專利名稱：抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種全球通(GSM)手機(jī)端到端語音加密方法。它基于抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵(RPE-LTP)壓縮編碼語音加解密算法，采用數(shù)字信號處理(DSP)芯片TMS320C5402為基礎(chǔ)平臺，是一種無線網(wǎng)絡(luò)終端的端到端安全通信方法。
背景技術(shù)：
隨著移動通信技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是GSM系統(tǒng)在全球的廣泛應(yīng)用，GSM手機(jī)通信的安全需求正日益增長，用戶對手機(jī)安全通信的要求也越來越高。標(biāo)準(zhǔn)的GSM系統(tǒng)中雖然存在著一套較為完整的手機(jī)安全通信規(guī)范和技術(shù)，但由于僅采用無線信道加密技術(shù)，只能保證手機(jī)至基站間無線傳輸過程中語音信號的加密通信，語音信號在基站間的中繼過程中仍是以明文形式傳輸，因此無法保證手機(jī)間端到端的語音安全加密通信。一旦攻擊者能夠接入或控制運營商網(wǎng)絡(luò)的中繼傳輸系統(tǒng)，整個用戶的通信內(nèi)容將暴露無疑。同時，由于運營商可以隨時監(jiān)聽網(wǎng)間的通信流量，對于一些具有高安全通信要求的個人和部門，在通信過程中也存在著相當(dāng)?shù)陌踩[患。
鑒于此，近年來先后有德國、以色列、美國等國家的研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)體在GSM手機(jī)端到端安全通信領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并相繼推出了端到端的GSM網(wǎng)絡(luò)加密終端。其中德國GSMK公司于2003年11月采用其開發(fā)的語音加密技術(shù)，發(fā)布了名為Cryptophone的語音加密手機(jī)；以色列公司Snapshield于2005年初，提出了一種基于GSM智能手機(jī)的語音加密技術(shù)；美國的TCC公司也于2006年推出了采用語音加密技術(shù)的加密手機(jī)CipherTalk-8000。國內(nèi)也有一些象北京天正合商業(yè)秘密保護(hù)中心等機(jī)構(gòu)，基于國外相似的技術(shù)推出了各自的產(chǎn)品。
然而，諸如德國GSMK、以色列Snapshield、美國TCC以及北京天正合等采用的語音加密技術(shù)，都是基于傳統(tǒng)的密碼學(xué)加密技術(shù)(DES、3DES、AES等)，通過GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通道對數(shù)字信號進(jìn)行加密傳輸。即首先把語音信號數(shù)字化，并借助于GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通道(如GPRS通道等)，對數(shù)字化信號進(jìn)行加密，然后采用VOIP(VoiceOver IP)技術(shù)進(jìn)行傳輸。這類加密方法的優(yōu)點是可以避開語音通道中的RPE-LTP聲碼器(由于采用傳統(tǒng)密碼學(xué)加密技術(shù)加密后的數(shù)據(jù)信號，通過RPE-LTP聲碼器壓縮編碼后，無法解密恢復(fù))，技術(shù)上易于實現(xiàn)，并且方式靈活，技術(shù)眾多(因采用的密碼學(xué)加密方法不同)。但是，這類技術(shù)也存在著明顯的缺陷第一，由于建立IP連接和運用自動重傳機(jī)制造成的延時問題無法克服，其中建立連接延時可達(dá)20-30秒，處理延時0.5-1秒，因此嚴(yán)重影響通話效果。第二，該類技術(shù)基于GSM數(shù)據(jù)通道，因此在通過不同運行商及國際網(wǎng)絡(luò)時存在互用性的問題，跨網(wǎng)不能互連互通。第三，不支持現(xiàn)有GSM的增值業(yè)務(wù)，如數(shù)據(jù)通道的兩端不能使用現(xiàn)有的電話卡以及移動網(wǎng)絡(luò)的一些其他增值業(yè)務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種直接在GSM傳統(tǒng)語音通道上進(jìn)行語音信源加密和傳輸?shù)摹翱归L時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵(RPE-LTP)壓縮編碼全球通(GSM)手機(jī)語音加密方法”，該方法具有抗RPE-LTP壓縮編碼的能力，因此可以克服采用上述GSM數(shù)據(jù)通道加密技術(shù)的所有缺陷。采用本發(fā)明的技術(shù)，首先可以提供GSM加密手機(jī)端到端安全通信；其次可以大幅降低通話延遲(0.2秒)；而且由于不改變GSM系統(tǒng)中語音通道的特性，支持跨網(wǎng)的互連互通；同時支持現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中所有的增值業(yè)務(wù)。此外，本發(fā)明的原理同樣可以拓展應(yīng)用于第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)(3G)和CDMA1X移動網(wǎng)絡(luò)的語音加密通信中。
