【正文】 29 參考文獻(xiàn) ............................................................. 30 摘 要 語(yǔ)音保密通信是防止語(yǔ)音內(nèi)容被竊聽(tīng)的通信方式，在軍事和商業(yè)上具有極大的實(shí)用價(jià)值。由于采用 DSP 實(shí)現(xiàn)和軟件模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性，能夠更換語(yǔ)音壓縮編碼算法和加密算法，所以本系統(tǒng)又可以作為低速率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。 語(yǔ)音編碼和加密是語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)不可缺少的兩個(gè)模塊。其實(shí)，對(duì)語(yǔ)音加密的研究可以追溯到 1881 年對(duì)電話保密裝置的研究。后來(lái)又有研究者提出了在變換域處理語(yǔ)音數(shù)據(jù)，最后再把數(shù)據(jù)返回到時(shí)間域的方法，其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)消除語(yǔ)音的冗余度降低語(yǔ)音的剩余可懂度。 雖然用 DES、 IDEA 等傳統(tǒng)密碼學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的完全加密可以獲得很高的安全基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 性，但是語(yǔ)音信息作為多媒體信息的一種，使用傳統(tǒng)密碼學(xué)中對(duì)稱和非對(duì)稱密碼的方法對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行完全加 密并不是十分合適。如產(chǎn)生混沌信號(hào)的電路所需電源電壓過(guò)高，無(wú)法應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)；混沌信號(hào)的頻帶較寬，在實(shí)際系統(tǒng)傳輸時(shí)，部分頻率的信號(hào)被濾除，無(wú)法實(shí)現(xiàn)混沌同步等問(wèn)題，阻礙了混沌應(yīng)用于語(yǔ)音保密通信的進(jìn)程。工作原理是模擬話音信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)編碼器進(jìn)行數(shù)字編碼成為數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)加密器變成數(shù)字加密話音信號(hào)，經(jīng)信道編碼器進(jìn)行糾錯(cuò)，再經(jīng)數(shù)字調(diào)制器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變成適合于發(fā)送端信道傳輸?shù)哪M信號(hào)。公元前 60 年，古羅馬統(tǒng)帥凱撒第一個(gè)用當(dāng)時(shí)發(fā)明的“凱撒密碼”書(shū)寫(xiě)軍事文書(shū)，用于戰(zhàn)時(shí)通信。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(lái)信號(hào)。此后，由于 AlanTufing 和 Ultra 以及其他人的努力，終于對(duì)德國(guó)人的密碼進(jìn)行了破解。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。 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(wèn)題， Bent 序列就是其中一類好的序列，我國(guó)學(xué)者對(duì)反饋序列和前饋序列的研究都取得了相當(dāng)多的成果。 對(duì)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(lái)越普遍。因?yàn)橐恍﹩?wèn)題 (如因子分解問(wèn)題 )至今已有數(shù)千年的歷史了。 在半個(gè)多世紀(jì)的研究中，各國(guó)學(xué)者做了大量努力，從人類發(fā)音機(jī)理和聽(tīng)覺(jué)機(jī)理出發(fā)，對(duì)語(yǔ)音的基本元素如聲學(xué)特性、頻譜特征和語(yǔ)意表達(dá)等做了大量研究，建立了發(fā)音模型和聽(tīng)覺(jué)模型，在不同程度上逼近真正的語(yǔ)言過(guò)程，并取得了長(zhǎng)足發(fā)展，逐步形成了通信和信息處理科學(xué)的重要研究方向。更為重要的是，混合編碼技術(shù)也在這一時(shí)期引起人們的關(guān)注。 5）用專用的 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。綜合考慮，選用 MELP 算法作為本系統(tǒng)的語(yǔ)音壓縮算法，深入研究并在 DSP 上實(shí)現(xiàn)了該算法。而當(dāng)單向時(shí)延超過(guò) 450ms 時(shí)，其通話質(zhì)量就很難讓人接受了 【 24】 ?？