【導(dǎo)讀】采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)是語音保密通信的重要手段。信道帶寬是非常有限和寶貴的資。源，而低碼率語音編碼技術(shù)是節(jié)省帶寬的重要方法之一。于數(shù)字信號處理的專用微處理器，能夠快速、有效地實現(xiàn)語音壓縮編碼和語音數(shù)據(jù)加密。全性，提出了基于TMS320F2812DSP的低碼率語音保密通信系統(tǒng)方案。針對TMS320F2812的硬件特性對MELP算法的實現(xiàn)進(jìn)行匯編優(yōu)化。為了保證語音通信的。安全，系統(tǒng)采用實現(xiàn)速度快安全性高的AES算法來加密壓縮后的語音信號。由于采用DSP實現(xiàn)和軟件模塊化設(shè)計，系統(tǒng)具有良好的。時保密通信的實驗平臺。最后系統(tǒng)進(jìn)行了測試，效果滿意，基本達(dá)到了設(shè)計要求。

　　

【正文】 圖 33 MELP 聲碼器編碼流程圖 算法實現(xiàn)過程中 的優(yōu)化 整個程序在 TMS320F2812 的 simulator 環(huán)境下運行，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。這涉及如何充分利用 TMS320F2812 所能提供的硬件資源來對程序進(jìn)行優(yōu)化，包括存儲區(qū)的優(yōu)化和代碼的優(yōu)化。存儲區(qū)的優(yōu)化體現(xiàn)在壓縮代碼的存儲空間上，而代碼的優(yōu)化則體現(xiàn)在編解碼函數(shù)的計算延對上，優(yōu)化的具體措麓是采用 C 語言和匯編語言混合編程的方法，利用匯編語言，直接針對硬件資源編程，能較大限度地發(fā)揮 DSP 的效率，提高開始讀入一幀語言預(yù)處理計算基音周期清濁音標(biāo)志及抖動參數(shù)計算 LPC 系數(shù)計算殘差峰值更新清 / 濁音標(biāo)志計算增益LPC 轉(zhuǎn)化 LSF 并量化量化各參數(shù)根據(jù)量化的 LSF 系數(shù)計算譜幅度參數(shù)并量化更新存儲器語音輸入結(jié)束 ？結(jié)束參數(shù)打包發(fā)送Y ESNO 23 整個系統(tǒng)的運 行速度。 圖 34 MELP 聲碼器解碼流程圖 開始讀入解碼參數(shù)諧波矢量量化準(zhǔn)周期脈沖計算自適應(yīng)譜增強合成濾波器增益調(diào)整語音輸入結(jié)束 ？結(jié)束Y ESNO幀出錯 ？清濁音混合濾波隨機(jī)噪聲發(fā)生器NONOY ES語音輸出西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 24 第 4 章 低碼率語音保密通信系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計與實現(xiàn) 基于對語音通信系統(tǒng)的安全和降低信道帶寬占用等方面考慮，在 DSP 平臺上使用CCS 實現(xiàn)了低碼率語音保密通信系統(tǒng)。在實現(xiàn)過程中保證此系統(tǒng)安全的同時，力求做到語音連續(xù)性好，通話占用信道帶寬需求低，語音處理時延短。低碼率語音保密通信系統(tǒng)由實時信號采集與回放、語音編解碼、語音加解密、實時傳輸、密鑰協(xié)商五部分組成。由于時間原因，本文主要簡單介紹幾個模塊的設(shè)計與 實現(xiàn)。 實時語音信號采集與回放 TMS320F2812 要實現(xiàn) MELP 的編解碼功能，必須有前端語音信號 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換接口電路的配合。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。 AIC23 芯片為高性能的立體聲編解碼芯片，它的數(shù)字傳輸字長可以為 1 24和 32 位，采樣率為 8～ 96kHz，標(biāo)準(zhǔn)速率為 44． 1kHz。有麥克風(fēng)輸入和立體聲線性輸入 (增益可調(diào) )。數(shù)字、模擬電壓均與 F2812 的 I/O 電壓兼容。能夠?qū)崿F(xiàn)與 DSP 的 McBSP端口的無縫連接，使系統(tǒng)設(shè)計更加簡單。 AIC23 芯片有許多可編程特性，內(nèi)部有 11 個16 位映射寄存器控制接口。 語音加密模塊的實現(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 實現(xiàn)的要求采用了 ECB 和計數(shù)器兩種模式進(jìn)行加密運算。 由于 AES 密鑰為 128 位時的窮舉攻擊復(fù)雜度是 2128 ≈ l038，目前在理論上還不存在有效的攻擊方法，同時其運算速度是最快的，因此在實際應(yīng)用中可采用 128 位密鑰來實現(xiàn)。 AES 與 Rijndael 算法唯一區(qū)別是 AES 的分組長度固定為 128bit。 Rijndael 算法是比利時的密碼專家 Joan Daemen 和 Vincent Rijmen 提出的一個迭代分組密碼，其分組長度 25 和密鑰長度都是可變的。分組長度和密鑰長度可以獨立指定為 128bit、 192bit 或者 256bit。 AES 加密工作過程為：將輸入的明文和密鑰進(jìn)行一個初始圈密鑰加 (AddRoundKey)；接著進(jìn)行 Nr1 次輪變換 Round，最后再使用一個輪變換 FinalRound。