端到端語音加密通信的同步信號設(shè)計*

陳瑤瑤，郝建華，張子博(裝備學(xué)院研究生管理大隊,北京101416)

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端到端語音加密通信的同步信號設(shè)計*

陳瑤瑤**，郝建華，張子博
(裝備學(xué)院研究生管理大隊,北京101416)

**通信作者:yachtchan@163. com Corresponding author:yachtchan@163. com

摘 要:在語音加密通信過程中,接收方需要通過信號同步來實現(xiàn)精確的解密并恢復(fù)出語音信號,而現(xiàn)有方法精確度低且運算量大。為了解決端到端語音加密、解密過程中的同步問題,設(shè)計了一種新的基于線性調(diào)頻信號的同步信號結(jié)構(gòu)。該同步信號是基于帶寬經(jīng)過篩選的線性調(diào)頻信號產(chǎn)生,避免了因為添加同步信號而使帶寬擴展的問題。同步信號結(jié)構(gòu)由兩種不同長度的線性調(diào)頻信號組合而成,不同的組合形式又會產(chǎn)生不同的同步效果。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計大大提高了同步的精確度和減少了同步運算量。理論和實驗證明:該方法可以實現(xiàn)對接收信號幀起始位置進行精確地定位；不會展寬和影響語音信號的頻譜；可以透過語音編解碼器傳輸；具有一定的抗噪聲性能；運算量比原始結(jié)構(gòu)的同步信號大大減少。

關(guān)鍵詞:保密通信；語音加解密；同步信號結(jié)構(gòu)；端到端；線性調(diào)頻信號

1 引 言

當(dāng)前,竊聽事件頻頻發(fā)生,通信安全面臨巨大挑戰(zhàn)。移動運營商針對通信安全問題采取了一些改良措施,但是無法從根本上彌補安全漏洞[1]。為此,越來越多的企業(yè)將注意力放在實現(xiàn)端到端通信加密的技術(shù)上,國外已經(jīng)有不少相關(guān)手機產(chǎn)品問世。端到端加密通信使語音歷經(jīng)模-數(shù)-模的轉(zhuǎn)化過程,進入手機的語音是已經(jīng)加密過的,加密過程與手機及其通信網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。即使語音在通信傳輸過程中被截獲,也需要正確的密鑰解密才能獲取原始語音信息。

語音信號在傳輸和處理過程中是以幀為單位進行的[2]。端到端語音加密通信主要面臨加密和同步兩個技術(shù)問題。對于同步問題的解決國內(nèi)外研究相對較少,這是一種模擬域的同步問題。文獻[3]提出了一種基于雙音多頻(Dual Tone Multi-Frequency,DTMF)的密鑰同步方法,利用兩種不同頻率的正弦信號來表示數(shù)字信號,可適用于這種模-數(shù)-模的加密體制。盡管這種方法可以滿足初始的同步,但是,一旦持續(xù)地使用這種方法來穩(wěn)定同步系統(tǒng),信道利用率將大大降低,而且僅僅依靠單頻正弦信號的相關(guān)性實現(xiàn)同步,精確度難以保證。文獻[4]也給出了類似的同步方法,但是該方法需要多次使用離散傅里葉變換,計算量較大,不滿足實用要求。除此之外,還有一些數(shù)字信號同步的方法[5],但是并不適用于這種模-數(shù)-模的通信方式。本文以新唐NCU120芯片為核心,搭建語音加解密的測試平臺,對構(gòu)造的同步信號進行調(diào)試。

2 端到端語音加密的概況

2. 1 端到端語音通信系統(tǒng)

端到端加密是指語音在進入手機終端之前,經(jīng)過一個加密裝置被加密;接收到的語音在通過手機終端后,經(jīng)過一個解密裝置被解密,中間通信過程語音完全以密話的形式在傳輸,保證了語音的安全性。過程如圖1所示。

