基于Nios II的語(yǔ)音加密傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　摘  要： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Nios II的語(yǔ)音加密傳輸系統(tǒng)。介紹了進(jìn)行語(yǔ)音信號(hào)處理的功能模塊，包括語(yǔ)音采集回放模塊、基于G.729A的語(yǔ)音壓縮與解壓縮模塊和基于AES的數(shù)據(jù)加解密模塊。在控制模塊的協(xié)調(diào)下，使得語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過MODEM能夠在公共電話網(wǎng)中安全地傳輸，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的保密通信。

由于缺乏保密措施，使得電話竊聽事件不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅著個(gè)人隱私、軍事商業(yè)秘密甚至地區(qū)或國(guó)家的信息安全。因此，以語(yǔ)音壓縮和數(shù)據(jù)加密為基礎(chǔ)的語(yǔ)音加密傳輸技術(shù)受到人們關(guān)注。G.729A是G.729(共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵(lì)線性預(yù)測(cè)編碼方案CS-ACELP)的簡(jiǎn)化方案，降低了計(jì)算的復(fù)雜度以便于實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)在眾多的分組密碼中經(jīng)過三輪篩選，選中Rijndael算法作為高級(jí)數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)。

本文基于G.729A和AES，結(jié)合Nios II設(shè)計(jì)了一種語(yǔ)音加密傳輸系統(tǒng)，對(duì)通信內(nèi)容進(jìn)行加密，有效防止了因通話內(nèi)容被竊聽而引起的泄密。

1 總體結(jié)構(gòu)

語(yǔ)音加密傳輸系統(tǒng)主要包括語(yǔ)音處理模塊、語(yǔ)音傳輸模塊、控制模塊及相應(yīng)語(yǔ)音輸入輸出設(shè)備。其中語(yǔ)音模塊由語(yǔ)音采集回放模塊、語(yǔ)音編解碼模塊、加解密模塊三部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)各部分功能如下。

語(yǔ)音加密傳輸總體設(shè)計(jì)示意圖

圖1 語(yǔ)音加密傳輸總體設(shè)計(jì)示意圖

(1)語(yǔ)音采集回放模塊：此模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的采集及回放，一方面，此模塊接收由麥克傳來的模擬語(yǔ)音，通過A/D轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字語(yǔ)音；另一方面，此模塊接收來自語(yǔ)音編解碼器傳來的解壓過的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字語(yǔ)音還原成模擬語(yǔ)音，經(jīng)揚(yáng)聲設(shè)備輸出。

(2)語(yǔ)音編解碼模塊：對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行編解碼，就是通過對(duì)語(yǔ)音的壓縮與還原，能在較低速率下傳送優(yōu)質(zhì)的語(yǔ)音。語(yǔ)音編解碼器包括編碼器與譯碼器。編碼器對(duì)采集回放模塊傳來的原始數(shù)字語(yǔ)音信息進(jìn)行處理，對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行分析，提取語(yǔ)音參數(shù)，將壓縮后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)加密模塊。譯碼器的作用是接收來自數(shù)據(jù)加解密模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的解壓，把這些數(shù)據(jù)恢復(fù)成原始的數(shù)字語(yǔ)音信息，再傳送至語(yǔ)音采集回放模塊。

(3)加解密模塊：語(yǔ)音加解密模塊是保證語(yǔ)音通信安全的核心。加解密模塊接收來自數(shù)字語(yǔ)音解壓縮器的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行加密，然后發(fā)送至通信傳輸模塊，將數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器傳送至公共電話網(wǎng)；同時(shí)，加解密模塊要接收來自通信模塊的數(shù)據(jù)，將其解密后傳送至數(shù)字語(yǔ)音解壓縮器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解壓。