技術(shù)方案本發(fā)明的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法是在全球通手機(jī)語音通信系統(tǒng)的模/數(shù)模塊和長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵編解碼模塊之間，接入手機(jī)語音加/解密模塊，進(jìn)行語音加解密運算，實現(xiàn)語音加解密功能；其中，所述的手機(jī)語音加/解密模塊是一個數(shù)字信號處理最小系統(tǒng)硬件模塊，主要包括DSP處理器模塊、電源模塊、時鐘模塊、RAM存儲模塊以及ROM存儲模塊；所述的DSP處理器模塊作為硬件系統(tǒng)的核心，處理語音信號的加解密運算；電源模塊連接DSP處理器模塊的電源接口，負(fù)責(zé)供電；時鐘模塊連接DSP處理器模塊的時鐘接口，為DSP處理器模塊提供脈沖振蕩波；RAM存儲模塊連接DSP處理器模塊的RAM存儲接口，為DSP處理器模塊正常工作提供存儲空間；ROM存儲模塊連接DSP處理器模塊的ROM存儲接口，使DSP處理器模塊在初始化時加載系統(tǒng)軟件。
DSP處理器模塊的內(nèi)存中包含一個語音加解密方法；該語音加解密方法分別運行語音分解/合成算法模塊、語音加/解密算法模塊、類語音合成/分解算法模塊以及語音信號同步模塊，從而實現(xiàn)手機(jī)語音的加解密通信；具體方法為1.)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化過程中，首先完成DSP配置以及時鐘、存儲器接口等的配置，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)存在模/數(shù)模塊輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先運行語音分解/合成算法模塊，把數(shù)據(jù)信號分解成一定大小的幀；接著運行語音加/解密算法模塊，對分幀的語音按特定方式進(jìn)行加密；然后運行類語音合成/分解算法模塊，對加密后的類語音以倒相等方式進(jìn)行合成；最后運行語音信號同步模塊，對合成的類語音信號加上特定的同步信號頭，然后輸出；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)存在RPE-LTP編解碼模塊解碼輸入的接收數(shù)據(jù)時，首先運行語音信號同步模塊，判斷是否獲得信號同步，若否，則重新進(jìn)行同步運算，若是，則接著運行后續(xù)模塊；接著運行類語音合成/分解模塊，對同步后的信號以倒相等方式進(jìn)行類語音分解；然后運行語音加/解密算法模塊，按特定方式對信號進(jìn)行解密；最后運行語音分解/合成算法模塊，對解密后的語音信號幀按一定大小進(jìn)行合成，然后輸出。
所述的語音分解/合成算法模塊包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、幀分解/合成算法以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)語音的分解和合成；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音分解/合成算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行運算，
2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用幀分解算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀，最后輸出分解好的數(shù)據(jù)幀；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用幀合成算法對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行合成，最后輸出合成后的數(shù)據(jù)。
所述的語音加/解密算法模塊包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、加/解密參數(shù)確定、矩陣加/解密算法以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)語音的加密和解密；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音加/解密算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行加/解密運算，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定加密參數(shù)，然后采用矩陣加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后輸出加密后的數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定解密參數(shù)，然后采用矩陣解密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的數(shù)據(jù)。
