基于Nios II的语音加密传输系统设计

　摘 要： 设计并实现了一个基于Nios II的语音加密传输系统。介绍了进行语音信号处理的功能模块，包括语音采集回放模块、基于G.729A的语音压缩与解压缩模块和基于AES的数据加解密模块。在控制模块的协调下，使得语音数据通过MODEM能够在公共电话网中安全地传输，实现了语音的保密通信。

由于缺乏保密措施，使得电话窃听事件不断发生，严重威胁着个人隐私、军事商业秘密甚至地区或国家的信息安全。因此，以语音压缩和数据加密为基础的语音加密传输技术受到人们关注。G.729A是G.729(共轭结构代数码本激励线性预测编码方案CS-ACELP)的简化方案，降低了计算的复杂度以便于实时实现。美国国家标准和技术研究所(NIST)在众多的分组密码中经过三轮筛选，选中Rijndael算法作为高级数据加密标准(AES)。

本文基于G.729A和AES，结合Nios II设计了一种语音加密传输系统，对通信内容进行加密，有效防止了因通话内容被窃听而引起的泄密。

1 总体结构

语音加密传输系统主要包括语音处理模块、语音传输模块、控制模块及相应语音输入输出设备。其中语音模块由语音采集回放模块、语音编解码模块、加解密模块三部分组成。系统总体设计如图1所示，系统各部分功能如下。

语音加密传输总体设计示意图

图1 语音加密传输总体设计示意图

(1)语音采集回放模块：此模块实现语音的采集及回放，一方面，此模块接收由麦克传来的模拟语音，通过A/D转换，生成数字语音；另一方面，此模块接收来自语音编解码器传来的解压过的语音数据，经过D/A转换，将数字语音还原成模拟语音，经扬声设备输出。

(2)语音编解码模块：对语音进行编解码，就是通过对语音的压缩与还原，能在较低速率下传送优质的语音。语音编解码器包括编码器与译码器。编码器对采集回放模块传来的原始数字语音信息进行处理，对数字语音信号进行分析，提取语音参数，将压缩后的数据送到数据加密模块。译码器的作用是接收来自数据加解密模块的数据，经过对数据的解压，把这些数据恢复成原始的数字语音信息，再传送至语音采集回放模块。

(3)加解密模块：语音加解密模块是保证语音通信安全的核心。加解密模块接收来自数字语音解压缩器的数据，并对其进行加密，然后发送至通信传输模块，将数据通过调制解调器传送至公共电话网；同时，加解密模块要接收来自通信模块的数据，将其解密后传送至数字语音解压缩器，进行数据的解压。

(4)通信传输模块：在控制模块的控制下，当系统一方的控制模块检测到拨号信息或者接收到另一方请求时，与对方完成互联；在双方建立连接的基础上，通信传输模块将数据转换为可以在公共电话网上传输的数据，进行加密语音数据的传输。

(5)Nios II系统控制模块：当通信一方发起或者接收到通信请求时，Nios II系统控制模块控制整个系统的协调运行，使通信双方能够安全地通信。

2 系统设计

2.1 硬件功能模块设计

本设计以Nios II微处理器为核心，实现语音采集回放、数字语音编解码和加解密等功能，通过调制解调器进行数据交换，实现了语音的加密传输。经过对设计的研究与分析，结合DE1开发板，将整个系统硬件划分为语音处理模块和语音传输模块，系统总体硬件结构框图如图2所示。

系统总体硬件结构框图

图2 系统总体硬件结构框图