【正文】 來，對稱密鑰密碼體制得到了迅猛發(fā)展，在世界各國得到了關(guān)注和使用。 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)機產(chǎn)生性能優(yōu)良的偽隨機序列，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度完全決定于它所產(chǎn)生的偽隨機序列的好 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)生偽隨機序列，典型方法有： 1）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。 3）鐘控序列，利用一個寄存器序列作為時鐘控制另一寄存器序 Yd(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。 5）利用混淹理論、細胞自動機等方法產(chǎn)生的偽隨機序列。 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 128 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。 以 DES 算法為例，它采用美國國家安全局精心設(shè)計的 8 個 S— Box 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。 二、非對稱密鑰密碼技術(shù) 1976 年 Diffie 和 Helleman 在他們的論文“ NewDirections In Crytography”中首次提出公鑰密碼的觀點，使密碼學(xué)發(fā)生了一場變革。用戶要保障私鑰的安全：公鑰則可以發(fā)布出去。除加密功能外，公鑰系統(tǒng)還可以提供數(shù)字簽名。多數(shù)密碼算法的安全基礎(chǔ)是一些數(shù)學(xué)難題，這些難題專家們認為在短期內(nèi)不可能解決。公共密鑰加密算法主要有 RSA(Receive， Shamir,Adelman)、 Fertezza、 EIGama 等。 非對稱加密算法的保密性比較好，它消除了最終用戶交換密鑰的需要，但加密和解密花費時間長。即用非對稱密鑰加密技術(shù)加密對稱密鑰，而用對稱密鑰來對實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加密解密。 自 從 1876 年 貝 爾(AlexanderGrahamBell)發(fā)明電話以來，電話通信發(fā)展很快，但是在之后幾乎半個世紀中，人們對電話系統(tǒng)了解甚少，在 20 世紀 20 年代，美國貝爾實驗室開始研究電話信號，同時也對電話系統(tǒng)的理論進行研究。 自從 1939 年美國的 HomerDudley 發(fā)明聲碼器以來，語音處理開始了參數(shù)編碼或模型編碼的研究，它是以濾波器為主構(gòu)造的通道聲碼器。他們以線性組合模型滿足均方誤差最小條件下逼近原始波形的方法提取參數(shù)，研究出了自相關(guān)法、協(xié)方差法和格型法等快速算法。1969 年， A． V． Oppenheim 提出了以倒譜為基礎(chǔ)的同態(tài)聲碼器 【 21】 。 從上世紀 80 年代中后期，由于人們對發(fā)音機理深層次的研究和芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，語音編碼技術(shù)取得了突破性進展，推出了多種以波形匹配為目標的波形編碼算法和以追求人的感知效果 (追求解碼語音的可懂度和清晰度 )為目標的參數(shù)編碼算法，同時也推進了語音編碼算法的標準化， GSM、 IS5 G728 等都是當時出臺的語音編碼標準。 1985 年， Manfred、 Schroder和 Atal 提出的碼本激勵線性預(yù)測 (CELP)便是典型 的混合編碼算法。就語音編碼現(xiàn)狀而言， MELP 算法是低速率語音編碼中一種比較理想的編碼方案。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 8 數(shù)字語音處理方法 通常的數(shù)字信號處理的實現(xiàn)方法一般有以下幾種： 1) 在通用的計算機 (如 PC 機 )上用軟件 (如 Fortran、 C 語言、 Matlab)實現(xiàn)； 2) 在通用計算機系統(tǒng)中加上專門的加速處 理機實現(xiàn)； 3) 用通用的單片機 (如 MCS 5 96 系列、 80x86 系列、 ARM 等 )實現(xiàn)，這種方法可用于一些不太復(fù)雜的數(shù)字信號處理，如數(shù)字控制領(lǐng)域。與單片機相比， DSP 芯片具有更加適合于數(shù)字信號處理的軟件和硬件資源，可用于復(fù)雜的數(shù)字信號處理算法。在一些特殊的場合，要求的信號處理速度極高，用通用 DSP 芯片較難實現(xiàn)，例如專用于 FFT、數(shù)字濾波、卷積、相關(guān)等算法的 DSP 芯片，這種芯片將相應(yīng)的信號處理算法在芯片內(nèi)部用硬件實現(xiàn)，無需進行編程。 課題研究主要開展的工作 語音保密通信系統(tǒng)因其高保密性和安全性在軍隊和商業(yè)中得到迅速發(fā)展，不管是國內(nèi)還是國外，語音保密通信系統(tǒng)都還不成熟。