(4)通信傳輸模塊：在控制模塊的控制下，當(dāng)系統(tǒng)一方的控制模塊檢測(cè)到撥號(hào)信息或者接收到另一方請(qǐng)求時(shí)，與對(duì)方完成互聯(lián)；在雙方建立連接的基礎(chǔ)上，通信傳輸模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)行加密語(yǔ)音數(shù)據(jù)的傳輸。

(5)Nios II系統(tǒng)控制模塊：當(dāng)通信一方發(fā)起或者接收到通信請(qǐng)求時(shí)，Nios II系統(tǒng)控制模塊控制整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，使通信雙方能夠安全地通信。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件功能模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以Nios II微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音采集回放、數(shù)字語(yǔ)音編解碼和加解密等功能，通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音的加密傳輸。經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)的研究與分析，結(jié)合DE1開發(fā)板，將整個(gè)系統(tǒng)硬件劃分為語(yǔ)音處理模塊和語(yǔ)音傳輸模塊，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2  系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1.1 語(yǔ)音采集回放模塊

本模塊是語(yǔ)音加密通信的起點(diǎn)和終點(diǎn)，利用開發(fā)板上提供的24 bit CD-Quality Audio CODEC芯片完成系統(tǒng)的語(yǔ)音信號(hào)Ａ/D、D/A轉(zhuǎn)換。CODEC芯片中封裝了WM8731編解碼器，其采樣率為8 kHz～96 kHz可變。它是一款低電壓并集成有耳機(jī)驅(qū)動(dòng)的編解碼器，提供立體音和單一麥克風(fēng)音頻輸入，并具有降低輸入噪聲、可編程音量控制以及適合于電氣型麥克風(fēng)的輸出電壓可增益的特點(diǎn)。WM8731內(nèi)部有11個(gè)寄存器，該芯片的初始化和內(nèi)部功能設(shè)置是通過I2C控制模塊對(duì)其內(nèi)部的這11個(gè)寄存器進(jìn)行相應(yīng)的配置實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中WM8731工作于從模式，采樣頻率設(shè)為48 kHz，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度為16 bit，WM8731的寄存器參數(shù)(十六進(jìn)制)設(shè)置如表1。

表1 寄存器配置參數(shù)

寄存器配置參數(shù)

根據(jù)芯片寄存器的特點(diǎn)和功能，要進(jìn)行I2C控制模塊的設(shè)計(jì)，并以IP核的形式通過SoPC Builder連接到系統(tǒng)的Avalon總線上。I2C控制模塊通過該模塊中I2C_SDAT數(shù)據(jù)端口，向目標(biāo)寄存器寫入相應(yīng)的控制信息，達(dá)到對(duì)WM8731工作狀態(tài)的配置。

2.1.2 G.729A語(yǔ)音編解碼模塊

基于CELP編碼模型的G.729A處理語(yǔ)音幀，以每秒8 000樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，每10 ms對(duì)應(yīng)80個(gè)樣點(diǎn)為1幀，語(yǔ)音質(zhì)量與32 kb/s的ADPCM相當(dāng)。

(1)編碼器

G.729A編碼器的工作原理如圖3所示。在預(yù)處理塊中，輸入的語(yǔ)音信號(hào)首先進(jìn)行高通濾波并按比例放縮，對(duì)預(yù)處理后的語(yǔ)音每10 ms計(jì)算一次LP濾波器系數(shù)，把LP系數(shù)轉(zhuǎn)換成為線頻譜對(duì)系數(shù)LSP，并將LSP系數(shù)利用預(yù)測(cè)式兩級(jí)矢量量化(VQ)量化為18 bit。激勵(lì)信號(hào)用分析合成(ABS)搜索算法進(jìn)行選擇，在該算法中，依據(jù)感覺加權(quán)失真測(cè)度使原始與重建語(yǔ)音信號(hào)間的誤差最小。

G.729A編碼結(jié)構(gòu)

圖3  G.729A編碼結(jié)構(gòu)