所述的類語音合成/分解算法模塊包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、倒序、類語音映射變換/逆變換、語音增強(qiáng)以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)類語音的合成和分解；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行類語音合成/分解算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行類語音的合成/分解，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射變換，然后采用語音增強(qiáng)，最后輸出合成后的類語音數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射逆變換，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序，然后采用語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。
所述的語音信號同步算法模塊包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、同步波形參數(shù)確定/同步相關(guān)運算、加上/去掉同步頭以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)信號的同步發(fā)送和接收；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音信號同步算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行信號的同步發(fā)送和接收，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先確定同步波形參數(shù)，然后加上同步頭，最后輸出帶有同步信號的數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行同步相關(guān)運算，然后去掉同步頭，最后輸出純粹的數(shù)據(jù)。
有益效果本發(fā)明抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通(GSM)手機(jī)語音加密方法具有良好的功能特性實現(xiàn)了GSM手機(jī)端到端的安全通信，加密強(qiáng)度不低于3DES；經(jīng)加解密后，語音信號的可懂度不受損失，音質(zhì)達(dá)到GSM網(wǎng)絡(luò)的要求，通話可懂度≥99％；滿足通信的實時性要求，應(yīng)用于GSM網(wǎng)絡(luò)無延遲，處理時延≤200ms；支持跨網(wǎng)的互連互通以及現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)中的所有增值業(yè)務(wù)。此外，基于相同的語音加密原理，在實現(xiàn)技術(shù)上修改某些參數(shù)即可應(yīng)用于3G和CDMA 1X移動網(wǎng)絡(luò)中。


圖1是本發(fā)明方法在全球通手機(jī)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明方法的系統(tǒng)原理圖；圖3是本發(fā)明方法的軟、硬件模塊關(guān)系圖；圖4是電原理圖；圖5是本發(fā)明方法的系統(tǒng)軟件流程圖。
圖6是語音分解/合成算法模塊流程圖。
圖7是語音加/解密算法模塊流程圖。
圖8是類語音合成/分解算法模塊流程圖。
圖9是語音信號同步算法模塊流程圖。
具體實施例方式
本發(fā)明抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵(RPE-LTP)壓縮編碼的全球通(GSM)手機(jī)語音加密方法，采用獨特的硬件接入方法，包含DSP最小系統(tǒng)硬件模塊和軟件系統(tǒng)模塊兩個部分。
其中1.本發(fā)明在全球通(GSM)手機(jī)語音通信系統(tǒng)的模/數(shù)(A/D)模塊和RPE-LTP編解碼模塊之間，接入手機(jī)語音加/解密模塊，從而運行語音加解密算法。
2.本發(fā)明的DSP最小系統(tǒng)硬件模塊主要包括以下幾個子模塊1)一個DSP處理器模塊1TMS320C5402至少包含一個16位定點處理器，具有獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，用于加解密運算。
2)電源模塊2至少提供兩組電壓，為DSP芯片內(nèi)核和片上外設(shè)供電。
3)時鐘模塊3產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。
4)RAM存儲模塊4為系統(tǒng)外擴(kuò)程序和數(shù)據(jù)區(qū)。
5)ROM存儲模塊5用于固化程序。
3.本發(fā)明的軟件系統(tǒng)模塊包括1)語音分解/合成算法模塊6把語音信號分解成合適的幀尺寸，以便在后續(xù)的類語音合成算法中有效地進(jìn)行信號合成。
2)語音加/解密算法模塊7對分解的語音信號進(jìn)行加解密，確保加密強(qiáng)度達(dá)到3DES的要求。
3)類語音合成/分解算法模塊8將加密后的信號合成符合RPE-LTP編碼要求的信號，便于在接收端有效解碼。
