語音通信保密系統設計

溫宏愿，井娥林，劉增元

（南京理工大學 泰州科技學院，江蘇 泰州 225300）

現在的社會是一個高度信息化的社會，手機、可視電話、多媒體、網上視頻聊天等多種語音視頻通信方式日益普及化。伴隨而來的是通信安全問題，隨著當今社會通信技術的發展，遠程監聽、盜聽等一系列安全問題[1-2]不斷出現，如何有效地保護好語音通信的安全、防止信息被竊聽成為了時下人們討論以及研究的焦點，因此，針對這些問題，各種語音保密電路以及加密器件應運而生[3-5]。如今，通信保密技術已經廣泛應用于民間通信與軍事科技通訊中。

本文從低成本角度考慮，以51單片機為核心，設計一個能夠為一般通信裝置進行通信活動提供安全保障的語音通信保密系統。該系統可以通過設置密鑰，來確保通信內容的語音發送加密和語音接收解密，保障在兩個通信設備之間通信時，通過該系統的保障，可以防止語音內容在網絡上被其他通信系統所攔截竊聽。

1 總體方案設計

總體方案是通過保密總開關控制系統實現通信過程中的保密控制，整個系統可以實現普通通信和保密通信兩種功能。語音通信保密設計的總體系統框圖如圖1所示。其具體設計思路是：由單片機及一些外圍元件組成的保密電路模塊，一個作為保密模塊的發送端，一個作為保密模塊的接收端。在語音通信過程中，發送裝置的語音信號經保密模塊的發送端與接收端再到語音接收裝置，在發送端與接收端之間用竊聽裝置竊聽。只要系統啟用保密控制開關，那么系統將進入保密通信之中，竊聽者只能聽到失真的語音，這樣就達到了系統的功能。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 System structure diagram

2 系統硬件設計

語音通信保密系統主要由語音保密模塊、發送端單片機模塊、接收端單片機模塊及相關顯示功能電路組成。

2.1 語音保密模塊電路設計

語音保密模塊在通信保密系統中主要負責對模擬的語音信號進行置亂與去亂的技術。模塊采用日本AKM開發的AK2356，這是一種專門用于電話通信保密的基于CMOS工藝的集成電路芯片，24個引腳，有直插式的也有貼片式的，隨后又發展成了不同型號，該芯片采用頻率倒置這種語音保密技術，即把語音信號的高頻部分和低頻部分進行交換，在主頻確定的情況下，可以改變載頻控制開關（13腳和14腳）的狀態來選擇四種不同的頻率，從而實現語音加密。AK2356通過與一些外圍元件的組合形成了基本通用型保密電路模塊，其具體電路圖如圖2所示。

圖2 AK2356保密模塊電路圖Fig.2 AK2356 security module circuit diagram

2.2 發送端單片機模塊電路設計

上述構建的語音保密模塊雖然能實現通信的保密功能，但由于僅有4種語音加密方式，容易被破譯，為了克服這種問題，引入單片機系統來隨機產生隨機同步密鑰，控制語音保密模塊從而實現動態加密。

從成本等角度考慮，選用了STC89C51這種低功耗、高性能8位微型控制器[6]，再加上一些外圍所需的元件以及與AK2356相連接所需的控制端口，即完成了發送端單片機模塊電路設計。單片機P1.1、P1.2口分別連接芯片AK2356的兩個頻率選擇開關，同時又分別連接兩個LED燈，通過LED燈的亮暗來顯示究竟使用了哪一種調制、解調頻率。單片機P2.0口作為加密控制開關，通過按下與否來表示是否使用語音加密功能。一旦系統使用了加密功能，P2.0口按下，單片機內部程序檢測到P2.0口被按下，那么與AK2356加密控制端連接的P2.1口就會起作用，使芯片AK2356處于語音加密狀態。單片機P3.2口用于發送同步碼。

2.3 接收端單片機模塊電路設計

單片機的P1.1、P1.2口還是分別連接芯片AK2356的頻率選擇開關，同樣在P1.1、P1.2口可以分別連接兩個LED燈，通過LED燈的亮暗來顯示究竟使用了哪一種調制、解調頻率。P2.0口用于控制AK2356加密控制端，而單片機的P3.0以及P3.1口通過內部程序用來檢測并接收發送端單片機模塊電路產生的同步碼。

3 系統軟件設計

為了系統調試的方便性，系統軟件方面主要包含發送端子程序、編碼發送子程序、同步碼子程序、接收端子程序等幾部分獨立模塊的設計，系統軟件結構圖如圖3所示。

圖3 系統軟件設計結構圖Fig.3 Software system structure diagram

在要進行保密通信的過程中，保密發送端的單片機通過不斷調用鍵盤掃描程序對單片機的P2.0口進行實時掃描，若掃描到其為低電平，則說明保密控制按鍵被按下，然后單片機的P2.1口會置為低電平，即啟動語音加密，接下來系統會對AK2356的兩個頻率選擇開關進行隨機置位，單片機隨即會讀出兩個頻率選擇開關的電平值，根據兩者的電平狀態來選取對應的脈沖編碼數目，然后執行編碼發送程序發送同步碼信息，最后由單片機的P3.2口發送同步脈沖信號。

若檢測到處于加密狀態時，將根據單片機讀出的兩電平值所對應的脈沖編碼個數賦給寄存器進行發送，同步碼頭寬度設為6 ms。讓寄存器進行減1操作，不斷循環減1，當檢測到寄存器中的值為0，即脈沖個數全部發完時，則置6 ms高電平作為結束碼。