具體上是重構(gòu)語(yǔ)音與預(yù)處理后語(yǔ)音的誤差，通過自適應(yīng)感覺加權(quán)濾波器，搜索最小的濾波后誤差，感覺加權(quán)濾波器的自適應(yīng)系數(shù)由未量化的LP系數(shù)控制。G.729A的激勵(lì)參數(shù)（自適應(yīng)和固定碼書）每5 ms(40個(gè)樣點(diǎn))子幀確定一次。首先一個(gè)開環(huán)基音延遲每10 ms幀基于感覺加權(quán)語(yǔ)音信號(hào)估算一次，使LP殘差信號(hào)通過加權(quán)合成濾波器獲得目標(biāo)信號(hào)。濾波器的初始狀態(tài)是通過對(duì)LP殘差信與激勵(lì)之間的誤差進(jìn)行濾波來更新的。在得到加權(quán)合成濾波器的沖擊響應(yīng)后，就可以利用沖擊響應(yīng)和目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)基音分析(尋找自適應(yīng)碼書的時(shí)延和增益)。在考慮自適應(yīng)碼書的影響后更新目標(biāo)信號(hào)，用于搜索固定碼書。自適應(yīng)碼書和固定碼書搜索完成后用7 bit進(jìn)行矢量量化。最后濾波器的記憶值由已確定的激勵(lì)信號(hào)來更新。

(2)解碼器

G.729A解碼器原理如圖4所示。首先，從接收到的比特流中提取參數(shù)標(biāo)號(hào)，這些標(biāo)號(hào)被譯碼以獲得對(duì)應(yīng)一個(gè)10 ms語(yǔ)音幀的編碼參數(shù)。這些參數(shù)是LSP，2個(gè)分?jǐn)?shù)基音延遲，2個(gè)固定碼書矢量，2組自適應(yīng)碼書和固定碼書增益。LSP系數(shù)在每一子幀中進(jìn)行插值并轉(zhuǎn)化為 LP濾波器系數(shù)。然后，對(duì)每5 ms子幀進(jìn)行如下操作： 將自適應(yīng)碼書和固定碼書乘以各自增益后相加，獲得激勵(lì)；用LP合成濾波器對(duì)激勵(lì)濾波，獲得合成語(yǔ)音；合成語(yǔ)音通過一個(gè)包括長(zhǎng)時(shí)和短時(shí)合成濾波器的自適應(yīng)后濾波器進(jìn)行增強(qiáng)，然后經(jīng)高通濾波和定標(biāo)去除得到最終的重建語(yǔ)音。

G.729A解碼器結(jié)構(gòu)

圖4  G.729A解碼器結(jié)構(gòu)

2.1.3 AES加解密模塊

G.729A的語(yǔ)音編碼幀為80 bit/10 ms，根據(jù)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行分幀編碼和傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，在利用該聲碼器構(gòu)造語(yǔ)音保密通信時(shí)選用分組密碼。本文采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES完成數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的加解密，為了提高AES加解密速度，將AES加解密過程設(shè)計(jì)成Nios II的一條自定義指令。

(1)AES算法及硬件實(shí)現(xiàn)

AES加密模塊工作原理如下：在運(yùn)算控制模塊(Control) 控制下，待加密明文與初始圈密鑰進(jìn)行異或(AddRoundKey)，接著進(jìn)行Nr次圈迭代變換，除最后一圈(第Nr圈)省略列混合變換處，每圈包含字節(jié)代替變換(ByteSub)、行移位變換(ShiftRow)、列混合變換(MixColumn)和圈密鑰加法(AddRoundKey)四步變換。

解密工作過程與加密相類似，待脫密的密文與初始圈密鑰進(jìn)行異或(AddRoundKey)，然后進(jìn)行Nr圈迭代運(yùn)算，除最后一圈(第Nr圈)省略逆列混合變換外，每圈包含逆字節(jié)代替變換(InvByteSub)、逆行移位變換(InvShiftRow)、逆列混合變換 (InvMixColumn)、圈密鑰加(AddRoundKey)四步變換。

