基于DSP的安全無線多媒體數(shù)字終端的設(shè)計(jì)

　1 系統(tǒng)概述

　　本設(shè)計(jì)利用DSP開發(fā)板的強(qiáng)大運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了多種需要進(jìn)行大量運(yùn)算的信息安全算法。實(shí)現(xiàn)了開機(jī)用戶認(rèn)證、語音保密通信[1][2]、文字信息加密傳輸、信息隱藏傳輸[3]、跳頻通信[4]、信息安全存儲(chǔ)備份、定時(shí)鎖機(jī)和終端銷毀，七項(xiàng)安全功能。整個(gè)設(shè)計(jì)基于ICETEK-VC5509-A開發(fā)板，系統(tǒng)的硬件部分還外加了無線射頻模塊nRF24L01[5]、8×8鍵盤和128×64藍(lán)屏液晶。芯片ZLG7289B[6]用于鍵盤掃描管理，液晶的驅(qū)動(dòng)采用MEGA16[7]單片機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的保密語音通信，還具有良好的人機(jī)交互功能。

　　系統(tǒng)利用上電到輸入密碼時(shí)間的不確定性，隨機(jī)生成用戶私鑰，通過Diffie-Hellman[8]密鑰交換體制(ECC實(shí)現(xiàn))生成會(huì)話密鑰。為了提高保密通信的安全性和靈活性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可供選擇4種加密算法AES[9]、RC5[10]、IDEA[11]、KASUMI[12]和可配置參數(shù)的LSB[13]信息隱藏算法。我們自主開發(fā)實(shí)現(xiàn)了USB驅(qū)動(dòng)[14]，使得開發(fā)板能夠和PC機(jī)直接通信，這也為信息存儲(chǔ)備份提供了便捷。除此之外，系統(tǒng)能夠設(shè)定自動(dòng)鎖機(jī)的時(shí)間。

　　整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸模型如圖1-1所示。

圖1-1 系統(tǒng)傳輸模型

　　2 方案設(shè)計(jì)與比較

　　2.1 系統(tǒng)安全方案

　　方案一：預(yù)置密鑰，定期更換密鑰，用對稱密碼體制進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。PC機(jī)通過USB向終端預(yù)置密鑰，通信時(shí)采用預(yù)置的密鑰進(jìn)行對稱加密。統(tǒng)的安全性在一定程度上依賴于密鑰的更新周期，而在實(shí)際應(yīng)用中，縮短密鑰的更新周期比較麻煩。

　　方案二：密鑰交換基于公鑰密碼體制，數(shù)據(jù)加密基于對稱密碼體制。PC機(jī)通過USB向終端寫入公鑰算法的參數(shù)。開機(jī)后，A、B隨機(jī)生成自己的私鑰,計(jì)算得到自己的公鑰，并向?qū)Ψ焦_自己的公鑰。A使用自己的私鑰和B的公鑰生成會(huì)話密鑰，B通過自己的私鑰和A 的公鑰生成會(huì)話密鑰，且會(huì)話密鑰相同。通信結(jié)束后清除該次生成的私鑰、公鑰和會(huì)話密鑰，下次開機(jī)則重復(fù)上述會(huì)話密鑰的生成過程。

　　方案二的實(shí)現(xiàn)較方案一更為復(fù)雜。但考慮到方案二的安全性更高，且方案二在保證會(huì)話密鑰安全性的前提下，有效的縮短了會(huì)話密鑰的生存期，提高通信的安全性。另外，還可以通過PC機(jī)定期更新公鑰參數(shù)。再加上方案二更適合于無線移動(dòng)通信，符合我們的設(shè)計(jì)背景，因此我們采用方案二。

　　2.2 語音編碼方案

　　方案一：采用G.721編碼[15][16]。它結(jié)合了ADM的差分信號(hào)與PCM的二進(jìn)制碼方法，是一種性能較好的波形編碼。ADPCM的復(fù)雜度較低，編碼前后的壓縮比為4比1，其主要思想是用差值代替絕對值。