4)語音信號同步算法模塊9用于接收端信號的同步接收和恢復(fù)。
以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明方法各個模塊的結(jié)構(gòu)和流程進(jìn)行詳細(xì)說明。本發(fā)明方法是一種抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法。
具體方法為在全球通手機(jī)語音通信系統(tǒng)的模/數(shù)模塊和長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵編解碼模塊之間，接入手機(jī)語音加/解密模塊，進(jìn)行語音加解密運算，實現(xiàn)語音加解密功能；其中，所述的手機(jī)語音加/解密模塊是一個數(shù)字信號處理最小系統(tǒng)硬件模塊，主要包括DSP處理器模塊1、電源模塊2、時鐘模塊3、RAM存儲模塊4以及ROM存儲模塊5；所述的DSP處理器模塊1作為硬件系統(tǒng)的核心，處理語音信號的加解密運算；電源模塊2連接DSP處理器模塊1的電源接口，負(fù)責(zé)供電；時鐘模塊3連接DSP處理器模塊1的時鐘接口，為DSP處理器模塊1提供脈沖振蕩波；RAM存儲模塊4連接DSP處理器模塊1的RAM存儲接口，為DSP處理器模塊1正常工作提供存儲空間；ROM存儲模塊5連接DSP處理器模塊1的ROM存儲接口，使DSP處理器模塊1在初始化時加載系統(tǒng)軟件。DSP處理器模塊1的內(nèi)存中包含一個語音加解密方法；該語音加解密方法分別運行語音分解/合成算法模塊6、語音加/解密算法模塊7、類語音合成/分解算法模塊8以及語音信號同步模塊9，從而實現(xiàn)手機(jī)語音的加解密通信；具體方法為1.)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化過程中，首先完成DSP配置以及時鐘、存儲器接口等的配置，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)存在模/數(shù)模塊輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先運行語音分解/合成算法模塊6，把數(shù)據(jù)信號分解成一定大小的幀；接著運行語音加/解密算法模塊(7)，對分幀的語音按特定方式進(jìn)行加密；然后運行類語音合成/分解算法模塊(8)，對加密后的類語音以倒相等方式進(jìn)行合成；最后運行語音信號同步模塊(9)，對合成的類語音信號加上特定的同步信號頭，然后輸出；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)存在RPE-LTP編解碼模塊解碼輸入的接收數(shù)據(jù)時，首先運行語音信號同步模塊9，判斷是否獲得信號同步，若否，則重新進(jìn)行同步運算，若是，則接著運行后續(xù)模塊；接著運行類語音合成/分解模塊8，對同步后的信號以倒相等方式進(jìn)行類語音分解；然后運行語音加/解密算法模塊7，按特定方式對信號進(jìn)行解密；最后運行語音分解/合成算法模塊6，對解密后的語音信號幀按一定大小進(jìn)行合成，然后輸出。
所述的DSP處理器模塊1的型號為TMS320C5402。所述的電源模塊2提供兩種電壓1.8V和3.3V；所述的時鐘模塊(輸出時鐘為20 MHz，經(jīng)DSP處理器模塊1內(nèi)部接口“PLL”5倍頻后，使DSP處理器模塊1工作在100 MHz。
所述的語音分解/合成算法模塊6包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、幀分解/合成算法以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)語音的分解和合成；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音分解/合成算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行運算，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用幀分解算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀，最后輸出分解好的數(shù)據(jù)幀；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用幀合成算法對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行合成，最后輸出合成后的數(shù)據(jù)。
所述的語音加/解密算法模塊7包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、加/解密參數(shù)確定、矩陣加/解密算法以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)語音的加密和解密；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音加/解密算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行加/解密運算，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定加密參數(shù)，然后采用矩陣加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后輸出加密后的數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定解密參數(shù)，然后采用矩陣解密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的數(shù)據(jù)。
