【正文】 29 參考文獻(xiàn) ............................................................. 30 摘 要 語音保密通信是防止語音內(nèi)容被竊聽的通信方式，在軍事和商業(yè)上具有極大的實(shí)用價值。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音實(shí)時保密通信的實(shí)驗(yàn)平臺。 語音編碼和加密是語音保密通信系統(tǒng)不可缺少的兩個模塊。其實(shí)，對語音加密的研究可以追溯到 1881 年對電話保密裝置的研究。后來又有研究者提出了在變換域處理語音數(shù)據(jù)，最后再把數(shù)據(jù)返回到時間域的方法，其優(yōu)點(diǎn)是通過消除語音的冗余度降低語音的剩余可懂度。 雖然用 DES、 IDEA 等傳統(tǒng)密碼學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)語音的完全加密可以獲得很高的安全基于 DSP 的低碼率語音實(shí)時保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 3 性，但是語音信息作為多媒體信息的一種，使用傳統(tǒng)密碼學(xué)中對稱和非對稱密碼的方法對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行完全加 密并不是十分合適。如產(chǎn)生混沌信號的電路所需電源電壓過高，無法應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)；混沌信號的頻帶較寬，在實(shí)際系統(tǒng)傳輸時，部分頻率的信號被濾除，無法實(shí)現(xiàn)混沌同步等問題，阻礙了混沌應(yīng)用于語音保密通信的進(jìn)程。工作原理是模擬話音信號經(jīng)過模數(shù)編碼器進(jìn)行數(shù)字編碼成為數(shù)字信號，再通過加密器變成數(shù)字加密話音信號，經(jīng)信道編碼器進(jìn)行糾錯，再經(jīng)數(shù)字調(diào)制器將數(shù)字信號轉(zhuǎn)變成適合于發(fā)送端信道傳輸?shù)哪M信號。公元前 60 年，古羅馬統(tǒng)帥凱撒第一個用當(dāng)時發(fā)明的“凱撒密碼”書寫軍事文書，用于戰(zhàn)時通信。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)出原來信號。此后，由于 AlanTufing 和 Ultra 以及其他人的努力，終于對德國人的密碼進(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。 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。因?yàn)橐恍﹩栴} (如因子分解問題 )至今已有數(shù)千年的歷史了。 在半個多世紀(jì)的研究中，各國學(xué)者做了大量努力，從人類發(fā)音機(jī)理和聽覺機(jī)理出發(fā)，對語音的基本元素如聲學(xué)特性、頻譜特征和語意表達(dá)等做了大量研究，建立了發(fā)音模型和聽覺模型，在不同程度上逼近真正的語言過程，并取得了長足發(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)單向時延超過 450ms 時，其通話質(zhì)量就很難讓人接受了 【 24】 ?？紤]到目前語音保密通信系統(tǒng)中存在的問題，從安全和節(jié)約帶寬資源兩方面考慮，采用低碼率語音編碼技術(shù)和數(shù)字語音加密技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于 DSP 的低碼率語音實(shí)時保密通信系統(tǒng)的方案。 TMS320F2812 DSP 集成了 128KB 的閃存，可用于開發(fā)及對現(xiàn)場軟件進(jìn)行升級時的簡單再編程。由于本系統(tǒng)采用分組密碼，在加密后語音打包時應(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)對發(fā)送和接收緩沖區(qū)進(jìn)行檢測，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，語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 的混合激勵線性預(yù)測 MELP 算法，用作本系統(tǒng)的語音編碼處理，其語音質(zhì)量好于同速率的線性預(yù)測編碼算法 LPC 一 10，是有較好應(yīng)用前景的低速率語音編碼算法。并封裝或解析密鑰同步序列包，通過密鑰同步包保證加解密的同步及傳 送的實(shí)時性。 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)對此標(biāo)志進(jìn)行查詢，等于 1 時，開始讀取一幀數(shù)據(jù)進(jìn) //行編解碼處理，同時將 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 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。分析器用于對原始語音信號進(jìn)行分段分析，提取各個語音段的特征參數(shù)并進(jìn)行量化編碼，得到待傳輸或存儲的數(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 非周期標(biāo)志判決帶通濁音強(qiáng)度修正峰值檢測 多級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)算感覺加權(quán)矢量量化通信傳輸基音和顫動標(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) 濾波器線譜對合成濾波器合成語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)時性要求，而且占用大量的存儲空間。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句的 C 程序時并不檢查或分析所嵌入的匯編語句。 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)過程中 的優(yōu)化 整個程序在 TMS320F2812 的 simulator 環(huán)境下運(yùn)行，軟件主體程序由 C 語言編寫，處理一幀語音 ()大致需要 ，延時較大，必須對程序代碼作進(jìn)一步的優(yōu)化。