圖1 端到端加、解密過程Fig. 1 End-to-end encryption and decryption process

然而,進出手機終端的加密語音是模擬信號,由于手機內(nèi)部聲碼器對于輸入信號有特殊的要求,沒有語音規(guī)律特性的信號將難以被正確編碼傳輸。所以,端到端的語音加解密需要解決加密算法和收發(fā)雙方同步的問題。這里選擇NUC120芯片、NAU8822芯片和FM1188芯片等,構(gòu)建端到端語音加密硬件測試平臺,并利用KeilμVision 4進行程序調(diào)試,如圖2所示。

圖2 硬件平臺系統(tǒng)框圖Fig. 2 System block diagram for hardware platform

2. 2 語音加密過程

加密后的語音信號在移動終端中要經(jīng)過特殊的壓縮編碼,一旦信號不具備語音信號的特征形式,則無法透過聲碼器,接收端同樣就難以正確恢復(fù)出語音[6]。所以,加密后的信號必須滿足類語音的特性,不能變成雜亂的噪聲化信號。一般解決方案有類語音的調(diào)制[7]、置亂算法[8]、波形映射[9]等,這里選擇基于快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)的頻域置亂方法作為端到端語音的加密算法。將時域信號變換到頻域,對其頻域系數(shù)進行特定的置亂操作。

設(shè)so[n]是一幀長度的時域語音信號采樣序列,對其作傅里葉變換得到頻譜So[k]:

將so[n]的頻譜So[k]進行頻域置亂得到St[k],即

式中:P是N×N階的置亂矩陣。置亂后的語音信號st[n]可由St[k]做傅里葉逆變換得到:

實現(xiàn)加密、解密過程的關(guān)鍵在于置亂矩陣P和同步信號的設(shè)計。

2. 3 語音同步過程

通信的雙方既是發(fā)送方,也是接收方。收發(fā)雙方必須要建立標(biāo)識位,確定完整一幀語音信號的起始位置,保證取得的一幀語音和另外一幀語音無交疊,才能正確恢復(fù)出原始語音。在收發(fā)兩端都需要添加同步模塊用于同步的產(chǎn)生和檢測。其中,同步檢測過程包括初始同步和保持同步兩部分,一旦檢測到初始同步后,系統(tǒng)會進入同步保持狀態(tài)。這時只對同步進行一定的修正,不會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 新型結(jié)構(gòu)同步信號設(shè)計

3. 1 同步方式選擇

同步問題涉及模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。在數(shù)字通信系統(tǒng)中,同步方法有載波同步、碼元同步、群同步和網(wǎng)同步等[10]。群同步的思想比較符合端到端的同步需求,接收端利用群同步信號劃分接收語音幀信號。這要求同步信號自相關(guān)特性曲線具有尖銳的單峰,以便容易從接收幀語音中識別出來。為了長時間的保持系統(tǒng)同步,需要周期性地插入同步幀。

3. 2 同步信號性能要求

結(jié)合實際語音在通信系統(tǒng)中的傳輸特點和硬件設(shè)備的參數(shù)要求,對于同步信號的設(shè)計有六點要求。

(1)識別度高。由于數(shù)據(jù)是未經(jīng)編碼的模擬信號,所以要產(chǎn)生比較明顯的相關(guān)峰,需要特殊設(shè)計。

(2)可透過聲碼器。同步信號要滿足聲碼器編解碼要求,否則透不過聲碼器進行傳輸,接收端無法進行同步。

(3)帶寬合適。在通信系統(tǒng)中,傳輸語音信號的標(biāo)準(zhǔn)話路頻帶寬度一般被限制在300～3 400 Hz 內(nèi),同步信號也要滿足這個要求,否則數(shù)據(jù)可能被濾限丟失。

(4)精確度。接收端接收到的信號中,可能只包含有同步幀的部分?jǐn)?shù)據(jù),在一定的參數(shù)要求下,這種殘缺的同步信息也應(yīng)被檢測到。

(5)同步算法運算量。由于硬件設(shè)備的參數(shù)限制,同步算法不能過度復(fù)雜,導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理出現(xiàn)錯亂和延時。