紤]到目前語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)中存在的問(wèn)題，從安全和節(jié)約帶寬資源兩方面考慮，采用低碼率語(yǔ)音編碼技術(shù)和數(shù)字語(yǔ)音加密技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的方案。 TMS320F2812 DSP 集成了 128KB 的閃存，可用于開(kāi)發(fā)及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)軟件進(jìn)行升級(jí)時(shí)的簡(jiǎn)單再編程。由于本系統(tǒng)采用分組密碼，在加密后語(yǔ)音打包時(shí)應(yīng)在包頭進(jìn)行加密相關(guān)設(shè)置，以保證接受方能正確的解密。再加上加密運(yùn)算和解密運(yùn)算，系統(tǒng)需要的 DSP 器件的運(yùn)算能力不能低于 100MIPS。 JTAG 接口為系統(tǒng)調(diào)試工具提供接口。最后繼續(xù)對(duì)發(fā)送和接收緩沖區(qū)進(jìn)行檢測(cè)，重復(fù)上述循環(huán)。一種是利用通用計(jì)算機(jī)加 A/D 卡構(gòu)成硬件平臺(tái)，語(yǔ)音處理算法由軟件實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)研究并實(shí)現(xiàn)了碼速率為2． 4kbps 的混合激勵(lì)線性預(yù)測(cè) MELP 算法，用作本系統(tǒng)的語(yǔ)音編碼處理，其語(yǔ)音質(zhì)量好于同速率的線性預(yù)測(cè)編碼算法 LPC 一 10，是有較好應(yīng)用前景的低速率語(yǔ)音編碼算法。并封裝或解析密鑰同步序列包，通過(guò)密鑰同步包保證加解密的同步及傳 送的實(shí)時(shí)性。 其它初始化函數(shù)在相應(yīng)模塊介紹。 ) {R_laointer=R_pointer︿ l； R_eounter=0； Read_f=l； //編碼函數(shù)對(duì)此標(biāo)志進(jìn)行查詢，等于 1 時(shí)，開(kāi)始讀取一幀數(shù)據(jù)進(jìn) //行編解碼處理，同時(shí)將 read_f 置 0 }} 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 18 第 3 章 MELP 算法及其 DSP 實(shí)現(xiàn) MELP 聲碼器在經(jīng)典二元激勵(lì) LPC 聲碼器的基礎(chǔ)上，加入一些新的特征： 1）混合脈沖和噪聲激勵(lì)。分析器用于對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分段分析，提取各個(gè)語(yǔ)音段的特征參數(shù)并進(jìn)行量化編碼，得到待傳輸或存儲(chǔ)的數(shù)字碼元。 圖 32 MELP 聲碼器的合成器 低通濾波數(shù)字話音整數(shù)基因提取分?jǐn)?shù)基因分析及 帶 通濁音強(qiáng)度LPC 分析LPC 殘差計(jì)算增益計(jì)算量化后的LPC 系數(shù) 進(jìn) 行殘差計(jì)算基因倍增檢測(cè) 非周期標(biāo)志判決帶通濁音強(qiáng)度修正峰值檢測(cè) 多級(jí)矢量量化基因量化增益量化LSF 參數(shù)提取傅里葉譜幅度計(jì)算感覺(jué)加權(quán)矢量量化通信傳輸基音和顫動(dòng)標(biāo)志 反D FT傅里葉幅度噪聲發(fā)生器脈沖整形濾波器整形濾波器子帶語(yǔ)音特性整形濾波器增益增益調(diào)整因子自適應(yīng)譜增強(qiáng) 濾波器線譜對(duì)合成濾波器合成語(yǔ)音西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 20 MELP編解碼模塊的 DSP實(shí)現(xiàn) TI為 MELP算法提供了一套標(biāo)準(zhǔn) C程序，但是將該源代碼直接移植到 TMS320F2812編譯后，并不能滿足實(shí)時(shí)性要求，而且占用大量的存儲(chǔ)空間。采用這種方法的缺點(diǎn)是容易破壞 C 環(huán)境，因?yàn)?C 編譯器在編譯嵌入了匯編語(yǔ)句的 C 程序時(shí)并不檢查或分析所嵌入的匯編語(yǔ)句。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì) 22 圖 33 MELP 聲碼器編碼流程圖 算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中 的優(yōu)化 整個(gè)程序在 TMS320F2812 的 simulator 環(huán)境下運(yùn)行，軟件主體程序由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，處理一幀語(yǔ)音 ()大致需要 ，延時(shí)較大，必須對(duì)程序代碼作進(jìn)一步的優(yōu)化。