基于DSP的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现

函授毕业设计基于 DSP 的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现目录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 保密通信概述 .21.2.1 语音加密的研究现状 .21.2.2 保密通信的背景知识 .41.2.3 数据加密技术 .41.3 语音编码的发展概况 .71.4 数字语音处理方法 .81.5 课题研究主要开展的工作 .81.5.1 低码率语音编码技术的研究和实现 .81.5.2 加密算法的研究和实现 .91.5.3 设计实现了基于 DSP 的低码率语音实时保密通信系统 .91.5.4 系统性能评测 .91.6 本文选题和论文结构 .9第 2 章 基于 DSP 的低码率语音保密通信系统的总体设计 .102.1 数字信号处理器概述 .102.2 数据流程 .112.3 系统实现的硬件平 台设计 .122.4 系统软件设计 .132.4.1 系统功能模块描述 .152.4.2 初始化模块 .162.4.3 串行中断服务模块 .16第 3 章 MELP 算法及其 DSP 实现 .183.1 MELP 声码器算法 .183.1.1 分析器 .183.1.2 合成器 .193.2 MELP 编解码模块的 DSP 实现 .203.2.1 MELP 算法 .203.2.2 算法实现过程中的优化 .22第 4 章 低码率语音保密通信系统功能模块的设计与实现 .244.1 实时语音信号采集与回放 .244.2 语音加密模块的实现 .244.3 实时传输的实现 .254.3.1 CPU 初始化程序 .254.3.2 数据发送 .254.3.3 数据接收 .264.4 密钥协商的实现 .26小结 .28致谢 .29参考文献 .30摘 要语音保密通信是防止语音内容被窃听的通信方式，在军事和商业上具有极大的实用价值。采用数据加密技术是语音保密通信的重要手段。信道带宽是非常有限和宝贵的资源，而低码率语音编码技术是节省带宽的重要方法之一。DSP(数字信号处理器)是适用于数字信号处理的专用微处理器，能够快速、有效地实现语音压缩编码和语音数据加密。本系统就是以低码率语音编码技术和数据加密技术为背景，以数字信号处理技术为实现手段，以 DSP 为处理器，就如何在节省信道带宽占用的同时又能保证语音信息的安全性，提出了基于 TMS320F2812DSP 的低码率语音保密通信系统方案。为了在节省带宽资源的同时保证良好的话音质量，系统采用 2.4kbps 的 MELP 低码率语音编码算法，并针对 TMS320F2812 的硬件特性对 MELP 算法的实现进行汇编优化。为了保证语音通信的安全，系统采用实现速度快安全性高的 AES 算法来加密压缩后的语音信号。密钥协商采用的是 Differ-Hellman 协议。由于采用 DSP 实现和软件模块化设计，系统具有良好的扩展性，能够更换语音压缩编码算法和加密算法，所以本系统又可以作为低速率语音实时保密通信的实验平台。最后系统进行了测试，效果满意，基本达到了设计要求。关键字: 保密通信；语音加密；DSP；MELP；AES 西安电子科技大学本科毕业论文设计0第 1 章 绪论1.1 课题背景对于军队的语音通信以及涉及商业秘密的语音通信，保密性都是必须首先加以考虑的问题。为提高系统安全性，必须针对语音通信的特点研究保密语音通信的方法。此外，综合考虑传输介质状况、话音质量和安全性等方面，最好能把压缩编码算法和保密所采用的手段结合起来，这样不仅能降低通信延时，而且能够提高语音通信的安全性。