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泉源:UCS63娱乐网2016-06-13 09:01

择要:

在语音加密通讯进程中,接纳方需求经过信号同步来完成准确的解密并规复出语音信号,而 现无方法准确度低且运算量大。为理解决端到端语音加密、解密进程中的同步题目,设计了 一

  1.弁言
  
  以后,窃听事情反复发作,通讯平安面对宏大应战。挪动运营商针对通讯平安题目接纳了一些改进步伐,但是无法从基本上补偿平安破绽[1]。为此,越来越多的企业将留意力放在完成端到端通讯加密的技能上,外洋曾经有不少相干手机产物问世。端到端加密通讯使语音历经模-数-模的转化进程’进动手机的语音是曾经加密过的,加密进程与手机及其通讯网络有关。即便语音在通讯传输进程中被截获,也需求准确的密钥解密才干获取原始语音信息。
  
  语音信号在传输和处置进程中因此帧为单元停止的m。端到端语音加密通讯次要面对加密和同步两个技能题目。关于同步题目的处理国际外研讨绝对较少’这是一种模仿域的同步题目。文献提出了一种基于双音多频(DualToneMulti-Fre¬quency,DTMF)的密钥同步办法,应用两种差别频率的正弦信号来表现数字信号,可实用于这种模-数-模的加密体制。虽然这种办法可以满意初始的同步,但是,一旦继续地运用这种办法来波动同步零碎’信道应用率将大大低落’并且仅仅依托单频正弦信号的相干性完成同步,准确度难以包管。文献也给出了相似的同步办法’但是该办法需求屡次运用团圆傅里叶变更’盘算量较大’不满意适用要求。除此之外,另有一些数字信号同步的方,但是并不实用于这种模-数-模的通讯方法。本文以新唐NCU120芯片为中心,搭建语音加解密的测试平台,对结构的同步信号停止调试。
  
  2.端到端语音加密的概略
  
  2.1端到端语音通讯零碎
  
  端到端加密是指语音在进动手机终端之前,颠末一个加密安装被加密;接纳到的语音在经过手机终端后,颠末一个解密安装被解密,两头通讯进程语音完全以密话的方式在传输,包管了语音的平安性。
  
  但是,收支手机终真个加私语音是模仿信号,由于手机外部声码器关于输出信号有特别的要求,没有语音纪律特性的信号将难以被准确编码传输。所
以,端到真个语音加解密需求处理加密算法和收发单方同步的题目。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,并应用Keil滋Vision4停止顺序调试。
 
   2.2语音加密进程
  
  加密后的语音信号在挪动终端中要颠末特别的紧缩编码,一旦信号不具有语音信号的特性方式,则无法透过声码器,接纳端异样就难以准确规复出语音。以是,加密后的信号必需满意类语音的特性,不克不及酿成芜杂的噪声化信号。普通处理方案有类语音的调制[7]、置乱算法[8]、波形映射[9]等,这里选择基于疾速傅里叶变更(FastFourierTransform,FFT)的频域置乱办法作为端到端语音的加密算法。将时域信号变更到频域,对其频域系数停止特定的置乱操纵。
  
  2.3语音同步进程
  
  通讯的单方既是发送方,也是接纳方。收发单方必需要树立标识位,确定完好一帧语音信号的肇始地位,包管获得的一帧语音和别的一帧语音无交叠,才干准确规复出原始语音。在收发两头都需求添加同步模块用于同步的发生和检测。此中,同步检测进程包罗初始同步和坚持同步两局部,一旦检测到初始同步后,零碎会进入同步坚持形态。这时只对同步停止定的修正,不会影响零碎的波动运转。
  
  3.新型构造同步信号设计
  
  3.1同步方法选择
  
  同步题目触及模仿通讯零碎和数字通讯零碎。在数字通讯零碎中,同步办法有载波同步、码元同步、群同步和网同步等[w]。群同步的头脑比拟契合端到真个同步需求,接纳端应用群同步信号分别接纳语音帧信号。这要求同步信号自相干特性曲线具有锋利的单峰,以便容易从接纳帧语音中辨认出来。为了永劫间的坚持零碎同步,需求周期性地拔出同步帧。
  
  3.2同步信号功能要求
  
  联合实践语音在通讯零碎中的传输特点和硬件设置装备摆设的参数要求,关于同步信号的设计有六点要求。
  
  (1) 辨认度高。由于数据是未经编码的模仿信号,以是要发生比拟分明的相干峰,需求特别设计。
  
  (2) 可透过声码器。同步信号要满意声码器编解码要求,不然透不外声码器停止传输,接纳端无法停止同步。
  
  (3) 带宽适宜。在通讯零碎中,传输语音信号的规范话路频带宽度普通被限定在300~3400Hz内,同步信号也要满意这个要求,不然数据能够被滤限丧失。
  
  (4) 准确度。接纳端接纳到的信号中,能够只包括有同步帧的局部数据,在肯定的参数要求下,这种完整的同步信息也应被检测到。
  
  (5) 同步算法运算量。由于硬件设置装备摆设的参数限定,同步算法不克不及过分庞大,招致数据处置呈现紊乱和延时。
  
  (6) 肯定的抗噪声功能。同步信号应可以在肯定的噪声搅扰条件下仍被检测到,具有适宜的抗噪功能。
  
  以上几点要求在设计同步帧的进程中必需思索。为此,笔者在颠末少量研讨讨论后,设计了一种满意要求的同步信号方式。
  
  3.3新同步信号设计进程
  用这一特性,选取32ms作为语音处置的帧单位,A/D和D/A芯片接纳8000Hz、16位采样,也即每一帧256采样点。为了无效处置采样的数据,提供4帧长度的缓冲池,对数据停止贮存缓冲。一同步帧信号长度异样选取256米样点。
  
