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.........................................183.1MELP声码器算法...............................................183.1.1分析器..................................................183.1.2合成器..................................................193.2MELP编解码模块的DSP实现.....................................203.2.1MELP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................................................254.3.1CPU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基于DSP的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现1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。西安电子科技大学本科毕业论文设计21.2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基于DSP的低码率语音实时保密通信系统的设计与实现3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