近年来，随着宽带通信技术的飞速发展，语音通信的带宽占用在有线通信领域似乎已不再成问题了，但在无线通信领域，带宽始终是一种宝贵的资源，尤其在军用和保密通信中，语音编码上取得的成果可以迅速带来抗干扰、保密性能和系统容量的提高。采用低码率的语音编码技术是实现信道扩容、降低语音通信和存储成本的主要和首选方法。低码率编码算法也是二十一世纪通信、计算机网络、视频电话会议和远程教学系统等诸多应用领域的关键性核心技术。语音编码和加密是语音保密通信系统不可缺少的两个模块。在计算机网络中实现语音保密通信时，这两个部分一般都是通过软件实现的。如果用专用芯片实现，不仅能节省计算机 CPU 的大量时间，而且更有利于保密，但缺乏可扩展性。使用通用 DSP来实现这两个模块可以弥补以上两种方法的不足。但现有通用 DSP 实现的方案中，系统采用的编码速率高，占用信道带宽多。针对这些问题，本课题以低码率语音压缩技术和数据加密技术为背景，以数字信号处理技术为实现手段，以 DSP 为处理器，就如何在降低信道带宽占用的同时保证语音数据的安全性提出了一种解决方案，设计并实现了基于 DSP 的低码率语音实时保密通信系统。本系统在提供高保密性的同时降低了信道带宽的占用，由于采用 DSP 实现和软件模块化设计方法，系统具有良好的扩展性，能够更换语音压缩编码算法和加密算法，所以本系统又可以作为低速率语音实时保密通信的实验平台。基于 DSP 的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现11.2 保密通信概述1.2.1 语音加密的研究现状语音是人们交流信息的一种最基本工具，因此，研究语音加密，保障语音通信的安全非常重要。其实，对语音加密的研究可以追溯到 1881 年对电话保密装置的研究。与早期的研究不同，现在的语音保密通信己经发展到对语音内容的保密，即对明文进行加密处理，主要包括模拟加密和数字加密两种。频阙置乱是语音最早采用的模拟语音加密技术，至今仍在广泛运用。在模拟语音加密中，从对语音信号处理方式的不同来看，模拟语音加密可以分成时间域加密、频率域加密、变换域加密和多维域加密四类技术。早期的研究主要集中在频率域和时问域对语音信号进行加密处理。在时间域中加密的方法以置乱语音信号的时间段为主，但由于在时间域中可用于置乱的系数非常少，因此，人们选择了在频率域加密语音，最后再把数据返回到时间域的方法，其加密手段有倒频和频带分割置乱等，主要原因就在于在频率域可用来置乱的系数增多。但用这两种方法加密后的语音都具有很高的剩余可懂度，安全性较差，而且延时很大，需要同步。为此，在 80 年代后期，有研究者提出了对语音信号在时频二维加密的方法。后来又有研究者提出了在变换域处理语音数据，最后再把数据返回到时间域的方法，其优点是通过消除语音的冗余度降低语音的剩余可懂度。语音加密算法都是通过置乱语音信号 FFT 系数的方法来实现的，并认为置乱 FFT 系数的方法具有许多优点。使用离散余弦变换方祛构造了语音加密算法，比较了四种常用的离散正交变换方法：离散傅立叶变换、离散沃尔什一哈达玛变换、离散余弦变换和离散编球体变换，认为离散余弦变换方法最好的原因是用离散余弦变换方法加密后的语音具有很低的剩余可懂度，解密后的语音质量好，算法速度快等。不可否认，模拟加密具有简单实用、音质较高、占用带宽小、能在许多信道上使用的优点。但模拟语音加密后的剩余可懂度高，安全性较差，主要原因在于模拟语音加密方法没有改变语音信号的冗余性。例如，基于时间域变换的不安全性，基于频带分割和 DFT 变换算法的不安全性，提出了一种使用频谱矢量码本的方法来攻击变换域模拟语音加密的方法。和模拟加密相比，数字加密使用了编码压缩技术，加密后的信号最后仍然以数字信号传输，因此有很高的安全性。考虑到语音数据的特点，为了降西安电子科技大学本科毕业论文设计2低运算强度，加快加密速度，对语音的加密算法可以分为全加密和部分加密两种。