  3.3.1同步信号的选择
  
  语音的无效信息普通是在300~3400Hz范畴内,语音的传输进程中会有相应的带通滤波器停止滤波。文献选用多个单频的正弦信号作为同步信号,准确度不高,信息传输服从低,接纳端难以对正弦信号停止准确地同步。由于线性调频信号有很好的自相干峰值锋利特性,线性调频带宽越宽,其自相干峰值越高。这里选择300~3400Hz频率范畴内的线性调频信号作为同步信号。
  
  正弦信号可以经过检测过零率来完成同步的结果,但其很容易遭到搅扰,影响同步结果。而经过不时地停止频率检测辨认单频正弦波的办法,运算量太大,不实用本零碎。
  
  3.3.2同步帧构造设计
  
  发送方每隔肯定长度语音帧添加一个同步帧头,供接纳端同步检测。但是,接纳方每每不会碰巧检测到一个完好的同步帧,同步信号能够会只留下局部供检测示。
 
  为此,同步帧头尾均设计了相反的32点短同步信号,只需头尾留出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,两头添加两个96点相反巨细的长同步信号。长和短同步信号均是线性调频信号,可以被精确检测出来。
 
  这里的32点和96点是在满意本文硬件设置装备摆设准确度要求的条件下选择的,关于差别的准确度和运转情况要求可以依照此构造调解实践点数。并且,这种构造设计可以处理上述遇到的两种题目。
  
  4.同步信号仿真后果
  
  依据设计的同步帧构造要求,以8kHz为采样频率,32ms为一帧长度,辨别发生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畴均在300~3400Hz内,并按构造构成一帧同步信号,数据由MATLAB天生后导入Keil滋Vision4停止调试。
  
  为了使同步信号在传输进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意300~3400Hz的要求,语谱图表现了当时频散布状况在实测进程中,当同步帧被完好接纳时,当地32点短同步信号与之相干,将发生两个峰值,这时可以准确判别同步帧肇始地位;当接纳端仅接纳到局部同步信号时,当地32点短同步信号与之相干,将发生一个峰值,此时,需求应用当地96点长同步信号与之相干。当紧接着的数据与之相干没有发生峰值时,则断定此短同步信号是同步帧的尾部,从而判别同步帧和数据的肇始地位。图8是同步检测后果。无论是长同步信号照旧短同步信号,和语音均不发生相干峰值,这也包管了同步的精确性。添加同步帧信号前后时频语谱图比拟如图9所示。添加同步信号并没有惹起频谱的扩展,同步数据可以满意滤波器的通带要求。
 
  5.评价
  
  5.1运算量比照
  
  同步检测是经过长、短同步相联合的方法停止检测的。这种构造可以包管检测进程只需在一帧缓冲内停止,异样可以精确检测到同步信号。关于4帧长度缓冲池,运用单范例的同步信号与接纳新构造的同步信号,两种状况中的乘法次数比拟后果如表1,可以看到新构造的同步信号在盘算量上增加了88%。
  
  5.2抗噪声功能比拟
  
  同步信号是由两种线性调频信号构成的,具有肯定的抗噪声功能。普通音频德律风线路信噪比大于30dB,不然话音质量很差。文献给出了在差别信噪比下全频段白噪声对语音明晰度的影响。
 
  两种信号在差别信噪比条件下,对实践检测到的同步帧地位与实际值停止比拟统计出来的后果。由图可见,在0dB左右,语音的明晰度到达50%以上,正弦信号在此信噪比下只能到达50%左右的准确检测概率,而新构造的同步信号可以到达近100%的准确率。在正常通话进程中,这种同步检测的牢靠性是相称高的。
  
  5.3对频谱带宽的影响
  
  普通语音信号信息包括在300~3400Hz带宽内,传输进程中将会有相应通带宽度的滤波器停止滤波。同步信号在设计时思索到这一点,对线性调频的起止频率和带宽停止了特别思索,满意宽带要求。在实行板上停止实测时,可以完好地经过Co¬dec芯片中的滤波器。
  
  6.完毕语
  
  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仿信号同步的同步信号构造方式。该构造将长同步和短同步联合在一同,配合作为断定同步地位的条件,大大增加传统办法的乘法运算量,进步了同步信号的准确检测概率和准确度。该构造设计办法和头脑可以灵敏使用于其他各种同步信号的设计中去,同时能依据差别的参数要求和运转情况停止调解。实际剖析和仿真后果标明:该同步信号不只满意了同步所需的准确度要求,并且具有肯定的抗噪功能,添加在语音信号中,并没有惹起频谱的展宽。本文设计处理了端到端语音传输的要害题目,并在通讯理论中获得了精良的同步结果。
 
    陈瑶瑶,郝建华,张子博(配备学院研讨生办理大队,北京101416)
 

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