基于Nios II的語音加密傳輸系統(tǒng)設(shè)計

　摘 要： 設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于Nios II的語音加密傳輸系統(tǒng)。介紹了進(jìn)行語音信號處理的功能模塊，包括語音采集回放模塊、基于G.729A的語音壓縮與解壓縮模塊和基于AES的數(shù)據(jù)加解密模塊。在控制模塊的協(xié)調(diào)下，使得語音數(shù)據(jù)通過MODEM能夠在公共電話網(wǎng)中安全地傳輸，實現(xiàn)了語音的保密通信。

由于缺乏保密措施，使得電話竊聽事件不斷發(fā)生，嚴(yán)重威脅著個人隱私、軍事商業(yè)秘密甚至地區(qū)或國家的信息安全。因此，以語音壓縮和數(shù)據(jù)加密為基礎(chǔ)的語音加密傳輸技術(shù)受到人們關(guān)注。G.729A是G.729(共軛結(jié)構(gòu)代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測編碼方案CS-ACELP)的簡化方案，降低了計算的復(fù)雜度以便于實時實現(xiàn)。美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)在眾多的分組密碼中經(jīng)過三輪篩選，選中Rijndael算法作為高級數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)。

本文基于G.729A和AES，結(jié)合Nios II設(shè)計了一種語音加密傳輸系統(tǒng)，對通信內(nèi)容進(jìn)行加密，有效防止了因通話內(nèi)容被竊聽而引起的泄密。

1 總體結(jié)構(gòu)

語音加密傳輸系統(tǒng)主要包括語音處理模塊、語音傳輸模塊、控制模塊及相應(yīng)語音輸入輸出設(shè)備。其中語音模塊由語音采集回放模塊、語音編解碼模塊、加解密模塊三部分組成。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)各部分功能如下。

語音加密傳輸總體設(shè)計示意圖

圖1 語音加密傳輸總體設(shè)計示意圖

(1)語音采集回放模塊：此模塊實現(xiàn)語音的采集及回放，一方面，此模塊接收由麥克傳來的模擬語音，通過A/D轉(zhuǎn)換，生成數(shù)字語音；另一方面，此模塊接收來自語音編解碼器傳來的解壓過的語音數(shù)據(jù)，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，將數(shù)字語音還原成模擬語音，經(jīng)揚聲設(shè)備輸出。

(2)語音編解碼模塊：對語音進(jìn)行編解碼，就是通過對語音的壓縮與還原，能在較低速率下傳送優(yōu)質(zhì)的語音。語音編解碼器包括編碼器與譯碼器。編碼器對采集回放模塊傳來的原始數(shù)字語音信息進(jìn)行處理，對數(shù)字語音信號進(jìn)行分析，提取語音參數(shù)，將壓縮后的數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)加密模塊。譯碼器的作用是接收來自數(shù)據(jù)加解密模塊的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的解壓，把這些數(shù)據(jù)恢復(fù)成原始的數(shù)字語音信息，再傳送至語音采集回放模塊。

(3)加解密模塊：語音加解密模塊是保證語音通信安全的核心。加解密模塊接收來自數(shù)字語音解壓縮器的數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行加密，然后發(fā)送至通信傳輸模塊，將數(shù)據(jù)通過調(diào)制解調(diào)器傳送至公共電話網(wǎng)；同時，加解密模塊要接收來自通信模塊的數(shù)據(jù)，將其解密后傳送至數(shù)字語音解壓縮器，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解壓。

(4)通信傳輸模塊：在控制模塊的控制下，當(dāng)系統(tǒng)一方的控制模塊檢測到撥號信息或者接收到另一方請求時，與對方完成互聯(lián)；在雙方建立連接的基礎(chǔ)上，通信傳輸模塊將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以在公共電話網(wǎng)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，進(jìn)行加密語音數(shù)據(jù)的傳輸。

(5)Nios II系統(tǒng)控制模塊：當(dāng)通信一方發(fā)起或者接收到通信請求時，Nios II系統(tǒng)控制模塊控制整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行，使通信雙方能夠安全地通信。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件功能模塊設(shè)計

本設(shè)計以Nios II微處理器為核心，實現(xiàn)語音采集回放、數(shù)字語音編解碼和加解密等功能，通過調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了語音的加密傳輸。經(jīng)過對設(shè)計的研究與分析，結(jié)合DE1開發(fā)板，將整個系統(tǒng)硬件劃分為語音處理模塊和語音傳輸模塊，系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖2 系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)框圖