課題以研究低碼率語音保密通信系統(tǒng)為目標， 對于其中涉及的低碼率語音編碼、加密問題加以研究，設(shè)計并實現(xiàn)了基于 DSP 的低碼率語音保密通信系統(tǒng)。在現(xiàn)有的語音編碼研究中，混合激勵線性預(yù)測編碼 MELP 是一種比較好的算法，MELP 編碼算法已經(jīng)被確定為美國新的聯(lián)邦語音編碼標準。本文的主要工作是基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 9 通過分析研究 TI 提供的 MELP 標準 C 源程序，掌握該算法在 DSP 芯片中的運行過程，把 C 源程序的核心部分和運算量較大的部分使用手工匯編來優(yōu)化，達到高效率、短延時的目的，為下一步實現(xiàn)加密打好基礎(chǔ)。針對本系統(tǒng)的需求，我們對各種加密方法和加密算法進行研究和比較，選擇了 AES 算法作為本系統(tǒng)的加密算法。 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) 低碼率語音加密系統(tǒng)是基于 DSP 的實時語音業(yè)務(wù)。通常，單向的通話時延在 150ms 以下時，人們幾乎感受不到時延的存在。該系統(tǒng)綜合考慮了編碼復(fù)雜度、延時、話音質(zhì)量、帶寬和安全性等各個方面性能因素。 本文選題和論文結(jié)構(gòu) 本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，設(shè)計并實現(xiàn)了基于數(shù)字信號處理器 (DSP)的語音保密通信系統(tǒng)。編解碼算法采用的是美國聯(lián)邦標準 算法，加解密算法采用的是 AES 算法。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 10 第 2 章 基于 DSP 的低碼率語音保 密通信系統(tǒng)的總體設(shè)計 低碼率語音保密通信系統(tǒng)由數(shù)字信號處理器 (DsP)實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的編碼、加密、解密和解碼，工作時不需要上位機的支持。 本章首先分析了系統(tǒng)中語音數(shù)據(jù)的流程，然后介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)的硬件平臺，最后描述了該系統(tǒng)的軟件設(shè)計方案。這種芯片具有較高的運行速度、豐富的軟硬件資源，非常適合做數(shù)字信號處理算法，且可以根據(jù)不同需要，編制不同程序來實現(xiàn)不同的信號處理算法，方便靈活。其頻率高達 150MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。在高精度伺服控制、可變頻電源、 UPS 電源等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，同時是電機等數(shù)字化控制產(chǎn)品升級的最佳選擇。優(yōu)化過的事件管理器包括脈沖寬度調(diào)制 （ PWM） 產(chǎn)生器、可編程通用計時器，以及捕捉譯碼器接口等；該器件還包括 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)化器（ ADC），吞吐量可達每秒 的采樣，其雙采樣裝置可實現(xiàn)控制環(huán)路的同步采樣，片上標準通訊端口可為主機、測試設(shè)備、顯示器及其他組件提供簡便的通訊端口。 ? 事件管理器（ EV） 12 路比較 PWM 通道； 4 個 16 位通用定時器，均具有 4 種計數(shù)模式； 6 個全比較單元； 6 個捕獲單元，其中 4 個具有連接正交編碼器脈沖的功能； 外部時鐘輸入和外 部比較輸入。 多個觸發(fā)源可啟動 ADC，可通過軟件、 EVA、 EVB 和外部引腳來觸發(fā)； 采樣和保持獲取時間窗具有單獨的預(yù)定標。 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 12 密鑰同步數(shù)據(jù)流主要用于密鑰協(xié)商和更換密鑰。 圖 21 單向語音數(shù)據(jù)流圖 系統(tǒng)語音通信流程如圖 2— 1。壓縮編碼后的語音數(shù)據(jù)經(jīng)過封裝，以特定格式的數(shù)據(jù)包為單位進行語音加密處理，進行語言加密處理時， DSP 工作模塊隨即使用內(nèi)置的加密算法和接收到的密鑰對語音信息進行加密，然后將密文再進行打包，并發(fā)送至信道。將解密后的數(shù)據(jù)進行語音解碼，最后得到數(shù)字化的語音，經(jīng)揚聲器 或耳機播出。由文獻知 MELP 編碼需要的 DSP 器件的運算能力約為 2030MIPS，再加上解碼器的需求， MELP 編碼和解碼共需要的 DSP 器件的運算能力約 60MIPS。綜合考慮運算能力、成本以及系統(tǒng)的擴展等因素，本系統(tǒng)選用 TI 公司的 TMS320F2812 芯片作主處理器。圖 22給出了設(shè)計本系統(tǒng)所用到的硬件模塊配置圖，包括 TMS320F2812DSP芯片，存儲器 FLASH 和 SDRAM，音頻處理模塊，異步串行接口模塊。