虽然用 DES、IDEA 等传统密码学的方法实现语音的完全加密可以获得很高的安全性，但是语音信息作为多媒体信息的一种，使用传统密码学中对称和非对称密码的方法对语音数据进行完全加密并不是十分合适。考虑到每个语音数据包含的信息量比文本数据少的特殊性，可以采用一些计算量小，低延时的加密算法。为此，有些学者提出了部分加密的方法。部分加密又称之为选择加密，即只选择编码压缩后的语音数据中的一部分来进行加密。这种加密方法可行的原因在于可以依据人对语音数据的感知程度来划分语音数据，加密对人的感知影响很大的部分数据而对剩余部分不作处理。但是，部分加密在加密算法上依然使用传统的 DES、IDEA 等方法，只是通过减少待加密的数据来降低运算强度，也就是说加密速度是通过牺牲加密强度来换取的。为此，许多研究者开始尝试采用混沌的方法来构造快速的加密算法。如今混沌信号应用于语音保密通信系统的理论研究日趋成熟，但迟迟得不到很有效的应用，主要原因是混沌电路存在几个尚未解决的难题。如产生混沌信号的电路所需电源电压过高，无法应用于实际系统；混沌信号的频带较宽，在实际系统传输时，部分频率的信号被滤除，无法实现混沌同步等问题，阻碍了混沌应用于语音保密通信的进程。已有的混沌保密通信技术主要表现为采用非线性模拟电路，如蔡氏电路来产生混沌信号，通信时用模拟的混沌信号掩盖传输信号，从而实现保密通信。但这种方法在保密性能和通信质量两方面难以取得进一步提高，且抗干扰和抗破译性能差，目前很少被采用。采用数字化的方法实现混沌保密通信虽然克服了上述不足，但最新研究表明，普通混沌的抗破译性能仍不够商。窃听者在得到原始混沌数据后，运用诸如动力学重构、回复映像及用自同步估计模型参数等技术，仍可以破译加密后的密文。另一方面，普通混沌加解密系统的加解密速度仍然难以满足流媒体的保密通信要求。数字话音保密技术可达到很高的保密度，并且克服了模拟话音保密技术中保密度和话音质量难以两全齐美的困难，因此在重要的场合大多采用数字话音保密技术。数字保密系统包括语音编、解码器和数字调制、解调器以及信道编、译码器。工作原理是模拟话音信号经过模数编码器进行数字编码成为数字信号，再通过加密器变成数字加密话音信号，经信道编码器进行纠错，再经数字调制器将数字信号转变成适合于发送端信道传输的模拟信号。在接收端再由解调器还原成数字信号，再经信道译码器、解密器、数模转换器恢复话音信号。其中加密器采用了序列密码技术和分组加密技术。数字话音保密技术由于输出的加密信号具有伪随机的特性，因此对于窃听者来讲只是基于 DSP 的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现3一片噪音，可懂度为零。1.2.2 保密通信的背景知识保密技术由来以久。公元前 400 年，斯巴达人就发明了“塞塔式密码”，即把长条纸螺旋形地斜绕在一个多棱棒上，将文字沿棒的水平方向从左到右书写，写一个字旋转一下，写完一行再另起一行从左到右写，直到写完。解下来后，纸条上的文字就是密文。这是最早的密码技术。公元前 60 年，古罗马统帅凯撒第一个用当时发明的“凯撒密码”书写军事文书，用于战时通信。二战期间德国使用 ENIGMA 密码机发送作战指令，如何破译其密码曾是盟军情报机构的头等大事。前苏联间谍使用的一次一密乱码本到现在也没人能破译。自从有了通信技术，就开始了对通信的窃密和保密。二战时期，由于军事上的需要，通信技术得到了很大发展，同时也促进了通信保密技术的长足进步。四十年代，Shannon 把信息论、密码学和数学结合起来，研究了“保密系统的数学结构”，发表了关于保密技术的经典文章保密系统的通信理伦。这篇文章从理论上推动了保密技术的发展。保密通信是一种隐蔽通信具体内容的通信方式。按这种通信方式，信息在进入信道传送之前必须先进行各种形式变化，成为加密信息，在接收端进行相应的逆变化以后，将恢复出原来信号。这样，非法的截收者将不能理解通信内容的含义。