所述的類語音合成/分解算法模塊8包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、倒序、類語音映射變換/逆變換、語音增強(qiáng)以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)類語音的合成和分解；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行類語音合成/分解算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行類語音的合成/分解，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射變換，然后采用語音增強(qiáng)，最后輸出合成后的類語音數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射逆變換，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序，然后采用語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。
所述的語音信號同步算法模塊9包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、同步波形參數(shù)確定/同步相關(guān)運算、加上/去掉同步頭以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)信號的同步發(fā)送和接收；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音信號同步算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行信號的同步發(fā)送和接收，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先確定同步波形參數(shù)，然后加上同步頭，最后輸出帶有同步信號的數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行同步相關(guān)運算，然后去掉同步頭，最后輸出純粹的數(shù)據(jù)。
如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)可知，本發(fā)明方法采用獨特的硬件接入方法，在通常GSM手機(jī)語音通道系統(tǒng)中，增加實現(xiàn)手機(jī)語音加/解密模塊，其接入點為A/D模塊和RPE-LTP編解碼模塊之間。應(yīng)用本發(fā)明專利方法，對A/D變換后的語音進(jìn)行信源加密，然后送入RPE-LTP編解碼模塊進(jìn)行壓縮編碼，經(jīng)交織、無線信道加密、調(diào)制，最后射頻發(fā)送；相似地，在手機(jī)接收信號時，對RPE-LTP編解碼模塊解壓縮后的信號進(jìn)行信源解密，最后經(jīng)D/A變換后輸出語音。
如圖2所示的抗RPE-LTP壓縮編碼的GSM手機(jī)語音加密方法主要包括兩大部分DSP最小系統(tǒng)硬件模塊和軟件系統(tǒng)模塊。其中，DSP最小系統(tǒng)硬件模塊部分包括DSP處理器模塊1、電源模塊2、時鐘模塊3、RAM存儲模塊4以及ROM存儲模塊5；軟件系統(tǒng)模塊則由語音分解/合成算法模塊6、語音加/解密算法模塊7、類語音合成/分解算法模塊8以及語音信號同步算法模塊9組成。
本發(fā)明方法對語音信號的加解密過程為當(dāng)系統(tǒng)上電以后，首先執(zhí)行引導(dǎo)程序，將ROM存儲模塊5中固化的程序引導(dǎo)到片內(nèi)或片外RAM存儲模塊4中，然后跳轉(zhuǎn)到系統(tǒng)程序，在完成初始化和外設(shè)配置后，執(zhí)行用戶程序。語音加密發(fā)送過程在DSP最小系統(tǒng)中，由GSM手機(jī)語音輸入模塊引入的語音信號，經(jīng)A/D采樣變換后，通過McBSP接口(其中McBSP以時鐘停止模式工作在DMA方式)，送入DSP處理器模塊1。DSP處理器模塊1先后調(diào)用語音分解/合成算法模塊6、語音加/解密算法模塊7和類語音合成/分解算法模塊8，對語音信號進(jìn)行加密，并合成符合RPE-LTP編碼特性的類語音信號，在加入同步信號頭后通過McBSP串口送至手機(jī)的RPE-LTP編解碼模塊進(jìn)行壓縮編碼，經(jīng)交織、無線信道加密、高斯最小頻移鍵控GMSK調(diào)制，最后經(jīng)射頻處理，通過天線輸出。語音解密接收過程為上述發(fā)送過程的逆過程。