主處理芯片 TMS320F2812 主要完成系統(tǒng)的核心工作 ，即語音編解碼和語音加解密的操作，同時對整個系統(tǒng)進行控制和管理。異步串行接口為系統(tǒng)實時通信提供接口。 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個部分：初始化模塊、密鑰協(xié)商模塊、語音采集與回放模塊、語音編解碼模塊、語音加解密模塊、串行口中斷服務(wù)模塊。 TMS32 0F2812McBPSJTAG接口音頻處理音頻輸入音頻輸出仿真器 異步串行接口SDRAMFLASH西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 14 圖 23 主程序流程圖 首先對硬件和 MELP 編解碼 函數(shù)和 AES 加解密函數(shù)初始化。在接收過程???? / ????????????? M EL P ? AES ??????? ??????????? ???????? ???????? , ???????????????? , ?????????M EL P ??? ??????? ???????????? ?AES ???????????NNNYYY基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 15 中，如果接收滿一幀數(shù)據(jù) (180 個采樣值 )，則將數(shù)據(jù)送接收編碼緩沖區(qū)，并將接收計數(shù)器清零，調(diào)整接收緩沖區(qū)指針。在發(fā)送過程中，當發(fā)送完一幀后，發(fā)送計數(shù)器清零，并將發(fā)送緩沖區(qū)指針調(diào)整，將 重構(gòu)語音數(shù)據(jù)送發(fā)送緩沖區(qū)。 系統(tǒng)功能模塊描述 模塊化的設(shè)計思路現(xiàn)已廣泛使用，其原理是盡量降低各部分之間的耦合度來達到使用靈活、查錯定位方便的目的。采用模塊化思想后只要對不同的部分更換不同的處理模塊，再更改少量的代碼就可完成編程的工作。 依據(jù)圖 21 語音通信流程，本系統(tǒng)至少應(yīng)該具有以下幾個模塊： 1．主程序 主程序管理系統(tǒng)中所有子程序，并負責通信雙方的交互 。目前，開發(fā)語音信號采集與處理系統(tǒng)通常有三種方案。其待點是價格便宜，但速度很謾。產(chǎn)品不能升級。采用這種方案的成本較高，但是由于 DSP 的高性能，可編程，此方案是一種性價 比較高的方案。 3．語音編碼和解碼模塊 該模塊功能是對語音信號迸行編碼、壓縮以便于傳輸，同時對接收到的語音數(shù)據(jù)進行解碼、解壓，將其還原成語音信號以便播放和回放。 4．語音數(shù)據(jù)加密和解密模塊 西安電子科技大學(xué)本科畢業(yè)論文設(shè)計 16 該模塊功能是加密壓縮后的語音信號和 對解包后的語音數(shù)據(jù)進行解密。密碼算法采用 AES，考慮到語音幀的特性本系統(tǒng)采用 ECB 模式和計數(shù)器模式進行運算。 5．密鑰協(xié)商模塊 密鑰協(xié)商采用 Differ— He||iTlan 算法，在通信前完成。 6．語音數(shù)據(jù)包及密鑰同步包封裝和解析模塊 該模塊是將語音包封裝為加密包，或加密包解析為語音包。 7．數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收 該模塊包括語音加密包和密鑰同步包的發(fā)送和接收。本系統(tǒng)中，兩個 DSP 工作模塊之間的通信通過 RS232 接口實現(xiàn)的 【 26】 。初始化模塊包括對 DSP 的初始化函數(shù) initValO、對中斷向量的初始化函數(shù) initInterrupt（） 、對 McBSP0 的初始化函數(shù) initMcBSP0（）、對 McBSPl 的初始化函數(shù) imtMcBSPl（）、對時鐘模式的初始 化函數(shù) initCLK（）、對語音處理芯片的初始化函數(shù) initAIC23（）、兩個編解碼初始化函數(shù) melp_ana_init（）和 melp_syn_iIlit（）以及加密初始化函數(shù) eipherlnit（）。接收緩沖區(qū) R_buff 和發(fā)送緩沖區(qū) X_buff 空間大小的設(shè)置， McBSP0與 McBSPl 中各控制寄存器的設(shè)置。 串行中斷服務(wù)模塊 系統(tǒng)的串行中斷服務(wù)程序主要完成采樣值的輸入和重建語音的輸出，這通過基于 DSP 的低碼率語音實時保密通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 17 McBSP0 的接收中斷服務(wù)程序和發(fā)送中斷服務(wù)程序完成。Oxff IMR=0x30； //允許 McBSP0 接收和發(fā)送中斷 IFR=0xff； asm(” rsbx INTM” )； //開全局中斷 接收部分，每次 McBSP0 的數(shù)掘接收寄存器 1(DRRl)滿了后，向 CPU 申請中斷，CPU 響應(yīng)中斷，就轉(zhuǎn)到接收中斷服務(wù)程序，將 DRRl 的數(shù)據(jù)讀入接收緩沖區(qū) R_buff