【正文】 ／解碼模塊、加密／解密模塊、能夠進行全雙工通信時的串行接口模塊等。再加上加密運算和解密運算，系統(tǒng)需要的 DSP 器件的運算能力不能低于 100MIPS。 系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件平臺設計 當 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。 接收端從信道收到密文后經(jīng)解包處理，根據(jù)包頭的相關(guān)參數(shù)判斷此包所用密鑰，用得到的密鑰對密文進行解密。首先發(fā)送端以 8kHz 的采樣率對語音進行采集，以 8bit量化精度 得到數(shù)字語音信號，以幀 (幀長 ，每幀 180 個樣點 )為單位進行語音編碼處理，使其轉(zhuǎn)化為特定格式的編碼數(shù)據(jù)，減少語音信號的冗余度及占用的傳輸信道帶寬。由于本系統(tǒng)采用分組密碼，在加密后語音打包時應在包頭進行加密相關(guān)設置，以保證接受方能正確的解密。 ? 具有 56 個單獨可編程的多路復用 I/O 引腳 ? 串行外設接口模塊（ 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)設計的通信系統(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。 ? 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） 內(nèi)置具有兩個 8 選 1 多路切換器和雙采樣保持器的 12 位 ADC 內(nèi)核； 快速的轉(zhuǎn)換時間（ S/H+轉(zhuǎn)換）為 80ns（ ADC 工作在 25MHz）； 16 個模擬輸入通道； 自動排序功能，具有兩個獨立的最多可選擇 8 個模擬轉(zhuǎn)換通道的排序器，可獨立以雙排序器模式工作，也可級連后組成最多可選擇 16 個通道的模式，每次需要轉(zhuǎn)換的通道均可通過編程來選擇。 TMS320F2812 的主要特點如下： ? 具有 32 位定點 DSP TMS320C28xTMCPU 內(nèi)核 基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 11 ? 存儲器 4K????/?????????????MELP?AES??????????????????? ???????????????,????????????????,?????????MELP?????????? ?????????????AES???????????NNNYYY16 Boot ROM 18K????/?????????????MELP?AES??????????????????? ??????????????,????????????????,?????????MELP?????????? ?????????????AES???????????NNNYYY16 RAM 128K????/?????????????MELP?AES??????????????????? ???????????????,????????????????,?????????MELP?????????? ?????????????AES???????????NNNYYY16 Flash ? 速度 的指令周期，每秒可以執(zhí)行 150M 條指令。 TMS320F2812 DSP 集成了 128KB 的閃存，可用于開發(fā)及對現(xiàn)場軟件進行升級時的簡單再編程。 TMS320F2812 芯片基于 C/C++高效 32 位 TMS320C28x DSP 內(nèi)核，并提供浮點數(shù)學函數(shù)庫，從而可以在定點處理器上方便地實現(xiàn)浮點運算。 TMS320F2812 數(shù)字信號處理器是 TI 公司最新推出的 32 位定點 DSP 控制器，是目前控制領域最先進的處理器之一。 數(shù)字信號處理器概述 數(shù)字信號處理器，即通常所說的 DSP(digital signal processor)?？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)，設計了基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的方案。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)的軟件設計、相關(guān)接口的程序設計和語音編碼以及加密算法設計，最后給出了測試結(jié)果以及改進意見。利用 DSP 完成語音信號實時采集回放、語音編解碼、語音加解密和實時傳輸。 系統(tǒng)性能評測 由于引入了加密過程，它將影響到語音包大小、語音延時和傳輸帶寬的占用等各個方面，因此需要對該功能引入之后對系統(tǒng)的性能影響進行評測，以確保它不會給系統(tǒng)的性能帶來太大的影響。而當單向時延超過 450ms 時，其通話質(zhì)量就很難讓人接受了 【 24】 。它對實時性要求比較高，對時延非常敏感。