本發(fā)明方法中的DSP處理器，采用美國TI公司的TMS320C5402。它是一款16位定點DSP芯片，內(nèi)置有16K*16位RAM，4K*16 ROM，兩個McBSP串口，有一個16位數(shù)據(jù)總線，三條16位數(shù)據(jù)總線，4條16位地址總線，獨立的程序和數(shù)據(jù)空間，程序運算能力高達(dá)200 MIPS(兆指令/秒)。電源模塊2用于給系統(tǒng)供電，提供兩種電壓1.8V和3.3V，其中3.3V為DSP芯片片上外設(shè)供電，1.8V為內(nèi)核電壓。時鐘模塊3為系統(tǒng)提供時種，其中的晶體輸出時鐘為20MHz，經(jīng)DSP內(nèi)部的PLL 5倍頻后，使C5402 DSP芯片工作在100MHz。RAM存儲模塊4為系統(tǒng)外擴(kuò)程序和數(shù)據(jù)區(qū)，可運行程序和存放數(shù)據(jù)。ROM存儲模塊5用于固化程序，使系統(tǒng)能脫機(jī)運行。
本發(fā)明方法的系統(tǒng)軟、硬件模塊間的關(guān)系如圖3所示。DSP處理器在加載ROM存儲模塊5中固化的系統(tǒng)程序后，通過McBSP串口模塊輸入手機(jī)A/D采樣后的數(shù)據(jù)，在DMA控制下調(diào)入語音分解/合成算法模塊、語音加/解密算法模塊以及類語音合成/分解算法模塊，對輸入語音進(jìn)行分解、加密、類語音合成，最后加上同步信號頭，在DMA控制下經(jīng)McBSP串口模塊輸出，進(jìn)入手機(jī)的RPE-LTP壓縮編碼模塊。語音的接收解密過程是上述加密過程的逆過程，DSP處理器通過McBSP串口模塊輸入手機(jī)從RPE-LTP解壓縮后的數(shù)據(jù)，在DMA控制下調(diào)入語音信號同步算法模塊，在完成信號同步處理后，調(diào)入類語音合成/分解算法模塊、語音加/解密算法模塊以及語音分解/合成算法模塊，對輸入語音進(jìn)行類語音分解、解密、合成，最后在DMA控制下經(jīng)McBSP串口模塊輸出，進(jìn)入手機(jī)的D/A模塊進(jìn)行語音輸出。
本發(fā)明方法中的語音分解/合成算法模塊，采用的語音分解/合成幀大小為1-20ms；語音加/解密算法模塊，采用的加/解密處理幀數(shù)為5-30；類語音合成/分算法模塊，采用倒序、類語音映射變換、語音增強(qiáng)等技術(shù)，實現(xiàn)抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮的語音加密；語音信號同步模塊，用于為加密后的語音提供同步，通過選取一定形式的正弦波，頻率在100-4000Hz之間，使得接收端能夠同步接收信號。
下面給出本發(fā)明方法在松下GD 90手機(jī)中應(yīng)用的一個實例(參見圖4)。該手機(jī)語音通道中的信號處理由芯片TCM4400E統(tǒng)一完成。如圖4所示，通過加入由本發(fā)明方法實現(xiàn)的手機(jī)語音加/解密模塊(結(jié)構(gòu)參見圖2)，從而實現(xiàn)抗RPE-LTP壓縮編碼的GSM手機(jī)語音端到端的安全加密通信。整個技術(shù)實現(xiàn)過程如下語音信號上行部分語音從話筒MIC輸出，送入TCM4400E芯片的27、28引腳，經(jīng)濾波和A/D采樣量化后，語音信號流在16管腳VCLK(時鐘信號)和13管腳VFS(同步信號)作用下，從14管腳VDX輸出至手機(jī)語音加/解密模塊(結(jié)構(gòu)參見圖2)中的McBSP串行輸入口，在TMS320C5402系統(tǒng)中進(jìn)行如圖3所描述的語音分解、加密以及類語音合成，在加上同步信號頭后將加密信號輸出。信號輸出至TCM4400E芯片的4管腳BDR，由TCM4400E芯片處理該信號的RPE-LPT編碼、交織、無線信道加密、GMSK調(diào)制，最后通過56--59管腳送入外部射頻芯片，經(jīng)射頻處理后通過手機(jī)天線輸出。
語音信號下行部分手機(jī)天線接收信號，輸入射頻處理模塊，然后通過TCM4400E芯片的51--54管腳，進(jìn)行GMSK解調(diào)、無線信道解密、去交織、RPE-LPT解碼等基帶處理，所得語音流通過McBSP口的3管腳，在2管腳BCLKX(時鐘信號)和1管腳BFSX(同步信號)作用下，輸入手機(jī)語音加/解密模塊中的McBSP串行輸入口，在TMS320C5402系統(tǒng)中進(jìn)行如圖3所描述的信號同步檢測、類語音分解、解密、語音合成，然后將解密后的語音信號輸出。輸出信號至TCM4400E芯片的15管腳VDR，經(jīng)D/A變換和濾波，最后通過32、33管腳輸出至聽筒EAR PHONE。
如圖5，本發(fā)明技術(shù)的系統(tǒng)軟件運行流程如下系統(tǒng)在上電后執(zhí)行初始化過程，首先完成DSP配置以及時鐘、存儲器接口等的配置。當(dāng)存在數(shù)/模模塊輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先運行語音分解/合成算法模塊(6)，把數(shù)據(jù)信號分解成一定大小的幀；接著運行語音加/解密算法模塊(7)，對分幀的語音按特定方式進(jìn)行加密；然后運行類語音合成/分解算法模塊(8)，對加密后的類語音以倒相等方式進(jìn)行合成；最后運行語音信號同步模塊(9)，對合成的類語音信號加上特定的同步信號頭，然后輸出。當(dāng)存在RPE-LTP編解碼模塊解碼輸入的接收數(shù)據(jù)時，首先運行語音信號同步模塊(9)，去掉同步頭獲得信號同步；接著運行類語音合成/分解模塊(8)，對同步后的信號以倒相等方式進(jìn)行類語音分解；然后運行語音加/解密算法模塊(7)，按特定方式對信號進(jìn)行解密；最后運行語音分解/合成算法模塊(6)，對解密后的語音信號幀按一定大小進(jìn)行合成，然后輸出。
