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端语音加密通信的同步信号设计

来源:UC论文网2016-06-13 09:01

摘要:

在语音加密通信过程中,接收方需要通过信号同步来实现精确的解密并恢复出语音信号,而 现有方法精确度低且运算量大。为了解决端到端语音加密、解密过程中的同步问题,设计了 一

  1.引言
  
  当前,窃听事件频频发生,通信安全面临巨大挑战。移动运营商针对通信安全问题采取了一些改良措施,但是无法从根本上弥补安全漏洞[1]。为此,越来越多的企业将注意力放在实现端到端通信加密的技术上,国外已经有不少相关手机产品问世。端到端加密通信使语音历经模-数-模的转化过程’进入手机的语音是已经加密过的,加密过程与手机及其通信网络无关。即使语音在通信传输过程中被截获,也需要正确的密钥解密才能获取原始语音信息。
  
  语音信号在传输和处理过程中是以帧为单位进行的m。端到端语音加密通信主要面临加密和同步两个技术问题。对于同步问题的解决国内外研究相对较少’这是一种模拟域的同步问题。文献提出了一种基于双音多频(DualToneMulti-Fre¬quency,DTMF)的密钥同步方法,利用两种不同频率的正弦信号来表示数字信号,可适用于这种模-数-模的加密体制。尽管这种方法可以满足初始的同步,但是,一旦持续地使用这种方法来稳定同步系统’信道利用率将大大降低’而且仅仅依靠单频正弦信号的相关性实现同步,精确度难以保证。文献也给出了类似的同步方法’但是该方法需要多次使用离散傅里叶变换’计算量较大’不满足实用要求。除此之外,还有一些数字信号同步的方,但是并不适用于这种模-数-模的通信方式。本文以新唐NCU120芯片为核心,搭建语音加解密的测试平台,对构造的同步信号进行调试。
  
  2.端到端语音加密的概况
  
  2.1端到端语音通信系统
  
  端到端加密是指语音在进入手机终端之前,经过一个加密装置被加密;接收到的语音在通过手机终端后,经过一个解密装置被解密,中间通信过程语音完全以密话的形式在传输,保证了语音的安全性。
  
  然而,进出手机终端的加密语音是模拟信号,由于手机内部声码器对于输入信号有特殊的要求,没有语音规律特性的信号将难以被正确编码传输。所
以,端到端的语音加解密需要解决加密算法和收发双方同步的问题。这里选择NUC120芯片、NAU8822芯片和FM1188芯片等,构建端到端语音加密硬件测试平台,并利用Keil滋Vision4进行程序调试。
 
   2.2语音加密过程
  
  加密后的语音信号在移动终端中要经过特殊的压缩编码,一旦信号不具备语音信号的特征形式,则无法透过声码器,接收端同样就难以正确恢复出语音。所以,加密后的信号必须满足类语音的特性,不能变成杂乱的噪声化信号。一般解决方案有类语音的调制[7]、置乱算法[8]、波形映射[9]等,这里选择基于快速傅里叶变换(FastFourierTransform,FFT)的频域置乱方法作为端到端语音的加密算法。将时域信号变换到频域,对其频域系数进行特定的置乱操作。
  
  2.3语音同步过程
  
  通信的双方既是发送方,也是接收方。收发双方必须要建立标识位,确定完整一帧语音信号的起始位置,保证取得的一帧语音和另外一帧语音无交叠,才能正确恢复出原始语音。在收发两端都需要添加同步模块用于同步的产生和检测。其中,同步检测过程包括初始同步和保持同步两部分,一旦检测到初始同步后,系统会进入同步保持状态。这时只对同步进行定的修正,不会影响系统的稳定运行。
  
  3.新型结构同步信号设计
  
  3.1同步方式选择
  
  同步问题涉及模拟通信系统和数字通信系统。在数字通信系统中,同步方法有载波同步、码元同步、群同步和网同步等[w]。群同步的思想比较符合端到端的同步需求,接收端利用群同步信号划分接收语音帧信号。这要求同步信号自相关特性曲线具有尖锐的单峰,以便容易从接收帧语音中识别出来。为了长时间的保持系统同步,需要周期性地插入同步帧。
  
  3.2同步信号性能要求
  
  结合实际语音在通信系统中的传输特点和硬件设备的参数要求,对于同步信号的设计有六点要求。
  
  (1) 识别度高。由于数据是未经编码的模拟信号,所以要产生比较明显的相关峰,需要特殊设计。
  
  (2) 可透过声码器。同步信号要满足声码器编解码要求,否则透不过声码器进行传输,接收端无法进行同步。
  
  (3) 带宽合适。在通信系统中,传输语音信号的标准话路频带宽度一般被限制在300~3400Hz内,同步信号也要满足这个要求,否则数据可能被滤限丢失。
  
  (4) 精确度。接收端接收到的信号中,可能只包含有同步帧的部分数据,在一定的参数要求下,这种残缺的同步信息也应被检测到。
  
  (5) 同步算法运算量。由于硬件设备的参数限制,同步算法不能过度复杂,导致数据处理出现错乱和延时。
  
  (6) 一定的抗噪声性能。同步信号应可以在一定的噪声干扰条件下仍被检测到,具有合适的抗噪性能。
  
  以上几点要求在设计同步帧的过程中必须考虑。为此,笔者在经过大量研究探讨后,设计了一种满足要求的同步信号形式。
  
  3.3新同步信号设计过程
  用这一特性,选取32ms作为语音处理的帧单元,A/D和D/A芯片采用8000Hz、16位采样,也即每一帧256采样点。为了有效处理采样的数据,提供4帧长度的缓冲池,对数据进行储存缓冲。一同步帧信号长度同样选取256米样点。
  
