度無法滿足高速實(shí)時(shí)的要求。因此，直到 70年代，有人才提出了 DSP的理論和算法基礎(chǔ)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展， 1982年世界上誕生了首枚 DSP芯片。至 80年代，第二代基于 CMOS工藝的 DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生。 80年代后期，第三代DSP芯片問世。 90年代 DSP發(fā)展最快，相繼出現(xiàn)了第四代和第五代 DSP器件。經(jīng)過 20多年的發(fā)展， DSP產(chǎn)品的應(yīng)用已擴(kuò)大到人們的學(xué) 習(xí)、工作和生活的各個(gè)方面，并逐漸成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。 DSP應(yīng)用廣泛，其主要應(yīng)用市場為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類領(lǐng)域。 TMS320VC5416 DSP的硬件結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)中使用的 DSP為 Tl公司 TMS320C54XX系列中 的 TMS320VC5416（簡稱DSP5416)， 是 16位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，使用 CPU的并行運(yùn)行特性、特殊硬件邏輯、特定的指令系統(tǒng)和多總線技術(shù)等來提高運(yùn)算速度，并使用高級的 IC硬件設(shè)計(jì)技術(shù)來提高芯片工作速度及降低功耗。雖然該系列的型號很多，但硬件結(jié)構(gòu)基本是一樣的。TMS320VC5416芯片框圖如下圖，可以明顯看出 C54XX系列的硬件結(jié)構(gòu)基本上可以分為 4大部分。 基于 DSP5416 的語音信號采集與保密傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) 6 4 K R A M 單 訪 問程 序 存 儲 器1 6 K P r o g r a m R O M6 4 K R A M 雙 訪 問程 序 / 數(shù) 據(jù) 存 儲 器程序數(shù)據(jù)總線C P UD M A外