　　方案二：采用基于碼激勵(lì)線性預(yù)測算法的開源語音編解碼Speex[17][18]。Speex主要面向Internet上的VoIP(Voice over Internet Protocol)語音通信。其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是為了提供高質(zhì)量和低比特率的語音編碼。Speex可以在同一個(gè)比特流中對語音信號(hào)實(shí)現(xiàn)窄帶(8kHz)、寬帶(16kHz)和超寬帶(32kHz)的壓縮;壓縮比能夠達(dá)到16比1。Speex雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是Speex編解碼算法復(fù)雜，運(yùn)行該算法需要的硬件配置較高。

　　我們所用的射頻模塊的傳輸碼速率為2Mbps，且信道完全能夠保證通信質(zhì)量，從理論上說，上述2種方案都適用。我們在DSP開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)了speex和G.721的編解碼，實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)speex編解碼會(huì)帶來很大的延遲，原因在于speex編解碼算法比較復(fù)雜。雖然我們已經(jīng)最大程度的精簡了speex算法，比如：將算法的復(fù)雜度置為最低、設(shè)置編解碼質(zhì)量參數(shù)為最低、關(guān)閉了VBR變波特率特性、關(guān)閉了知覺增強(qiáng)特性和AEC回聲消除等特性，都不能解決延遲很大的問題。除此之外，speex編解碼需要大量的浮點(diǎn)計(jì)算，我們使用的開發(fā)板為TIC55XX系列的定點(diǎn)DSP，實(shí)現(xiàn)speex編解碼耗時(shí)較多;再者，speex編/解碼所能處理的最小幀長為160個(gè)樣點(diǎn)，因此，會(huì)帶給系統(tǒng)很大的延遲。G.721編解碼能夠?qū)崿F(xiàn)基本的語音通信，但通信質(zhì)量一般，再考慮到本系統(tǒng)以語音信號(hào)作為信息隱藏的載體，經(jīng)語音編解碼之后不能還原隱藏信息，因此我們最終選用PCM編碼。

　　3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

　　3.1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　終端的硬件架構(gòu)圖如圖4-1所示，主要由ICETEK—VC5509—A評估板、nRF24L01射頻模塊、128×64液晶、8×8鍵盤、MEGA16單片機(jī)控制模塊組成。

圖4-1 硬件架構(gòu)圖

　　3.1.2 射頻收發(fā)模塊

　　射頻模塊采用nRF24L01，其電路圖如圖4-2所示。

　圖4-2 射頻模塊電路圖

　　3.1.3 鍵盤掃描電路

　　我們使用鍵盤掃描管理芯片ZLG7289B[18]來進(jìn)行鍵盤的管理。ZLG7289B可同時(shí)掃描多達(dá)64只按鍵。其電路圖如圖4-3所示。

　圖4-3 鍵盤掃描電路圖

　　3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言，所有的程序在CCStudio v3.3環(huán)境下開發(fā)的。軟件由主程序和一些子程序構(gòu)成，子程序主要包括USB驅(qū)動(dòng)程序、鍵盤掃描程序、液晶驅(qū)動(dòng)程序和射頻通信程序。主程序流程圖如圖4-4所示。

　圖4-4 主程序流程圖

　　4 特色與創(chuàng)新

　?、?0位私鑰的ECC算法實(shí)現(xiàn)Diffie-Hellman密鑰交換

　?、谝绘I即通的語音保密通信

　?、?種加密算法任意選擇的保密通信

　　④實(shí)現(xiàn)鍵盤編輯短信并加密傳輸

　　⑤可配置參數(shù)的信息隱藏傳輸

　?、奘瞻l(fā)機(jī)動(dòng)態(tài)協(xié)商進(jìn)行跳頻通信

　?、邔?shí)現(xiàn)了USB的驅(qū)動(dòng)，PC機(jī)和開發(fā)板直接通信

　?、嗨{(lán)色液晶屏幕顯示，人機(jī)界面友好

　?、嵘漕l收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)了2.4G的無線通信