GSM手機端到端安全加密通信系統

　　2 系統方案設計

　　基于上述的分析與設計原則，本作品的系統框圖如圖2.1所示，左側的麥克風與耳機，通過A/D、D/A輸入/輸出正常的語音信號。在A/D、D/A后加入一個加解密模塊，完成語音加解密。同步模塊在加解密模塊之后，能實現同步信號的產生與檢測?；芈曇种颇K起到消回聲作用。右側的麥克風與耳機，完成與加密語音發送，以及密文語音接收功能。系統需要兩端手機均安裝同樣的系統模塊。系統加載在GSM手機的麥克風、耳機前端，功能為：

　　1)本系統麥克風采集原始語音，通過本系統加密后將密文語音傳輸原始手機麥克風;

　　2)原始手機耳機獲得密文語音，通過本系統解密后將明文語音本系統耳機。

圖2.1 作品系統框圖

　　工作流程為：

　　* 加密過程：輸入語音信號由麥克風輸入AD變換模塊，再經語音加密模塊處理，接著插入同步信息，DA變換后通過手機麥克風插口輸入手機，經手機中的聲碼器壓縮后射頻輸出。

　　* 解密過程：加密語音信號由手機中聲碼器解壓后，通過手機耳機插口輸出到AD模塊，做回聲抑制后進行同步檢測，接著送到解密模塊解密處理，最終DA變換后輸出對方原始的語音信號。

　　為了快速語音加解密，需要設計適用于硬件架構的、安全快速的加解密算法，本作品設計了抗RPE-LTP壓縮編碼的語音加解密算法。

　　3 抗RPE-LTP壓縮編碼的語音加解密算法研究

　　3.1 算法總體框架

　　本算法針對RPE-LTP壓縮編解碼的特性，對人類自然語音信號進行變換處理，使之成為不可懂的聲音信號，實現加密;同時保證加密語音信號在通過RPE-LTP編碼器后能被對方的解碼器恢復，且經過解密可成為可懂原始語音信號，從而完成全部加解密過程。

　　算法的主要思路為：

　　1、 首先把原始語音分解成符合RPE-LTP編解碼要求的單位幀;

　　2、 接著根據分組密碼的原理，通過選擇合適的加密矩陣對分解后的單位幀依次在頻域和時域上進行置亂;

　　3、 最終合成的不可懂語音信號通過RPE-LTP編碼后送入GSM傳輸信道，在接收端進行逆向解密即可。

圖2.2 GSM系統語音信號加密原理圖

　　如圖2.2所示，整個語音加密過程在虛線框部分，由語音分解、頻域置亂、語音幀置亂和類語音合成四部分組成。反之，語音解密過程由類語音分解、幀置亂解密、頻域置亂解密和語音合成四部分組成。其中各模塊的功能與加密過程相對應。

　　其中語音分解算法的要求是找到一種合適的分解方法，便于進行后續的加密置亂運算，并且易于合成符合RPE-LTP壓縮編碼要求的模擬語音。另外，類語音合成算法將加密置亂后的信號合成符合RPE-LTP壓縮編碼要求的類似語音信號。

　　下面重點介紹本設計中頻域置亂、語音幀置亂與算法參數選擇的設計。

3.2 頻域置亂

　　在時域加密置亂之前加上一步頻域置亂，可以提高整個加密算法的強度。本設計具體的做法是：首先對一定長度語音數據作N點FFT(N可以取2的冪次以提高運算速度)，得到一個頻譜序列，取在語音頻率范圍(300~3400Hz)內的M點，組成M行×1列的矩陣x，然后對這個序列進行置亂，這相當于乘上一個M行×M列的置亂矩陣P，那么置亂后的序列為Px，最后對此序列求IFFT，即從頻域返回到時域。

　　令M為明文信息，k1、r為算法密鑰，由k1、r產生的加密矩陣為Pk1、r，Qk1、r為解密矩陣(即Pk1、r-1)，C為密文，則有：

　置亂矩陣P的選取有以下幾點限制：1)保證置亂后的序列再求IFFT得到的是實序列;2)保證只對300~3400 Hz范圍內的點進行置亂;3)保證最后得到的語音的剩余可懂度很小。

　　滿足上述限制條件的矩陣有很多，其中有一種比較簡單的形式是這樣的[4]：

　M=N*(3400-300) / fs =3100N / fs(fs是采樣頻率)，表示頻率在300~3400Hz內的點數，稱為有效FFT點數。k1和r都是密鑰，k1可以取與M互質并且小于M的自然數，r可以取小于M的自然數。

　　這樣頻域置亂的加密強度(本文中指密鑰空間)就是M*f(M)(f(M)表示滿足條件的k1的個數)。由此可見，采樣頻率一定，N的大小會影響該算法的加密強度，所以N的選取應該同時考慮運算速度和加密強度兩方面的因素。

　　3.3 語音幀置亂

　　令M為明文信息，k2為算法密鑰，由k2產生的加密矩陣為Pk2’， Qk2’為解密矩陣(即Pk2’-1)，C為密文，則有：