(6)一定的抗噪聲性能。同步信號應(yīng)可以在一定的噪聲干擾條件下仍被檢測到,具有合適的抗噪性能。

以上幾點要求在設(shè)計同步幀的過程中必須考慮。為此,筆者在經(jīng)過大量研究探討后,設(shè)計了一種滿足要求的同步信號形式。

3. 3 新同步信號設(shè)計過程

語音是時變和非平穩(wěn)的,但在一段時間內(nèi)(10～30 ms)人的聲帶及聲道形狀相對穩(wěn)定[11]。利用這一特性,選取32 ms作為語音處理的幀單元,A/ D和D/ A芯片采用8 000 Hz、16位采樣,也即每一幀256采樣點。為了有效處理采樣的數(shù)據(jù),提供4幀長度的緩沖池,對數(shù)據(jù)進行儲存緩沖。一同步幀信號長度同樣選取256采樣點。

3. 3. 1 同步信號的選擇

語音的有效信息一般是在300～3 400 Hz范圍內(nèi),語音的傳輸過程中會有相應(yīng)的帶通濾波器進行濾波。文獻[3]選用多個單頻的正弦信號作為同步信號,精確度不高,信息傳輸效率低,接收端難以對正弦信號進行精確地同步。由于線性調(diào)頻信號有很好的自相關(guān)峰值尖銳特性,線性調(diào)頻帶寬越寬,其自相關(guān)峰值越高。這里選擇300～3 400 Hz頻率范圍內(nèi)的線性調(diào)頻信號作為同步信號。

圖3中,同是256點信號,線性調(diào)頻信號的這種相關(guān)特性可以滿足精確同步的要求。正弦信號可以通過檢測過零率來實現(xiàn)同步的效果,但其很容易受到干擾,影響同步效果。而通過不斷地進行頻率檢測識別單頻正弦波的方法,運算量太大,不適用本系統(tǒng)。

圖3 兩種同步信號的比較Fig. 3 Comparison between two synchronous signals

3. 3. 2 同步幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

發(fā)送方每隔一定長度語音幀添加一個同步幀頭,供接收端同步檢測。然而,接收方往往不會恰巧檢測到一個完整的同步幀,同步信號可能會只留下一部分供檢測,情況如圖4所示。

圖4 同步幀在不同位置Fig. 4 Get synchronous frame in different locations

圖4中,4個大方框代表4幀緩沖池,陰影部分是數(shù)據(jù)幀,透明部分是同步幀。假設(shè)同步檢測僅在第一緩沖池內(nèi)進行,數(shù)據(jù)是以幀為單位右進左出。圖4(a)同步幀恰好完全在緩沖池內(nèi),可以精確地被檢測到;圖4(b)同步信號僅留下尾部的一些,無法被檢測;圖4(c)同步信號僅露出了一些,同樣無法被檢測到。后兩種情況只要同步幀不完整,就無法檢測同步,之后的數(shù)據(jù)也就無法確定起始位置。

為此,同步幀頭尾均設(shè)計了相同的32點短同步信號,只要頭尾留出32點的同步信息,就可以被檢測出來。為了確定檢測到的短同步是頭是尾,中間添加兩個96點相同大小的長同步信號。長和短同步信號均是線性調(diào)頻信號,可以被準(zhǔn)確檢測出來。幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 同步幀結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Structure diagram of synchronous frame

這里的32點和96點是在滿足本文硬件設(shè)備精確度要求的前提下選擇的,對于不同的精確度和運行環(huán)境要求可以按照此結(jié)構(gòu)調(diào)整實際點數(shù)。而且,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計可以解決上述遇到的兩種問題。

4 同步信號仿真結(jié)果

根據(jù)設(shè)計的同步幀結(jié)構(gòu)要求,以8 kHz為采樣頻率,32 ms為一幀長度,分別產(chǎn)生32點線性調(diào)頻信號和96點線性調(diào)頻信號,兩種線性調(diào)頻信號頻率范圍均在300～3 400 Hz內(nèi),并按結(jié)構(gòu)形成一幀同步信號,數(shù)據(jù)由MATLAB生成后導(dǎo)入Keil μVision 4進行調(diào)試。同步信號構(gòu)成如圖6所示。