本系統(tǒng)采用 TI 公司專為語音處理應(yīng)用定做的單片接口電路一一TLV320AIC23(簡稱 AIC23)，完成模擬語音信號的采樣和數(shù)字語音信號的 D/A轉(zhuǎn)換工作。 AES 與 Rijndael 算法唯一區(qū)別是 AES 的分組長度固定為 128bit。結(jié)尾圈等價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音數(shù)據(jù)，然后解碼回放。在現(xiàn)有的數(shù)字語音保密通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用的語音編解碼算法碼率偏高，占用信道帶寬多。 6）最后對系統(tǒng)進(jìn)行了性能分析和測試，并針對系統(tǒng)存在的不足給出了改進(jìn)意見。 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)。 本文是我半年來研究成果的總結(jié)，回顧過去走過的每一步，無不凝固了各位老師、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；并打開語音處理模塊，然后向語音加解密模塊輸出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)整個傳輸過程分為三部分：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 的過程記為KeyExpansion。 語音加密模塊的實(shí)現(xiàn) 根掘前面總體方案分析，本系統(tǒng)語音加密采用 AES 算法，按照低碼率語音加密系統(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。由于時間原因，本文主要簡單介紹幾個模塊的設(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編語句 在 C 程序中嵌入?yún)R編語句的方法比較簡單，只需加入 asnl(“匯編語句” )語句即可。 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)原始語音，并根據(jù)語音特點(diǎn)采用一些技術(shù)來改善語音的主觀聽覺質(zhì)量 。MELP 聲碼器的語音質(zhì)量可以在很低的碼率下達(dá)到較好的聽覺效果，其主觀聽覺質(zhì)量接近美國聯(lián)邦 4． 8kbps 的 CELP【 27】 。 //接收二級緩沖區(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，對 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 R_buff[R_pointer][0]的 180 個數(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，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 的語音信號采集系統(tǒng)。 2．語音采集和回放模塊 該模塊是語音加密通信的起點(diǎn)和終點(diǎn)，完成系統(tǒng)的語音輸入和輸出。接著 MELP 編解碼函數(shù)對數(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)，在接收過程中，如果接收滿一個分組數(shù)據(jù) (兩個 MELP 語音幀 )，調(diào) AES 加解密函數(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，最后存儲重構(gòu)語音數(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)以及變量的存儲空間。 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的硬件平臺設(shè)計(jì) 當(dāng) 根據(jù) 節(jié)的分析可知，系統(tǒng)中耗時較多的模塊是語音編解碼和語音加解密四個模塊。 ? 具有 56 個單獨(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，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。文中介紹了語音編解碼和數(shù)據(jù)加密的理論知識、 DSP 及其開發(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)和語音編碼以及加密算法設(shè)計(jì)，最后給出了測試結(jié)果以及改進(jìn)意見。它對實(shí)時性要求比較高，對時延非常敏感。 本系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在以下幾個方面： 低碼率語音編碼技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn) 采用低碼率的語音編碼技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信道擴(kuò)容、降低語音通信和存儲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參數(shù)的精確估計(jì)最終成為 語音信號處理領(lǐng)域最重要的研究成果，并逐步走向?qū)嵱谩? 基于 DSP 的低碼率語音實(shí)時保密通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 7 語音編碼的發(fā)展概況 語 音 編 碼 最 初 是 由 人 們 企 圖 壓 縮 通 信 頻 帶 而 來 。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。例如 AES 密碼算法的輸入為 128比特明文，密鑰長度 128 比特，密文長度 128 比特。對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，如美國獨(dú)立戰(zhàn)爭、美國內(nèi)戰(zhàn)和兩次世界大戰(zhàn)。這篇文章從理論上推動了保密技術(shù)的發(fā)展。解下來后，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，因此在重要的場合大多采用數(shù)字話音保密技術(shù)。為此，許多研究 者開始嘗試采用混沌的方法來構(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)，加密后的信號最后仍然以數(shù)字信號傳輸，因此有很高的安全性。但用這兩種方法加密后的語音都具有很高的剩余可懂度，安全性較差