通用型語音加密器及其應用

秦虎 李桃林

摘 ?要：語音機密在通訊保密技術中具有重要地位，黨政軍等機要部門及民用領域等涉及保密語音通信時，采用各種方法對語音進行加密。語音進入傳輸設備前對其進行加密方法，降低通信線路竊聽造成秘密信息截收的危險性非常有效。以STM32芯片為核心構建硬件平臺，研究設計發送中斷接收語音前對語音加密通用型加密器，闡明模塊的工作原理，在大量軟硬件基礎上，證明模塊在語音加密處理的有效性。實現語音加密器具有良好的加密強度，通用性強，作為成本低廉的語音加密方式，在民用方面具有廣闊的適用范圍。

關鍵詞：語音加密器;通用設計;應用

中圖分類號：TN918.4 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）24-0160-02

Abstract： Voice encryption plays an important role in communication security technology. When confidential voice communication is involved in party， government， military and other confidential departments and civilian fields， various methods are used to encrypt voice. It is very effective to encrypt the voice before entering the transmission equipment so as to reduce the risk of secret information interception caused by communication line eavesdropping. This paper builds the hardware platform with STM32 chip as the core， studies and designs the universal encryption device for voice encryption before sending and receiving voice， clarifies the working principle of the module， and proves the effectiveness of the module in voice encryption processing on the basis of a large number of software and hardware. The realization of voice encryptorhas good encryption strength and strong versatility. As a low-cost voice encryption method， it has a wide range of application in civil applications.

Keywords： voice encryptor; general design; application

通信作用是實現人類社會活動中的信息傳遞交換，隨著人們對信息傳遞要求不斷提高飛速發展。通信發展推動科技的進步，改變人們的生活方式。語言是人們溝通信息的重要手段，語言依靠語音實現社會功能，人們借助有聲電設備通信系統進行語音傳輸的通信方式為語音通信。語音通信是通信系統的重要部分，具有即時性，便捷性等特點，在現代通信系統中占據重要地位。隨著通信技術發展，語音通信安全性面臨很大威脅，語音信號竊聽事件不斷發生。2013年英國金融時報報道NSA竊聽35國領導人通話引發全球嘩然。各國黨政軍等機要部門重視語音通信安全保密，商業秘密希望語音通信中防護私密。語音保密通信成為關注焦點。語音通信保密方法研究出現各種手段，最早使用的是密語通信方式，其缺點是需要專門人員從事秘聞翻譯，在翻譯中存在誤差。各國軍方通過專用線路實現保密通信，但措施成本高受到很大限制。使用公共點話題信息傳輸經基站等環節，安全保密無法控制。由于語音通信設計范圍廣闊，論文對端到端的保密通信系統討論，借助語音加密器在語音進入通信終端前加密處理，解決語音傳輸中繼環節被竊聽造成安全問題。

1 模數模語音加密體制的原理

模數模語音加密體制使加密后語音信號以原有寬帶進行傳輸，具有剩余可懂度低等優點。異步模數模加密體制適用于通信雙方語音加密，不需幀同步異步模數模加密體制適用于構造語音加密器。其特點是對語音進行頻域二維加密，將語音頻帶分割，對子帶置亂，對語音頻域樣點回波掩蔽。擾亂后語音在傳輸中出現失步，不會影響恢復后語音音質，原因是人的聽覺對語音相位誤差不敏感[1]。（見圖1）

模數模語音加密體制包括DFT濾波器與回波掩蔽。為使語音在頻域上加密操作異步實現，之亂矩陣需為均勻置換矩陣，任意行列僅有一個非零元素，非零元素值為置亂矩陣中相應位置非零元素倒數。回波掩蔽原理是頻域上對子帶置亂。利用頻域樣點完成時域掩蔽可降低對回波存儲器空間要求。掩蔽為對發出信號頻域樣點進行可變延遲產生掩蔽信號。回波掩蔽不能破壞語音時間統計分布規律，可消除語音字的間隔，降低語音節奏感，語音處理中發現處理幀能量較低，可能是語音字間隔可增大回波加權值。原始語音信號頻譜與恢復后的不同是存在相位誤差，語音信號恢復后引入相位誤差影響不大。不需幀同步頻域加密可實現。

語音加密研究工作自1881年針對電話研發保密裝置開始，1949年Shannon將信息論與密碼學結合奠定通信保密技術理論基礎。在語音方面得到應用，語音通信加密主要研究是對語音內容加密，目前語音加密方式分為語音置亂，數字加密與模擬數字加密方式。語音置亂加密思想與數字加密方式不同，語音置亂是將語音信號視為聲音加密，數字加密是將語音信號數字化數據視為普通離散數據加密。傳統模擬置亂方法是根據語音時間波形特性，對語音信號頻率等參數進行擾亂，使語音信號通信系統傳輸明文變為密文，主要形式有頻域之亂，時域置亂方式結合的多維置亂。