初始的密鑰加法和每個輪變換均以狀態(tài) State 和一個輪密鑰作為輸入。第 i 輪的輪密鑰記為 ExpandedKey[i]，初始密鑰加法的輸入記為 ExpandedKey[0]。從 CipherKey 導(dǎo)出 ExpandedKey 的過程記為KeyExpansion。 Nr 的大小由分組長度和密鑰長度決定，最小為 10，最大為 14，每一圈變換由四個不同的變換組成，字節(jié)代替 (ByteSub)變換、行移位 (ShitLRow)變換、列混合(MixColunm)變換、圈密鑰加法 (AddRoundKey)。結(jié)尾圈等價于去掉列混合變換的圈。 解密工作過程與加密相類似：一個初始圈密鑰加 (AddRoundKey)； Nr1 圈的圈變換逆變換；一個結(jié)尾圈。 Nr 的大小與加密時相同。但圈變換逆變換由字節(jié)健替逆變換(InvByteSub)、行移位逆變換 (InvShifiRow)、列混合逆變換 (InvMixColunm)、圈密鑰加法(AddRoundKey)四個變換組成。結(jié)尾圈等價于去掉列混合逆變換的圈變換逆變換。 實時傳輸?shù)膶崿F(xiàn) 系統(tǒng)中兩個 DSP 之間的通信是通過 RS232 接口實現(xiàn)的。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。 CPU 初始化程序 CPU 初始化程序包括： 1）中斷向 量表的重定位。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。并對寄存器 PMST 中的 IPTR 做相應(yīng)修改。 2）工作時鐘的設(shè)置。將 CLKMD 寄存器先設(shè)為 0，使 DSP 工作在 1/2 分頻下，延時一段時間后，置為 PLL 模式，此時 CLK_MD=0x58，倍頻系數(shù)為 5，系統(tǒng)中選用的晶振為 10M，這樣， DSP 的工作主頻就在 50M。 3）設(shè)置 SWWSR。這里設(shè)為最大等待狀態(tài)數(shù) 7 個。設(shè)置 DSP 狀態(tài)寄存器 ST0_5STl_55。注意 CPL=1。 4）中斷的設(shè)置，關(guān)閉所有中斷。設(shè)置 IMR、 IFR 寄存器。 數(shù)據(jù)發(fā)送 發(fā)送數(shù)據(jù)是 McBSP 串口直接對 DXR[1,2]寫入數(shù)據(jù)。具體過程是，加密過的數(shù)據(jù)打西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 26 包完成后，就能發(fā)送了，等待中斷 INT0 產(chǎn)生，其若為發(fā)送中斷，則檢測發(fā)送完成的標(biāo)志 xOK 置 l，可以繼續(xù)發(fā)送下一個分組數(shù)據(jù)。當(dāng) CPU 要通過 McBSP 發(fā)送數(shù)據(jù)時，直接將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器 DXR[1,2]，若傳輸轉(zhuǎn)移寄存器 XSR[1,2]中沒有數(shù)據(jù)，則 DXR[1,2]中的數(shù)值移向 XSR[1,2]，在發(fā)送時鐘 CLKX 和幀同步發(fā)送信號 FSX 控制下，再由 XSR[l,2]將數(shù)據(jù)移到 DX 引腳上發(fā)送 ；若 XSR[1,2]不為空，則等待 XSR[1,2]中的數(shù)據(jù)全部移到 DX 引腳發(fā)送之后才將 DXR[1， 2]中的數(shù)據(jù)復(fù)制到 XSR[1， 2]，然后才移位到 DX。 數(shù)據(jù)接收 接收數(shù)據(jù)也是通過 McBSP 串口，其過程同發(fā)送類似，在接收時鐘 CLKR 和幀同步接收信號 FSR 控制下，將到達(dá) DR 接收引腳的數(shù)據(jù)移存到 RSR[1， 2]，一旦接收到一個字 (字長可以設(shè)置 )，檢查 RBR[1， 2]是否為空，若為空將 RSR[1， 2]中的數(shù)據(jù)復(fù)制到 RBR[1，2]，在 CPU 沒有對 DRR[1， 2]進(jìn)行操作時，可以將 RBR[1， 2]中的數(shù) 據(jù)復(fù)制到 DRR[1，2]，最后 CPU 通過讀取 DRR[1， 2]中的數(shù)據(jù)來實現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)接入。 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。根據(jù)包頭的起始位判斷收到的包是語音包還是密鑰同步包，如果是密鑰同步包則根據(jù)其序列號可計算密鑰序列作為隨后 20 個語音包的解密密鑰，然后繼續(xù)接收加密包。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。如果是計算器模式則根據(jù)包頭的序列號計算解密密鑰對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，然后解碼回放。 密鑰協(xié)商的實現(xiàn) 密鑰協(xié)商的作用是協(xié)商 會話密鑰、傳送初始化向量和確定加密模式，語音通話之前通信雙方的安全參數(shù)必須確定完畢，因此密鑰協(xié)商應(yīng)在會話建立過程中安全協(xié)商完成。