圖6 同步幀波形圖Fig. 6 Waveform of synchronous frame

該同步信號具有獨特的自相關(guān)特性,當(dāng)本地利用32點短同步與之進行相關(guān)時,將產(chǎn)生兩個尖峰,分別代表著頭和尾兩個短同步的位置;當(dāng)本地利用96點短同步與之進行相關(guān)時,同樣將產(chǎn)生兩個尖峰,這是用來確定同步幀的頭和尾。

為了使同步信號在傳輸過程中不被濾波器濾除數(shù)據(jù),設(shè)計的各個線性調(diào)頻信號的帶寬均滿足300～3 400 Hz的要求,語譜圖顯示了其時頻分布情況,如圖7所示。

圖7 同步信號語譜圖Fig. 7 Spectrogram of synchronous signal

在實測過程中,當(dāng)同步幀被完整接收時,本地32點短同步信號與之相關(guān),將產(chǎn)生兩個峰值,這時可以精確判斷同步幀起始位置;當(dāng)接收端僅接收到部分同步信號時,本地32點短同步信號與之相關(guān),將產(chǎn)生一個峰值,此時,需要利用本地96點長同步信號與之相關(guān)。當(dāng)緊接著的數(shù)據(jù)與之相關(guān)沒有產(chǎn)生峰值時,則判定此短同步信號是同步幀的尾部,從而判斷同步幀和數(shù)據(jù)的起始位置。圖8是同步檢測結(jié)果。

圖8 同步檢測Fig. 8 Synchronous detection

從圖8中可以看到,無論是長同步信號還是短同步信號,和語音均不產(chǎn)生相關(guān)峰值,這也保證了同步的準(zhǔn)確性。添加同步幀信號前后時頻語譜圖比較如圖9所示。由圖9可知,添加同步信號并沒有引起頻譜的擴展,同步數(shù)據(jù)可以滿足濾波器的通帶要求。

圖9 語譜圖比較Fig. 9 Comparison of spectrogram

5 評 價

5. 1 運算量對比

同步檢測是通過長、短同步相結(jié)合的方式進行檢測的。這種結(jié)構(gòu)可以保證檢測過程只需在一幀緩沖內(nèi)進行,同樣可以準(zhǔn)確檢測到同步信號。對于4幀長度緩沖池,使用單類型的同步信號與采用新結(jié)構(gòu)的同步信號,兩種情況中的乘法次數(shù)比較結(jié)果如表1,可以看到新結(jié)構(gòu)的同步信號在計算量上減少了88%。

表1 乘法運算次數(shù)對比Tab. 1 Comparison of the number of multiplications

5. 2 抗噪聲性能比較

同步信號是由兩種線性調(diào)頻信號組成的,具有一定的抗噪聲性能。一般音頻電話線路信噪比大于30 dB,否則話音質(zhì)量很差。文獻[12]給出了在不同信噪比下全頻段白噪聲對語音清晰度的影響。對于信噪比R、語言清晰度C,有以下對應(yīng)關(guān)系(這里以男生語音為例):

C=-0. 000 5 R2+0. 033 5 R+0. 560 3。(4)

分別將由正弦信號和線性調(diào)頻信號組成的同步信號在不同信噪比條件下進行同步檢測,檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 同步檢測概率Fig. 10 Probability of synchronous detection

圖10中的檢測概率是兩種信號在不同信噪比條件下,對實際檢測到的同步幀位置與理論值進行比較統(tǒng)計出來的結(jié)果。由圖可見,在0 dB左右,語音的清晰度達到50%以上,正弦信號在此信噪比下只能達到50%左右的正確檢測概率,而新結(jié)構(gòu)的同步信號可以達到近100%的正確率。在正常通話過程中,這種同步檢測的可靠性是相當(dāng)高的。

