GSM手機端到端安全加密通信系統

令分組長度為T，那么時域語音幀置亂的加密強度(密鑰空間)為T!。由于我們采用的是兩級加密技術，結合前面頻域置亂，整個加密算法的加密強度(密鑰空間)為M*f(M)*T!。

　　3.4 算法參數選擇

　　通過大量實驗研究，發現對測試結果有較大影響的因素有兩個：語音分解幀尺寸和分組長度。我們主要選擇語音分解幀長為5ms、10ms、20ms、分組長度為15幀、20幀、25幀共九種情況進行了研究分析。

　　通過測試和比較，發現以20ms作為語音分解幀長，加密語音可以基本解密恢復，而且所恢復的語音可以很好地滿足人耳的可懂度要求。同時根據聲碼器的編解碼原理，20ms作為單位幀長能保持信號的語音特性。因此本方案將選擇20ms作為語音分解幀長。

　　對于分組長度(用n表示)，從整個加密算法的加密強度公式，可以發現n越大，算法的加密強度就越大，但考慮整個加解密系統的延時等因素，n必須取一個合適的值。通過大量仿真測試結果發現，分組長度取20或25可以在這對矛盾間取得一個好的平衡。

　　總之，本算法結合了語音信號處理和分組密碼加密運算的特點，具有對RPE-LTP壓縮編碼很好的恢復性，其加密強度也可滿足需求。

4 同步算法研究

　　對于一個通信系統而言，接收端的同步是一個必須考慮的問題;對于語音加解密系統而言，它將會直接關系到接收端解密的準確性。

　　要精確完成同步，考慮在語音幀中插入同步幀，對于同步幀有以下幾點要求：

　　1)要求同步幀能順利通過GSM的語音編碼器，并且經過聲碼器后還能順利被檢測出來。

　　2)同步幀是插在數據幀中的，并不用于攜帶話音信息，所以如果同步幀取得較長，將會帶來較大延時，影響通信系統的性能。因此在確保精確同步的情況下，同步幀應取的盡量短。

　　3)同步幀的波形經自相關運算后的峰值須足夠高，以便和普通語音信號區別出來，否則會影響同步位置的判決，造成誤判。

　　鑒于以上三點考慮，選擇正弦波序列作為同步幀。正弦波序列能夠順利通過GSM系統的聲碼器不發生大的波形畸變。此外，正弦波序列的自相關函數峰值等參數符合作為同步幀的要求，能夠在較短的長度內完成精確同步。對于同步幀的插入位置，采用在算法中固定下來的方式，在每個置亂單元的起始位置插入同步幀，較之隨機插入的方法，簡單但同樣有效。

　　5 系統實現

　　系統具體實現分硬件和軟件兩部分，具體架構如圖5.1所示：

　圖5.1 系統具體架構

　　為了實現全雙工通信，我們設計并制作了一塊拓展電路板，通過開發板拓展槽插口實現連接。兩路語音通道均使用McBSP傳輸ADDA數據，開發板上語音芯片使用I2C總線初化，拓展板上的語音芯片采用McBSP時鐘停止模式下的SPI總線進行初始化。

圖5.2拓展板上AIC23B的接口示意圖

圖5.3 拓展音頻模塊實物圖

此外，為了實現作品能夠通過手機的語音接口實現即插即用，我們對手機配件的耳麥線路進行了改造。

　　整個語音加解密軟件包括語音分解算法模塊，語音加解密算法模塊，類語音合成算法模塊三部分。其中語音分解幀大小為20ms，加解密處理幀數為28，最后實現抗RPE-LTP壓縮的語音加解密。語音信號同步模塊用于為加密后的語音提供同步。我們選取一幀正弦波序列作為同步頭，每196幀數據插入一幀同步頭序列，在接收端用相同正弦波序列進行檢測。

　　此外，我們通過減小加解密算法的復雜度并采用DMA技術以減小通話時延。回聲抑制和自適應同步檢測算法的應用可以提高通話語音的質量。

　　6 結果與測試

　　本作品測試時需兩部手機，測試地點需有中國移動或中國聯通的信號覆蓋。測試工具為Cool Edit軟件以及matlab軟件，前者主要用于錄音及時域分析，后者則用于頻域分析。

　　測試點位置參見圖6.1。其中的語音加密模塊包含了語音分解、加密和合成算法。我們對抽樣量化后的語音A、加密后的語音B、經RPE-LTP編解碼后的語音C，以及解密后的語音D分別進行了測試比較。