由于系統(tǒng)采用端到端連接，因此不宜采用密鑰分配中心分配密鑰，本系統(tǒng)采用DiffferHellman 算法協(xié)商密鑰。 密鑰協(xié)商按發(fā)起方、接收方兩種不同方式工作，其工作流程如圖 41 所示。 發(fā)起方 A 首先接收用戶輸入的隨機(jī)數(shù) X 和初始化向量 Ⅳ ，計算 X，并把 X、 Ⅳ 傳送給接收方 B；然后從 B 接收 Y，并計算會話密鑰 k；然后向語音加解密模塊輸出Ⅳ和k；開始加密的語音通信。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。 27 圖 41 密鑰協(xié)商流程圖 向語音加解密模塊輸入 IV 和 k開始是通信發(fā)起發(fā) A ? 接收 X和初始化向量 IV 接收隨機(jī)數(shù) y 計算傳送 Y 接收隨機(jī)數(shù) X和初始化向量 IV 計算傳送 X ， IV接收 Y根據(jù) D H 算法計算密鑰 kngXxm o d?ngYymod?根據(jù) D H 算法計算密鑰 k結(jié)束 28 小 結(jié) 對于軍事語音通信以及涉及商業(yè)秘密的語音通信，保密性都是必須首先加以考慮的問題。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。針對這種情況，論文就如何在降低信道帶寬占用的同時保證語音數(shù)據(jù)的安全性，提出了一種解決方案，并設(shè)計實現(xiàn)了基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)。由于采用 DSP 實現(xiàn)和軟件 模塊化設(shè)計方法，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時保密通信的實驗平臺?，F(xiàn)將所作的主要工作總結(jié)如下： 1）分析了目前語音保密通信系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并指出了它們的不足，提出了更有利于保密的實現(xiàn)方法，將低碼率語音編碼與加密融合在一起來實現(xiàn)。 2）詳細(xì)介紹了數(shù)字信號處理器 DSP，重點介紹 TMS320F281x 系列的 DSP 以及其開發(fā)工具 CCS，研究了如何在 TMS320F281x 系列的 DSP 上實現(xiàn)語音編碼、加密的關(guān)鍵問題。 3）基于保障語音質(zhì)量和節(jié)約傳輸帶寬的考慮 ，設(shè)計并實現(xiàn)了基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)。 4）研究并實現(xiàn)了編碼速率為 的 MELP 算法，作為低碼率語音編碼處理算法。 5）研究了語音加密對傳輸帶寬、時延等的影響，在符合基于 DSP 實現(xiàn)的低碼率語音編碼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了用 ECB 和計數(shù)器兩種模式對語音進(jìn)行加密。 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。 限于時間和水平，系統(tǒng)還不是很完善。在下一步的研究中，需要進(jìn)一步結(jié)合系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)用匯編進(jìn)行算法優(yōu)化，使系統(tǒng)處理時間進(jìn)一步縮短。另外可以采用其它的語音編解碼 算法和語音加解密算法在本系統(tǒng)提供的平臺上進(jìn)行試驗。這些功能在本系統(tǒng)平臺上實現(xiàn)時不需要修改硬件，只要針對 DSP 的特點編寫相應(yīng)的程序即可。 29 致謝 在論文完成之際，我要特別感謝 指導(dǎo)老師 的熱情和悉心指導(dǎo) ， 在此 對他 表示真誠地感謝和深深的謝意。 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。 感謝 寶雞教學(xué)點 的 所有 老師，他們在 三 年的學(xué)習(xí)期間給我了很多幫助 。 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)。在此，向他們表示感謝。 將本文獻(xiàn)給我的家人，沒有他們 的支持和鼓勵，就沒有我現(xiàn)在的成績。 最后，向在百忙中抽出時間對本文進(jìn)行評審并提出寶貴意見的各位專家表示衷心地感謝！ 30 參考文獻(xiàn) [1] 趙昱，基于 DSP 的語音保密通信系統(tǒng)設(shè)計，南京理工大學(xué)學(xué)位論文， 2021 [2] 盧開登等，計算機(jī)密碼學(xué)，清華大學(xué)出版社， 2021 [3] 馮登國．吳文玲，分組密碼的設(shè)計與分析，清華大學(xué)出版， 2021 [4] 楊行峻等，語音信號數(shù)字處理，電子工業(yè)出版社， 2021 [5] 王炳錫，語音編碼，西安電子科技大學(xué)出版社， 2021 [6] 賴長慶，混合激勵線性預(yù)測聲碼器算法的研 究，電子科技大學(xué)學(xué)位論文， 2021 [7] 汪春梅等， TMS320C5000 DSP 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)實例，電子工業(yè)出版社， 2021 [8] 張雄偉．陳亮．徐光輝， DSP 芯片的原理與開發(fā)應(yīng)用，電子工業(yè)出版社， 2021