通過單片機產生隨機碼，寄存器A中的值一直在進行加1操作，將A中的值賦給P1口，那么P1口的P1.1以及P1.2中的值就是隨機的，會出現4種可能情況。根據P1.1以及P1.2口電平高低的情況選擇一種同步碼然后發送。

接收端接收同步碼信息時，為了防止誤差的干擾，首先需要對接收的脈沖寬度進行檢測，由單片機的P3.1和P3.2口進行檢測。假設接收的碼頭脈寬為4 ms，若碼頭脈寬小于4 ms，則視為無效碼，否則將繼續執行接下去的程序，對低電平脈沖計數并賦給累加器A。當結束碼的碼寬大于6 ms時，則意味著接收操作結束。最后依據A中脈沖的數目來執行相應操作，這樣就完成了隨機的加密與同步通話功能。

4 實驗測試結果

由于設計的系統主要是針對語音的通信保密，而語音的保密結果是聽覺現象，而該現象效果不能很好的體現在文字中，為了說明系統的有效性，在此選用了圖4所示的測試方案。

圖4 系統測試結構框圖Fig.4 System test structure diagram

人說話的語言頻率大概在300～3 400 Hz之間，可以利用信號發生器產生300～3 400 Hz之間的任何一種頻率信號，然后將這個頻率信號接到制成的語音發送保密模塊的話音輸入端，再用示波器的兩個通道分別接到發送語音保密模塊的話音輸入端以及接收語音模塊的話音輸出端，通過觀察示波器上面顯示的兩個波形圖來判斷是否完成了語音的加密，這種測試效果比較直觀。

語音通信保密系統工作后，發送端單片機模塊隨機產生同步密鑰，并不斷更新，實現了動態加密，而接收端單片機模塊通過接收和檢測同步碼信息后，及時更新密鑰，保持了動態解密。圖5所示即為保密狀態實物圖，左側為發送端系統，右側為接收端系統。

圖5 保密狀態實物圖Fig.5 Security state diagram

信號發生器模擬聲音的信號波形與接收端系統解密的信號波形如圖6所示。由圖6可知，兩個波形基本上是差不多的，該系統處于正常通信保密狀態，即發送與接收雙方的頻率調制、解調開關處于一致狀態，處于同一密鑰下，此時用耳機等揚聲器聽到的話音也能很好地反映出話音播放器所播放的原話音，說明該語音保密系統可以實現加密和解密功能。

圖6 原始聲音波形和解密后波形對比圖Fig.6 Comparison diagram of original sound waveform and decrypted waveform

語音竊聽裝置如果在此通信保密系統正常工作時進行竊聽，則將會聽到的是一片雜音。圖7給出了此時信號發生器模擬聲音的信號波形與竊聽者聽到的信號波形對比情況，這進一步說明了設計的語音通信保密系統很好的實現語音通信保密功能。

圖7 原始聲音波形和竊聽波形對比圖Fig.7 Comparisondiagramoforiginalsoundwaveformandtappedwaveform

5 結 論

針對目前通信過程中的語音泄密問題，從低成本角度考慮設計了該語音通信保密系統，包含發送端和接收端兩個模塊，主要采用單片機控制語音保密模塊產生與接收隨機密鑰從而實現保密通信功能。為了驗證該語音通信保密系統的正確性，采用信號發生器產生語言頻率的模擬波形和語音播放兩方面進行對比，實驗結果表明此保密系統具有良好的保密和解密性能，穩定性高，且系統可以擴展為采用貼片芯片，從而使模塊小型化，有較好的實際應用價值。

[1]葉仁春，陸云龍，張會銘，等.無線話筒頻道搜索/監聽與頻道鎖定方法[J].實驗室研究與探索，2010，12（12）:457-459.YE Ren-chun，LU Yun-long，ZHANG Hui-ming，et al.Research on methods of channels searching/listening and lockingusingwirelessmicrophone[J].Research and Exploration in Laboratory，2010，12（12）:457-459.

[2]原泉，李海成，周亞建，等.模擬網絡編碼雙向中繼竊聽信道安全性能分析[J].北京郵電大學學報，2012，35（3）:112-115.YUAN Quan，LI Hai-cheng，ZHOU Ya-jian，et al.The security performance analysis of analog network coding over two-way relay wiretap channel[J].Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2012，35（3）:112-115.

[3]龔進，劉文怡，韓惠蓮，等.基于單片機的語音混沌保密通信[J].化工自動化及儀表，2011，38（12）:1499-1501，1523.GONG Jin，LIU Wen-yi，HAN Hui-lian，et al.Microcontrollerbased chaotic secure voice communication cevice[J].Control and Instruments in Chemical Industry，2011，38（12）:1499-1501，1523.

[4]賀利芳，張剛，張天騏.一種保密通信系統的研究[J].電信科學，2012，33（2）:99-103.HE Li-fang，ZHANG Gang，ZHANG Tian-qi.Research on a security communication scheme[J]. Telecommunications Science，2012，33（2）:99-103.

[5]龐晶，蘇雙臣，劉金河，等.混沌保密通信系統設計[J].河北工業大學學報，2011，40（5）:17-21.PANG Jing，SU Shuang-chen，LIU Jin-he，et al.Design of chaotic secure communication system[J].Journal of Hebei University of Technology，2011，40（5）:17-21.

[6]馬昊偉，董繼先.基于STC89C51單片機的步進電動機的控制系統設計[J].煤礦機械，2012，33（7）:222-223.MA Hao-wei，DONG Ji-xian.Design of stepping motor control system based on STC89C51 microcontroller[J].Coal Mine Machinery，2012，33（7）:222-223.