應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的較佳實施例以及其技術(shù)構(gòu)思做出各種可能的改變或替換，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
加密方法針對松下GD 90手機(jī)，在芯片TCM4400E的1-6管腳以及13-16管腳，接入語音加/解密系統(tǒng)，實現(xiàn)手機(jī)的端到端加密通信。
權(quán)利要求
1.一種抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于在全球通手機(jī)語音通信系統(tǒng)的模/數(shù)模塊和長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵編解碼模塊之間，接入手機(jī)語音加/解密模塊，進(jìn)行語音加解密運算，實現(xiàn)語音加解密功能；其中，所述的手機(jī)語音加/解密模塊是一個數(shù)字信號處理最小系統(tǒng)硬件模塊，主要包括DSP處理器模塊(1)、電源模塊(2)、時鐘模塊(3)、RAM存儲模塊(4)以及ROM存儲模塊(5)；所述的DSP處理器模塊(1)作為硬件系統(tǒng)的核心，處理語音信號的加解密運算；電源模塊(2)連接DSP處理器模塊(1)的電源接口，負(fù)責(zé)供電；時鐘模塊(3)連接DSP處理器模塊(1)的時鐘接口，為DSP處理器模塊(1)提供脈沖振蕩波；RAM存儲模塊(4)連接DSP處理器模塊(1)的RAM存儲接口，為DSP處理器模塊(1)正常工作提供存儲空間；ROM存儲模塊(5)連接DSP處理器模塊(1)的ROM存儲接口，使DSP處理器模塊(1)在初始化時加載系統(tǒng)軟件。
2.一種抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于DSP處理器模塊(1)的內(nèi)存中包含一個語音加解密方法；該語音加解密方法分別運行語音分解/合成算法模塊(6)、語音加/解密算法模塊(7)、類語音合成/分解算法模塊(8)以及語音信號同步模塊(9)，從而實現(xiàn)手機(jī)語音的加解密通信；具體方法為1.)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化過程中，首先完成DSP配置以及時鐘、存儲器接口等的配置，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)存在模/數(shù)模塊輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先運行語音分解/合成算法模塊(6)，把數(shù)據(jù)信號分解成一定大小的幀；接著運行語音加/解密算法模塊(7)，對分幀的語音按特定方式進(jìn)行加密；然后運行類語音合成/分解算法模塊(8)，對加密后的類語音以倒相等方式進(jìn)行合成；最后運行語音信號同步模塊(9)，對合成的類語音信號加上特定的同步信號頭，然后輸出；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)存在RPE-LTP編解碼模塊解碼輸入的接收數(shù)據(jù)時，首先運行語音信號同步模塊(9)，判斷是否獲得信號同步，若否，則重新進(jìn)行同步運算，若是，則接著運行后續(xù)模塊；接著運行類語音合成/分解模塊(8)，對同步后的信號以倒相等方式進(jìn)行類語音分解；然后運行語音加/解密算法模塊(7)，按特定方式對信號進(jìn)行解密；最后運行語音分解/合成算法模塊(6)，對解密后的語音信號幀按一定大小進(jìn)行合成，然后輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼的全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于所述的DSP處理器模塊(1)的型號為TMS320C5402。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于所述的電源模塊(2)提供兩種電壓1.8V和3.3V；所述的時鐘模塊(3)輸出時鐘為20MHz，經(jīng)DSP處理器模塊(1)內(nèi)部接口“PLL”5倍頻后，使DSP處理器模塊(1)工作在100MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于所述的語音分解/合成算法模塊(6)包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、幀分解/合成算法以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)語音的分解和合成；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音分解/合成算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行運算，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用幀分解算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀，最后輸出分解好的數(shù)據(jù)幀；