G.729A的語(yǔ)音編碼幀為80 bit/10 ms，每秒所需加密的數(shù)據(jù)約為8 Kbit，因此，在滿足語(yǔ)音加密的情況下，本文采用循環(huán)方式實(shí)現(xiàn)AES，節(jié)省硬件資源。其硬件加解密結(jié)構(gòu)及其相關(guān)控制信號(hào)如圖5所示。

AES硬件加解密結(jié)構(gòu)

圖5 AES硬件加解密結(jié)構(gòu)

(2)自定義指令邏輯

Nios II自定制AES加密指令的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。從圖6可以看到用戶自定義邏輯功能(AES)連接到了ALU的2個(gè)輸入端以及ALU的輸出端，當(dāng)使用 Nios II的自定義指令時(shí)，Nios II內(nèi)部的ALU操作將被放棄，以用戶自定義邏輯的輸出結(jié)果作為有效結(jié)果。

Nios自定義邏輯指令

圖6 Nios自定義邏輯指令

AES加解密模塊設(shè)計(jì)得到的自定義邏輯在多個(gè)時(shí)鐘周期完成，采用多周期自定義指令結(jié)構(gòu)。涉及的信號(hào)線在dataa、datab、result 的基礎(chǔ)上增加了clk、clk_en、reset、start 4個(gè)信號(hào)。其指令結(jié)構(gòu)如圖7所示。

AES自定義指令結(jié)構(gòu)

圖7  AES自定義指令結(jié)構(gòu)

2.1.4 通信傳輸模塊

通信傳輸模塊利用MODEM在公共電話網(wǎng)PSTN上實(shí)現(xiàn)通信。PSTN網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，用戶通過MODEM就可以方便地完成對(duì)接，實(shí)現(xiàn)通信，這在現(xiàn)有條件下非常實(shí)用。

MODEM通過RS232接口與DE1相連，通過RJ45與PSTN網(wǎng)絡(luò)相連，解析來自Nios II控制系統(tǒng)的命令，來實(shí)現(xiàn)通信雙方的互連通信。

(1)工作原理

通信發(fā)起方使用鍵盤撥對(duì)方號(hào)碼，Nios II控制系統(tǒng)采集到撥號(hào)信息，組裝成為MODEM撥號(hào)的AT命令，MODEM根據(jù)命令撥號(hào)；對(duì)方的MODEM接收到撥號(hào)信息，發(fā)出來電提醒，開啟語(yǔ)音處理功能，雙方便可通信。MODEM對(duì)經(jīng)過加密的語(yǔ)音分組信息進(jìn)行封裝，使其適合在PSTN網(wǎng)絡(luò)上傳輸。接收方MODEM接收到數(shù)據(jù)包，對(duì)其解封裝，等待解密處理。在本系統(tǒng)中，MODEM工作于半雙工方式。

(2)MODEM與Nios II控制模塊的連接

系統(tǒng)要正常工作，需要MODEM與Nios II控制系統(tǒng)間進(jìn)行交互，用到的信號(hào)如圖8所示，各信號(hào)的功能如下：

通信傳輸模塊

圖8 通信傳輸模塊

DSR：表示MODEM電源已接上，已處于可用的狀態(tài)。

RTS：請(qǐng)求發(fā)送信號(hào)，串行通信接口用RTS來向MODEM表示發(fā)送數(shù)據(jù)的請(qǐng)求，該信號(hào)應(yīng)控制MODEM進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)或打開MODEM的發(fā)送器。

CTS：清除發(fā)送信號(hào)，又稱為允許發(fā)送，是MODEM對(duì)RTS的響應(yīng)信號(hào)，表示MODEM已作好發(fā)送的準(zhǔn)備，收到CTS后即可輸出發(fā)送的數(shù)據(jù)。