2 密碼模塊的設計實現

研究設計語音加密器是為保護語音傳輸中不發生消息泄露等情況，首先要設計好語音加密器密碼模塊，設計密碼體系前考慮滿足秘鑰空間足夠大，算法完善，符合現代密碼理論的基本要求。設計加密模塊時將語音加密對密碼使用分為加密操作，秘鑰管理與密鑰流生成。對秘鑰研究分為加密操作，密鑰流生成模塊[2]。

加解密操作采用與流密碼加密體制滿足需求，實現中避免出現簡單線性處理。加密是對語音按頻率分割產生子帶進行重新排列，發送方將原始語音在頻域切割子帶，用置亂矩陣進行擾亂，在置亂矩陣組成空間中通過地址查到。解密操作與加密步驟基本相同。為防止通過分析置亂后語音暴露特性破解原始語音，在加密操作中需時常更換密碼，密碼滾動原理是加密操作使用秘鑰長度固定，改變密碼起始位置得到新秘鑰序列。密碼系統安全依賴于秘鑰，如何管理秘鑰是重點問題。秘鑰管理包括秘鑰生成，分配與使用等多方面。研究語音加密器秘鑰管理部門設計為二級管理，秘鑰流是加密運算時使用秘鑰，由初始秘鑰經密鑰流發生器運算產生。（見圖2）

設計秘鑰管理方案需要討論如何生成初始秘鑰，通信雙方如何相互認證等問題。秘鑰管理分為生成與認證部門，初始秘鑰生成主要解決如何生成，秘鑰認證解決通信雙方合法性認證問題。初始秘鑰在密碼系統中占有重要地位，采用隨機序列為初始秘鑰，通過RSA加密方式在通信雙方傳遞。利用電子器件熱噪聲生成隨機序列，作為生成初始秘鑰環節。通信雙方進行數據傳輸時，用硬件采集隨機數作初始秘鑰，將初始秘鑰RSA加密后傳送給接收方。接收方RSA解密得到初始秘鑰，采用同樣系列運算得到密鑰流。Hash函數單向不可逆，第三方無法獲得初始秘鑰，可保證秘鑰的安全性。密鑰流是流密碼算法安全性的基礎，流密碼加密運算為一次一密。流密碼算法秘鑰流偽隨機，對系統安全性造成威脅，需設計流密碼算法要產生較長安全密鑰流。密鑰流安全性在算法中占有重要地位，設計好流密碼算法要從安全性角度考慮周期性與不可預測性，使密鑰流達到一次一密的標準。用偽碼發生器作密鑰流生成器，對密鑰流生成器設計要求周期較長，隨機性良好。

3 硬件部分的設計實現

硬件平臺采用ARM內核，ARM公司成立于1990年，ARM技術采用RISC精簡指令系統，具有功耗低，性能好，尋址方式簡單等特點。采用CortexM3內核，芯片選型中綜合考慮性能等諸多因素，選定STM32F103RFT6為系統控制核心。

STM32系列芯片一次處理設計寬度為32位，STM32芯片包含通用寄存器13個，鏈接寄存器1個，若干特殊寄存器。包含許多外設內片內儲存空間，芯片搭載注入低電壓檢測，掉門檢測等開發工作常用單元。STM32系列芯片在控制能力等方面更為出色。STM32F103RFT6芯片內核基于ARM Cortex-M3。為開發需求提出完整優化解決辦法。考慮嵌入式開發工作在高性能，實時性等方面要求，研發人員將馮諾依曼系統結構改為哈弗系統結構。ARM7內核采用指令集為32位ARM指令，需要進行切換裝投入。編程中16位指令與32位指令可混寫，使得芯片指令處理效率提高。

芯片優點體現在內核架構先進，集成度高。STM32103RFT6集成優勢體現在采用兩路APB結構，使得連接在總線外設運行速度更高，對芯片的GPIO，UART及定時器等外設進行設置，使開發周期更短。設計語音處理模塊作用是與芯片通信，語音處理模塊作用是將芯片處理信號轉換為語音信號，通過音頻線輸入語音處理模塊中信號處理傳入芯片。設計語音加密器語音處理模塊需滿足輸入輸出支持雙路，功耗低。綜合考慮語音模塊所需條件等方面因素，選用TI公司音頻處理芯片TLV320AIC23為語音處理芯片。是性能很好的音頻編解碼器，芯片內置ADC采用多位sigema-delta過樣工藝，支持采樣速度范圍寬，數據傳輸字長有多種，可實現高質量數字音頻回放。

選用開發平臺為Keil μVersion4，Keil由德國軟件公司開發單片機平臺，可編譯C語言代碼，調試目標程序等。Keil μVersion4具有編程環境支持標準C語言，節省編程時間，設備模擬其對硬件運行情況仿真，可通過開發平臺查看程序運行時間等信息，編譯器使生成代碼密度高，使得系統占用資源少情況下實現更多功能。

參考文獻：

[1]滕廣超，郎建軍，杜奇才，等.一種語音加密器中密鑰同步方案的設計與實現[J].微處理機，2014，35（06）：30-32+37.

[2]滕廣超.通用型語音加密器的研究與實現[D].國防科學技術大學，2014.

[3]冷豐麟.基于聲碼化技術的數字語音加密系統的研究[D].大連海事大學，2009.