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用幀合成算法對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行合成，最后輸出合成后的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于所述的語音加/解密算法模塊(7)包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、加/解密參數(shù)確定、矩陣加/解密算法以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)語音的加密和解密；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音加/解密算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行加/解密運算，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定加密參數(shù)，然后采用矩陣加密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后輸出加密后的數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定解密參數(shù)，然后采用矩陣解密算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于所述的類語音合成/分解算法模塊(8)包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、倒序、類語音映射變換/逆變換、語音增強(qiáng)以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)類語音的合成和分解；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行類語音合成/分解算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行類語音的合成/分解，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射變換，然后采用語音增強(qiáng)，最后輸出合成后的類語音數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射逆變換，接著對數(shù)據(jù)進(jìn)行倒序，然后采用語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于所述的語音信號同步算法模塊(9)包含主程序調(diào)用、發(fā)送/接收數(shù)據(jù)、同步波形參數(shù)確定/同步相關(guān)運算、加上/去掉同步頭以及輸出等幾個步驟，實現(xiàn)信號的同步發(fā)送和接收；具體方法為1.)主程序調(diào)用系統(tǒng)運行語音信號同步算法模塊時，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行信號的同步發(fā)送和接收，2.)發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，首先確定同步波形參數(shù)，然后加上同步頭，最后輸出帶有同步信號的數(shù)據(jù)；3.)接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，首先進(jìn)行同步相關(guān)運算，然后去掉同步頭，最后輸出純粹的數(shù)據(jù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼的全球通手機(jī)語音加密方法，其特征在于加密方法針對松下GD 90手機(jī)，在芯片TCM4400E的1-6管腳以及13-16管腳，接入語音加/解密系統(tǒng)，實現(xiàn)手機(jī)的端到端加密通信。
全文摘要
抗長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵壓縮編碼全球通手機(jī)語音加密方法是一種全球通(GSM)手機(jī)端到端語音加密方法。在全球通手機(jī)語音通信系統(tǒng)的模/數(shù)模塊和長時預(yù)測規(guī)則脈沖激勵編解碼模塊之間，接入手機(jī)語音加/解密模塊，進(jìn)行語音加解密運算，實現(xiàn)語音加解密功能；其中，所述的手機(jī)語音加/解密模塊是一個數(shù)字信號處理最小系統(tǒng)硬件模塊，DSP處理器模塊(1)處理語音信號的加解密運算；電源模塊(2)連接DSP處理器模塊(1)的電源接口；時鐘模塊(3)連接DSP處理器模塊(1)的時鐘接口；RAM存儲模塊(4)連接DSP處理器模塊(1)的RAM存儲接口；ROM存儲模塊(5)連接DSP處理器模塊(1)的ROM存儲接口，使DSP處理器模塊(1)在初始化時加載系統(tǒng)軟件。
文檔編號H04K1/00GK101014060SQ20071001992
公開日2007年8月8日 申請日期2007年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月2日
發(fā)明者蔣睿, 齊宏飛, 周世健, 楊曉輝, 胡愛群 申請人:東南大學(xué)