  3.3.1同步信号的选择
  
  语音的有效信息一般是在300~3400Hz范围内,语音的传输过程中会有相应的带通滤波器进行滤波。文献选用多个单频的正弦信号作为同步信号,精确度不高,信息传输效率低,接收端难以对正弦信号进行精确地同步。由于线性调频信号有很好的自相关峰值尖锐特性,线性调频带宽越宽,其自相关峰值越高。这里选择300~3400Hz频率范围内的线性调频信号作为同步信号。
  
  正弦信号可以通过检测过零率来实现同步的效果,但其很容易受到干扰,影响同步效果。而通过不断地进行频率检测识别单频正弦波的方法,运算量太大,不适用本系统。
  
  3.3.2同步帧结构设计
  
  发送方每隔一定长度语音帧添加一个同步帧头,供接收端同步检测。然而,接收方往往不会恰巧检测到一个完整的同步帧,同步信号可能会只留下部分供检测示。
 
  为此,同步帧头尾均设计了相同的32点短同步信号,只要头尾留出32点的同步信息,就可以被检测出来。为了确定检测到的短同步是头是尾,中间添加两个96点相同大小的长同步信号。长和短同步信号均是线性调频信号,可以被准确检测出来。
 
  这里的32点和96点是在满足本文硬件设备精确度要求的前提下选择的,对于不同的精确度和运行环境要求可以按照此结构调整实际点数。而且,这种结构设计可以解决上述遇到的两种问题。
  
  4.同步信号仿真结果
  
  根据设计的同步帧结构要求,以8kHz为采样频率,32ms为一帧长度,分别产生32点线性调频信号和96点线性调频信号,两种线性调频信号频率范围均在300~3400Hz内,并按结构形成一帧同步信号,数据由MATLAB生成后导入Keil滋Vision4进行调试。
  
  为了使同步信号在传输过程中不被滤波器滤除数据,设计的各个线性调频信号的带宽均满足300~3400Hz的要求,语谱图显示了其时频分布情况在实测过程中,当同步帧被完整接收时,本地32点短同步信号与之相关,将产生两个峰值,这时可以精确判断同步帧起始位置;当接收端仅接收到部分同步信号时,本地32点短同步信号与之相关,将产生一个峰值,此时,需要利用本地96点长同步信号与之相关。当紧接着的数据与之相关没有产生峰值时,则判定此短同步信号是同步帧的尾部,从而判断同步帧和数据的起始位置。图8是同步检测结果。无论是长同步信号还是短同步信号,和语音均不产生相关峰值,这也保证了同步的准确性。添加同步帧信号前后时频语谱图比较如图9所示。添加同步信号并没有引起频谱的扩展,同步数据可以满足滤波器的通带要求。
 
  5.评价
  
  5.1运算量对比
  
  同步检测是通过长、短同步相结合的方式进行检测的。这种结构可以保证检测过程只需在一帧缓冲内进行,同样可以准确检测到同步信号。对于4帧长度缓冲池,使用单类型的同步信号与采用新结构的同步信号,两种情况中的乘法次数比较结果如表1,可以看到新结构的同步信号在计算量上减少了88%。
  
  5.2抗噪声性能比较
  
  同步信号是由两种线性调频信号组成的,具有一定的抗噪声性能。一般音频电话线路信噪比大于30dB,否则话音质量很差。文献给出了在不同信噪比下全频段白噪声对语音清晰度的影响。
 
  两种信号在不同信噪比条件下,对实际检测到的同步帧位置与理论值进行比较统计出来的结果。由图可见,在0dB左右,语音的清晰度达到50%以上,正弦信号在此信噪比下只能达到50%左右的正确检测概率,而新结构的同步信号可以达到近100%的正确率。在正常通话过程中,这种同步检测的可靠性是相当高的。
  
  5.3对频谱带宽的影响
  
  一般语音信号信息包含在300~3400Hz带宽内,传输过程中将会有相应通带宽度的滤波器进行滤波。同步信号在设计时考虑到这一点,对线性调频的起止频率和带宽进行了特殊考虑,满足宽带要求。在实验板上进行实测时,可以完整地通过Co¬dec芯片中的滤波器。
  
  6.结束语
  
  本文针对端到端语音的传输特性,设计了一种新的可用于端到端模拟信号同步的同步信号结构形式。该结构将长同步和短同步结合在一起,共同作为判定同步位置的条件,大大减少传统方法的乘法运算量,提高了同步信号的正确检测概率和精确度。该结构设计方法和思想可以灵活应用于其他各类同步信号的设计中去,同时能根据不同的参数要求和运行环境进行调整。理论分析和仿真结果表明:该同步信号不仅满足了同步所需的精确度要求,而且具有一定的抗噪性能,添加在语音信号中,并没有引起频谱的展宽。本文设计解决了端到端语音传输的关键问题,并在通信实践中取得了良好的同步效果。
 
    陈瑶瑶,郝建华,张子博(装备学院研究生管理大队,北京101416)
 

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