DCD：數(shù)據(jù)載波檢測(cè)信號(hào)，向終端設(shè)備表示MODEM已收到通信鏈路上的數(shù)據(jù)載波信號(hào)，通知另一方準(zhǔn)備接收。

TXD：發(fā)送數(shù)據(jù)信號(hào)，把終端欲發(fā)送的數(shù)據(jù)串行送往MODEM。

RXD：接收數(shù)據(jù)信號(hào)，接收從MODEM串行發(fā)來的數(shù)據(jù)。

SG：信號(hào)地，連接設(shè)備和通信設(shè)備的信號(hào)地。

由于使用了公共電話網(wǎng)（PSTN），因此在上述7個(gè)信號(hào)的基礎(chǔ)上增加了DTR和RI兩個(gè)信號(hào)。振鈴指示RI通知系統(tǒng)，MODEM已收到交換臺(tái)送來的振鈴呼叫信號(hào)；然后系統(tǒng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好DTR信號(hào)送給MODEM作為對(duì)RI的響應(yīng)。當(dāng)RI和DTR信號(hào)握手聯(lián)絡(luò)上以后，MODEM才可以“接線”以建立通信鏈路；當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，應(yīng)復(fù)位這些信號(hào)以指示“拆線”，讓出通信鏈路。

2.2 Nios II控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊利用Nios II IDE集成開發(fā)環(huán)境進(jìn)行開發(fā)，控制從撥號(hào)(接聽)、語(yǔ)音采集、編解碼、加解密、傳輸、掛機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)工作。

2.2.1 建立通信

撥號(hào)用的鍵盤連接在DE1開發(fā)板的PS2口上，采用中斷方式與處理器進(jìn)行交互。當(dāng)控制模塊接收到鍵盤中斷后，讀取用戶按鍵信息。根據(jù)撥號(hào)信息，控制模塊通過RS232向MODEM發(fā)出相應(yīng)含有撥號(hào)信息的AT命令，MODEM撥相應(yīng)的號(hào)碼；接聽方MODEM發(fā)出振鈴指示后，根據(jù)命令為通話雙方建立連接。

2.2.2 語(yǔ)音處理控制

Nios II控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音處理的控制，其主要功能是讀取一個(gè)語(yǔ)音處理模塊的結(jié)果，并將其按將要進(jìn)行的處理寫入下一個(gè)功能模塊?？刂颇K操縱I2C控制語(yǔ)音采集回放模塊采集語(yǔ)音并數(shù)字化，然后將數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)送到編解碼模塊進(jìn)行編解碼，進(jìn)而調(diào)用Nios II自定義的AES指令，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后通過MODEM發(fā)送數(shù)據(jù)。在接收方， MODEM讀取對(duì)方發(fā)送過來的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，控制模塊調(diào)用Nios II自定義AES指令對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，再將解密后的數(shù)據(jù)寫入語(yǔ)音編解碼模塊進(jìn)行解碼，最后調(diào)用語(yǔ)音采集回放模塊還原語(yǔ)音。

2.2.3 通信結(jié)束控制

在通話過程中，如果檢測(cè)到通信中斷或者通信一方結(jié)束通信的信息，則向各功能模塊發(fā)出復(fù)位信號(hào)，同時(shí)控制MODEM復(fù)位于待機(jī)狀態(tài)，通信結(jié)束。

本設(shè)計(jì)適用于對(duì)語(yǔ)音保密通信有需求的政府機(jī)關(guān)、軍隊(duì)等，也適合需要保密的商業(yè)通信。采用本系統(tǒng)用戶可以像使用普通電話機(jī)一樣，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音保密通信。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)使用方便，通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行連接，可以在現(xiàn)有的PSTN電話網(wǎng)上使用。如果將調(diào)制解調(diào)器改進(jìn)為CDMA DTU等無線調(diào)制方式，則用戶還可以進(jìn)行無線保密通信。