本系統(tǒng)采用 TI 公司專為語(yǔ)音處理應(yīng)用定做的單片接口電路一一TLV320AIC23(簡(jiǎn)稱 AIC23)，完成模擬語(yǔ)音信號(hào)的采樣和數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的 D/A轉(zhuǎn)換工作。 AES 與 Rijndael 算法唯一區(qū)別是 AES 的分組長(zhǎng)度固定為 128bit。結(jié)尾圈等價(jià)于去掉列混合變換的圈。將中斷向量表放在起始地址為 0xffff00 的 vectors 段中，在 CMD 文件中修改。 4）中斷的設(shè)置，關(guān)閉所有中斷。如果是 ECB 模式下的加密包則利用前面得到的密鑰解密語(yǔ)音數(shù)據(jù)，然后解碼回放。在現(xiàn)有的數(shù)字語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用的語(yǔ)音編解碼算法碼率偏高，占用信道帶寬多。 6）最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析和測(cè)試，并針對(duì)系統(tǒng)存在的不足給出了改進(jìn)意見(jiàn)。 感謝我的同 事們， 在和他們的討論交流中我得到了很多啟發(fā)。 本文是我半年來(lái)研究成果的總結(jié)，回顧過(guò)去走過(guò)的每一步，無(wú)不凝固了各位老師、同事和單位領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷和幫助。 4）研究并實(shí)現(xiàn)了編碼速率為 的 MELP 算法，作為低碼率語(yǔ)音編碼處理算法。接收方 B 首先接收 A 的 x、Ⅳ和用 戶輸入的隨機(jī)數(shù) y，計(jì)算 Y和 k； B 發(fā)送 Y 給 A；并打開(kāi)語(yǔ)音處理模塊，然后向語(yǔ)音加解密模塊輸出Ⅳ和 k。 DSP 將接收到的數(shù)據(jù)包 (一幀 )存放在操作緩沖區(qū)中，并對(duì)收到的這一幀作處理。設(shè)置 DSP 狀態(tài)寄存器 ST0_5STl_55。系統(tǒng)整個(gè)傳輸過(guò)程分為三部分：系統(tǒng)復(fù)位和初始化，數(shù)據(jù)的接收以及數(shù)據(jù)的發(fā)送。從 CipherKey 導(dǎo)出 ExpandedKey 的過(guò)程記為KeyExpansion。 語(yǔ)音加密模塊的實(shí)現(xiàn) 根掘前面總體方案分析，本系統(tǒng)語(yǔ)音加密采用 AES 算法，按照低碼率語(yǔ)音加密系統(tǒng)帶寬和基于 DSP 實(shí)現(xiàn)的要求采用了 ECB 和計(jì)數(shù)器兩種模式進(jìn)行加密運(yùn)算。由于時(shí)間原因，本文主要簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)與 實(shí)現(xiàn)。其中編碼函數(shù) melp ana()的程序流程如圖33。 2．直接在 C 程序中嵌入?yún)R編語(yǔ)句 在 C 程序中嵌入?yún)R編語(yǔ)句的方法比較簡(jiǎn)單，只需加入 asnl(“匯編語(yǔ)句” )語(yǔ)句即可。 19 圖 31 MELP 聲碼器的分析器流程框圖 合成器 MELP 合成器 (如圖 3— 2)的任務(wù)是根據(jù)分析器提取的參數(shù)進(jìn)行解碼，恢復(fù)原始語(yǔ)音，并根據(jù)語(yǔ)音特點(diǎn)采用一些技術(shù)來(lái)改善語(yǔ)音的主觀聽(tīng)覺(jué)質(zhì)量 。MELP 聲碼器的語(yǔ)音質(zhì)量可以在很低的碼率下達(dá)到較好的聽(tīng)覺(jué)效果，其主觀聽(tīng)覺(jué)質(zhì)量接近美國(guó)聯(lián)邦 4． 8kbps 的 CELP【 27】 。 //接收二級(jí)緩沖區(qū)指針 在接收中斷服務(wù)程序中，計(jì)數(shù)器 R_counter 計(jì)數(shù)到 180 時(shí)，對(duì) R_counter 清零，并讓 pointer 和 1 進(jìn)行異或，這樣編碼函數(shù)每次只需對(duì) R_buff[R_pointer][0]的 180 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取就可以了。 initVal（）、 initInterrupt（）、 imtMcBSP0（）、 initMcBSPl（）、 initCLK（）主要完成以下的初始化工作； CPU 各種控制方式寄存器的設(shè)置，包括時(shí)鐘模式寄存器CLKMD的設(shè)置，軟件可編程等待狀態(tài)寄存器 SWSSR和軟件等待狀態(tài)控制寄存器 SWCR的設(shè)置，寄存器 PMST、 ST0_5 STl_55 的設(shè)置，中斷可屏蔽寄存器 IMR 和中斷標(biāo)志寄存器 IFR 的設(shè)置。密鑰協(xié)商的同時(shí)，通信雙方還應(yīng)該交換初始化向量等安全參數(shù)。本系統(tǒng)選用 TI 公司的 TLV320AIC23 作為A/D、 D/A 模塊，實(shí)現(xiàn)基于 DSP 的語(yǔ)音信號(hào)采集系統(tǒng)。 2．語(yǔ)音采集和回放模塊 該模塊是語(yǔ)音加密通信的起點(diǎn)和終點(diǎn)，完成系統(tǒng)的語(yǔ)音輸入和輸出。