實現(xiàn)了基于 DSP 的保密語音通信所需要的加密方法和加密算法。 加密算法的研究和實現(xiàn) 語音通信在加密方面有其自己的特點 (主要是考慮其實時性和話音質(zhì)量的要求 )，另外安全的投入必須與實際需求成比例。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 上實現(xiàn)了該算法。 本系統(tǒng)的研究重點在以下幾個方面： 低碼率語音編碼技術(shù)的研究和實現(xiàn) 采用低碼率的語音編碼技術(shù)是實現(xiàn)信道擴容、降低語音通信和存儲成本的主要和首選方法?，F(xiàn)有的數(shù)字語音保密通信系統(tǒng)的語音編碼速率較高，占用帶寬資源較多。 在上述 幾種方法中，第 1 種方法的缺點是速度較慢，一般可用于基本語音算法的模擬或者非實時的語音編解碼；第 2 種和第 5 種方法專用性強，應用受到很大的限制，第2 種方法也不便于系統(tǒng)的獨立運行；第 3 種方法只適用于實現(xiàn)簡單的 DSP 算法；第 4 種方法才使數(shù)字信號處理的應用打開了新的局面。 5）用專用的 DSP 芯片實現(xiàn)。 4）用通用的可編程 DSP 芯片實現(xiàn)。但 MELP 也是一個比較新的語音壓縮編碼算法，資料比較缺乏，各國還在不斷的研究之中，它也是本文要研究的內(nèi)容之一。隨后，出現(xiàn)了一些碼速率低、語音質(zhì)量高混合編碼算法， 1998 年推出的混合激勵線性預測 MELP 算法便是其中之一。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。在 20 世紀 80 年代以前， LPC 聲碼器最終因其成熟的算法和對參數(shù)的精確估計最終成為 語音信號處理領域最重要的研究成果，并逐步走向?qū)嵱谩?1966 年， J． L． Flanagan 提出了以瞬時頻率為基礎的相位聲碼器 【 20】 。 20 世紀 60 年代以前， Sato Itakura(1966) 和 AtalSchroedet(1967) 研究出實用的共振峰聲碼器，最早把“ LPC(LinearPredictionCode)”技術(shù)應用到語音分析和合成。 在半個多世紀的研究中，各國學者做了大量努力，從人類發(fā)音機理和聽覺機理出發(fā)，對語音的基本元素如聲學特性、頻譜特征和語意表達等做了大量研究，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的重要研究方向。 基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設計與實現(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 。因此，通常把對稱密鑰加密技術(shù)與非對稱密鑰加密技術(shù)結(jié)合起來實現(xiàn)最佳性能。其中使用最廣的是 RSA。因為一些問題 (如因子分解問題 )至今已有數(shù)千年的歷史了。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，一些認為是安全的算法又有許多是不實用的，它們要么是密鑰太大，要么密文擴展的太大。用公鑰加密的信息只能用私鑰解密，反之亦然。在公鑰密碼中，加密密鑰不同于解密密鑰，加密密鑰公開，解密密鑰保密， 分別稱為公鑰和私鑰。 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，在軍事、外交以及商業(yè)應用中使用越來越普遍。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。 序列密碼的優(yōu)點是錯誤擴展小、速度快、利于同步和安全程度高。 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文設計 6 4）組合網(wǎng)絡及其他序列，通過組合運用以上方法，產(chǎn)生更復雜的網(wǎng)絡，來實現(xiàn)復雜的序列，這種序列的密碼性質(zhì)理論上比較難控制。 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)也是相當困難的問題， Bent 序列就是其中一類好的序列，我國學者對反饋序列和前饋序列的研究都取得了相當多的成果。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。對稱密碼體制是從傳統(tǒng)的簡單換位、代替密碼發(fā)展來的。 加密技術(shù)的基礎是密碼學，密碼學研究的是密碼算法，密碼算法又可以分為兩類：對稱密鑰密碼算法和非對稱密鑰密碼算法。接收方在收到密文后，用解密密鑰將密文解密，恢復為明文。 4）加密解密的密鑰。 2）加密后的報文，也稱為密文。隨著計算機的發(fā)展，運算能力的增強，過去的密碼都變得十分簡單了，于是人們又不斷地研究出新的數(shù)據(jù)加密方式，如利用 ROSA基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 5 算法產(chǎn)生的私鑰和公鑰就是在這個基礎上產(chǎn)生的。