5. 3 對頻譜帶寬的影響

一般語音信號信息包含在300～3 400 Hz帶寬內(nèi),傳輸過程中將會有相應(yīng)通帶寬度的濾波器進行濾波。同步信號在設(shè)計時考慮到這一點,對線性調(diào)頻的起止頻率和帶寬進行了特殊考慮,滿足寬帶要求。在實驗板上進行實測時,可以完整地通過Codec芯片中的濾波器。測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 同步信號實測圖Fig. 11 The measured synchronous signal

6 結(jié)束語

本文針對端到端語音的傳輸特性,設(shè)計了一種新的可用于端到端模擬信號同步的同步信號結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)將長同步和短同步結(jié)合在一起,共同作為判定同步位置的條件,大大減少傳統(tǒng)方法的乘法運算量,提高了同步信號的正確檢測概率和精確度。該結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和思想可以靈活應(yīng)用于其他各類同步信號的設(shè)計中去,同時能根據(jù)不同的參數(shù)要求和運行環(huán)境進行調(diào)整。理論分析和仿真結(jié)果表明:該同步信號不僅滿足了同步所需的精確度要求,而且具有一定的抗噪性能,添加在語音信號中,并沒有引起頻譜的展寬。本文設(shè)計解決了端到端語音傳輸?shù)年P(guān)鍵問題,并在通信實踐中取得了良好的同步效果。

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陳瑤瑤(1992—),男,安徽宿州人,2013年于南京理工大學(xué)獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)為碩士研究生,主要研究方向為信息與通信工程;

CHEN Yaoyao was born in Suzhou,Anhui Province,in 1992. He received the B. S. degree from Nanjing University of Science and Technology in 2013. He is now a graduate student. His research concerns information and communication engineering.

Email:yachtchan@163. com

郝建華(1973—),男,陜西延安人,副教授,主要研究方向為信息與通信工程;

HAO Jianhua was born in Yan' an, Shaanxi Province, in 1973. He is now an associate professor. His research concerns information and communication engineering.

張子博(1988—),男,河北邢臺人,碩士研究生,主要研究方向為信息與通信工程。

ZHANG Zibo was born in Xingtai,Hebei Province,in 1988. He is now a graduate student. His research concerns information and communication engineering.

Design of Synchronous Signal for End-to-End Speech Encryption Communication

CHEN Yaoyao,HAO Jianhua,ZHANG Zibo
(Department of Graduate Management,The Academy of Equipment,Beijing 101416,China)

Abstract:In the process of the encrypted speech communication,the receiver needs to synchronize the signal to decrypt the speech precisely and restore the original speech signal. However,the existing methods have low accuracy and cost a large computation. In order to solve the synchronization problem in the process of the end-to-end speech encryption and decryption,this paper designs a new synchronous signal structure based on the linear frequency modulation(LFM) signal. The synchronous signal is the chirp signal whose bandwidth has been filtered already and this method can avoid expanding the speech bandwidth caused by adding the synchronous signal. Synchronous signal structure is composed of two different lengths LFM signal and different combinations will produce different synchronization effect. This design greatly improves the accuracy of synchronization and reduces the amount of synchronous operation. Theoretical analysis and experimental verification show that the method can accurately locate the beginning of the received signal,and the speech signal spectrum will not be broadened and affected. This synchronous signal can be transmitted through the voice codec and has anti-noise performance. Compared with the original structure of the synchronous signal, the computation cost of the scheme is greatly reduced.

Key words:secure communication;speech encryption and decryption;synchronous signal structure;end-to -end;linear frequency modulation signal

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 016引用格式:王薇,王靜,陳小坡,等.基于干擾矩陣的高密WLAN場景下集中式功率控制[J].電訊技術(shù),2016,56(2):201-207. [WANG Wei, WANG Jing,CHEN Xiaopo,et al. Centralized transmit power control based on interference matrix in high-density WLAN environment[J]. Telecommunication Engineering,2016,56(2):201-207. ]

作者簡介:

中圖分類號:TN918. 91

文獻標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-893X(2016)02-0195-06

*收稿日期:2015-05-18;修回日期:2015-08-18 Received date:2015-05-18;Revised date:2015-08-18