接著 MELP 編解碼函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，處理完成后將數(shù)據(jù)送接收加密緩沖區(qū)，在接收過(guò)程中，如果接收滿一個(gè)分組數(shù)據(jù) (兩個(gè) MELP 語(yǔ)音幀 )，調(diào) AES 加解密函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，最后存儲(chǔ)重構(gòu)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，等待發(fā)送。 FLASH 和 SDRAM 主要功能是為系統(tǒng)提供代碼和數(shù)據(jù)以及變量的存儲(chǔ)空間。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì) 當(dāng) 根據(jù) 節(jié)的分析可知，系統(tǒng)中耗時(shí)較多的模塊是語(yǔ)音編解碼和語(yǔ)音加解密四個(gè)模塊。 ? 具有 56 個(gè)單獨(dú)可編程的多路復(fù)用 I/O 引腳 ? 串行外設(shè)接口模塊（ SPI） ? 串行通信接口模塊（ SCI） ? CAN 控制器模塊（ CAN） ? 多通道緩沖串行口（ McBSP） 數(shù)據(jù)流程 低碼率語(yǔ)音保密通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)的傳輸信道上有兩種數(shù)據(jù)流：密鑰同步數(shù)據(jù)流和語(yǔ)音數(shù)據(jù)流。 TMS320F2812 芯片基于 C/C++高效 32 位 TMS320C28x DSP 內(nèi)核，并提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(kù)，從而可以在定點(diǎn)處理器上方便地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。文中介紹了語(yǔ)音編解碼和數(shù)據(jù)加密的理論知識(shí)、 DSP 及其開(kāi)發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)、相關(guān)接口的程序設(shè)計(jì)和語(yǔ)音編碼以及加密算法設(shè)計(jì)，最后給出了測(cè)試結(jié)果以及改進(jìn)意見(jiàn)。它對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高，對(duì)時(shí)延非常敏感。 本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面： 低碼率語(yǔ)音編碼技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn) 采用低碼率的語(yǔ)音編碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信道擴(kuò)容、降低語(yǔ)音通信和存儲(chǔ)成本的主要和首選方法。 4）用通用的可編程 DSP 芯片實(shí)現(xiàn)。在 20 世紀(jì) 80 年代以前， LPC 聲碼器最終因其成熟的算法和對(duì)參數(shù)的精確估計(jì)最終成為 語(yǔ)音信號(hào)處理領(lǐng)域最重要的研究成果，并逐步走向?qū)嵱谩? 基于 DSP 的低碼率語(yǔ)音實(shí)時(shí)保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 7 語(yǔ)音編碼的發(fā)展概況 語(yǔ) 音 編 碼 最 初 是 由 人 們 企 圖 壓 縮 通 信 頻 帶 而 來(lái) 。自 1976 年以來(lái)，己經(jīng)提出了多種公開(kāi)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。例如 AES 密碼算法的輸入為 128比特明文，密鑰長(zhǎng)度 128 比特，密文長(zhǎng)度 128 比特。對(duì)稱密鑰密碼體制從加密模式上分為序列密碼和分組密碼兩類。 4）加密解密的密鑰。近期加密技術(shù)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，如美國(guó)獨(dú)立戰(zhàn)爭(zhēng)、美國(guó)內(nèi)戰(zhàn)和兩次世界大戰(zhàn)。這篇文章從理論上推動(dòng)了保密技術(shù)的發(fā)展。解下來(lái)后，紙條上的文字就是密文。 數(shù)字話音保密技術(shù)可達(dá)到很高的保密度，并且克服了模擬話音保密技術(shù)中保密度和話音質(zhì)量難以兩全齊美的困難，因此在重要的場(chǎng)合大多采用數(shù)字話音保密技術(shù)。為此，許多研究 者開(kāi)始嘗試采用混沌的方法來(lái)構(gòu)造快速的加密算法。和模擬加密相比，數(shù)字加密使用了編碼壓縮技術(shù)，加密后的信號(hào)最后仍然以數(shù)字信號(hào)傳輸，因此有很高的安全性。但用這兩種方法加密后的語(yǔ)音都具有很高的剩余可懂度，安全性較差