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行了破解。近期加密技術(shù)主要應用于軍事領域，如美國獨立戰(zhàn)爭、美國內(nèi)戰(zhàn)和兩次世界大戰(zhàn)。 數(shù)據(jù)加密技術(shù) 加密作為保障數(shù)據(jù)安全的一種方式，它不是現(xiàn)在才有的，它產(chǎn)生的歷史相當久遠，它的起源要追溯到公元前 2021 年，雖然它不是現(xiàn)在所講的加密技術(shù) (甚至不叫加密 )，但作為一種加密的概念，確實早在幾個世紀前就誕生了。電報通信、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 相應的保密技術(shù)問題。按這種通信方式，信息在進入信道傳送之前必須先進行各種形式變化，成為加密信息，在接收端進行相應的逆變化以后，將恢復出原來信號。這篇文章從理論上推動了保密技術(shù)的發(fā)展。二戰(zhàn)時期，由于軍事上的 需要，通信技術(shù)得到了很大發(fā)展，同時也促進了通信保密技術(shù)的長足進步。前蘇聯(lián)間諜使用的一次一密亂碼本到現(xiàn)在也沒人能破譯。公元前 60 年，古羅馬統(tǒng)帥凱撒第一個用當時發(fā)明的“凱撒密碼”書寫軍事文書，用于戰(zhàn)時通信。解下來后，紙條上的文字就是密文。 西安電子科技大學本科畢業(yè)論文設計 4 保密通信的背景知識 保密技術(shù)由來以久。其中加密器采用了序列密碼技術(shù)和分組加密技術(shù)。工作原理是模擬話音信號經(jīng)過模數(shù)編碼器進行數(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。 數(shù)字話音保密技術(shù)可達到很高的保密度，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)。竊聽者在得到原始混沌數(shù)據(jù)后，運用諸如動力學重構(gòu)、回復映像及用自同步估計模型參數(shù)等技術(shù)，仍可以破譯加密后的密文。但這種方法在保密性能和通信質(zhì)量兩方 面難以取得進一步提高，且抗干擾和抗破譯性能差，目前很少被采用。如產(chǎn)生混沌信號的電路所需電源電壓過高，無法應用于實際系統(tǒng)；混沌信號的頻帶較寬，在實際系統(tǒng)傳輸時，部分頻率的信號被濾除，無法實現(xiàn)混沌同步等問題，阻礙了混沌應用于語音保密通信的進程。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。這種加密方法可行的原因在于可以依據(jù)人對語音數(shù)據(jù)的感知程度來劃分語音數(shù)據(jù)，加密對人的感知影響很大的部分數(shù)據(jù)而對剩余部分不作處理。為此，有些學者提出了部分加密的方法。 雖然用 DES、 IDEA 等傳統(tǒng)密碼學的方法實現(xiàn)語音的完全加密可以獲得很高的安全基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 3 性，但是語音信息作為多媒體信息的一種，使用傳統(tǒng)密碼學中對稱和非對稱密碼的方法對語音數(shù)據(jù)進行完全加 密并不是十分合適。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。但模擬語音加密后的剩余可懂度高，安全性較差，主要原因在于模擬語音加密方法沒有改變語音信號的冗余性 。使用離散余弦變換方祛構(gòu)造了語音加密算法，比較了四種常用的離散正交變換方法：離散傅立葉變換、離散沃爾什一哈達瑪變換、離散余弦變換和離散編球體變換，認為離散余弦變換方法最好的原因是用離散余弦變換方法加密后的語音具有很低的剩余可懂度，解密后的語音質(zhì)量好，算法速度快等。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)點是通過消除語音的冗余度降低語音的剩余可懂度。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，而且延時很大，需要同步。 早期的研究主要集中在頻率域和時問域?qū)φZ音信號進行加密處理。頻闕置亂是語音最早采用的模擬語音加密技術(shù)，至今仍在廣泛運用。其實，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。 本系統(tǒng)在提供高保密性的同時降低了信道帶寬的占用，由于采用 DSP 實現(xiàn)和軟件模塊化設計方法，系統(tǒng)具有良好的擴展性，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。但現(xiàn)有通用 DSP 實現(xiàn)的方案中，系統(tǒng)采用的編碼速率高，占用信道帶寬多。如果用專用芯片實現(xiàn)，不僅能節(jié)省計算機 CPU 的大量