电报通信、电话通信、视频通信和数据通信等各种通信方式中都有相应的保密技术问题。通信的保密手段主要是加密技术，数据加密技术的发展为保密通信提供了强有力的保证，同时保密通信的发展也促进了加密技术的发展，两者是相辅相成的。1.2.3 数据加密技术加密作为保障数据安全的一种方式，它不是现在才有的，它产生的历史相当久远，它的起源要追溯到公元前 2000 年，虽然它不是现在所讲的加密技术(甚至不叫加密)，但作为一种加密的概念，确实早在几个世纪前就诞生了。当时埃及人是最先使用特别的象形文字作为信息编码的，随着时间推移，巴比伦、美索不达米亚和希腊都开始使用一些方法来保护他们的书面信息。近期加密技术主要应用于军事领域，如美国独立战争、美国内战和两次世界大战。最广为人知的编码机器是 GermanEnigma 机，在第二次世界大战中德国人利用它创建了加密信息。此后，由于 AlanTufing 和 Ultra 以及其他人的努力，终于对德国人的密码进行了破解。当初，计算机的研究就是为了破解德西安电子科技大学本科毕业论文设计4国人的密码，人们并没有想到计算机给今天带来的信息革命。随着计算机的发展，运算能力的增强，过去的密码都变得十分简单了，于是人们又不断地研究出新的数据加密方式，如利用 ROSA 算法产生的私钥和公钥就是在这个基础上产生的。任何一个加密系统至少包括下面四个部分：1）未加密的报文，也称为明文。2）加密后的报文，也称为密文。3）加密解密设备或算法。4）加密解密的密钥。发送方用加密密钥，通过加密设备或算法，将信息加密后发送出去。接收方在收到密文后，用解密密钥将密文解密，恢复为明文。如果传输中有人窃取，他只能得到无法理解的密文，从而对信息起到保密作用。加密技术的基础是密码学，密码学研究的是密码算法，密码算法又可以分为两类：对称密钥密码算法和非对称密钥密码算法。一、对称密钥密码技术对称密码技术是利用一个密钥对数据进行加密，对方接到数据后，必须用同一个密钥进行解密。对称密码体制是从传统的简单换位、代替密码发展来的。自 1977 年美国颁布 DES 密码算法作为美国数据加密标准以来，对称密钥密码体制得到了迅猛发展，在世界各国得到了关注和使用。对称密钥密码体制从加密模式上分为序列密码和分组密码两类。1、序列密码序列密码一直是作为军事和外交场合使用的主要密码技术之一，它的主要原理是，通过有限状态机产生性能优良的伪随机序列，使用该序列加密信息流，(逐比特加密)得到密文序列，所以，序列密码算法的安全强度完全决定于它所产生的伪随机序列的好坏，产生好的序列密码的主要途径之一是利用移位寄存器产生伪随机序列，典型方法有：1）反馈移位寄存器：采用 n 阶非线性反馈函数产生大周期的非线性序列，例如M 序列，具有较好的密码学性质，只是反馈函数的选择有难度，如何产生全部的 M 序列至今仍是世界难题。2）利用线性移位寄存器序列加非线性前馈函数，产生前馈序列，如何控制序列相位及非线性前馈函数也是相当困难的问题，Bent 序列就是其中一类好的序列，我国学基于 DSP 的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现5者对反馈序列和前馈序列的研究都取得了相当多的成果。3）钟控序列，利用一个寄存器序列作为时钟控制另一寄存器序 Yd(或自己控制自己)来产生钟控序列，这种序列具有大的线性复杂度。4）组合网络及其他序列，通过组合运用以上方法，产生更复杂的网络，来实现复杂的序列，这种序列的密码性质理论上比较难控制。5）利用混淹理论、细胞自动机等方法产生的伪随机序列。序列密码的优点是错误扩展小、速度快、利于同步和安全程度高。2、分组密码分组密码的工作方式是将明文分成固定长度的组(块)，如 128 比特一组，用同一密钥和算法对每一块加密，输出也是固定长度的密文。例如 AES 密码算法的输入为 128比特明