GSM手机端到端安全加密通信系统(08-100)

　　此外，为了实现作品能够通过手机的语音接口实现即插即用，我们对手机配件的耳麦线路进行了改造。

　　整个语音加解密软件包括语音分解算法模块，语音加解密算法模块，类语音合成算法模块三部分。其中语音分解帧大小为20ms，加解密处理帧数为28，最后实现抗RPE-LTP压缩的语音加解密。语音信号同步模块用于为加密后的语音提供同步。我们选取一帧正弦波序列作为同步头，每196帧数据插入一帧同步头序列，在接收端用相同正弦波序列进行检测。

　　此外，我们通过减小加解密算法的复杂度并采用DMA技术以减小通话时延。回声抑制和自适应同步检测算法的应用可以提高通话语音的质量。

　　6 结果与测试

　　本作品测试时需两部手机，测试地点需有中国移动或中国联通的信号覆盖。测试工具为Cool Edit软件以及matlab软件，前者主要用于录音及时域分析，后者则用于频域分析。

　　测试点位置参见图6.1。其中的语音加密模块包含了语音分解、加密和合成算法。我们对抽样量化后的语音A、加密后的语音B、经RPE-LTP编解码后的语音C，以及解密后的语音D分别进行了测试比较。

　　图6.1 语音加密算法测试流程图

　　6.1 加密语音剩余可懂度

　　比较A处和B处的语音波形，可以看出加密后语音与原始语音有很大差别。通过比较B处和C处的语音波形，可以看出加密语音通过RPE-LTP编码器过后的变化不是很大，可见本作品的加密算法具有抗RPE-LTP压缩编码特性。

　　我们请了10位同学(5男5女)每人阅读5段不同的短文，并在阅读的同时对加密语音中可以听懂的字数进行了统计。

　　结果说明加密语音剩余可懂度小于0.12%。

　　6.2解密语音可懂度

　　通过A、D两处语音实测波形图比较可知，在时域上和频域上失真度均不是很大。

　　同样，我们请了10位同学(5男5女)每人阅读5段不同的短文，并在阅读的同时对解密语音中可以听懂的字数进行了统计。

　　结果说明解密语音可懂度大于99.8%。

　　6.3其他指标

　　加密强度方面，由于我们作品最终选取的参数为加密处理帧数28帧，有效FFT点数为87，利用前述加密强度的公式 ，可以得到本算法加密强度为2.23×1033，这与3DES算法的强度相当。

　　本作品对通话接通率基本没有影响，较之基于数据信道技术的手机要高出很多。

　　本作品的接通延迟为5~6秒，通话延迟为0.6~0.7秒，较之基于数据信道技术的手机延迟性能有明显改善。

　　7 总结

　　本作品的创新点与特色主要体现在以下几方面：

　　* 设计了一种基于语音信道抗RPE-LTP压缩编码的加解密算法，实现端到端安全加密通信，克服了基于数据信道技术的缺点;

　　* 结合DSP开发板和自制的语音编解码拓展电路板，可实现全双工通信;

　　* 外挂式设计使得作品通过手机语音接口实现即插即用;

　　* 作品通话延迟小，加密强度大，解密语音可懂度高;

　　* 作品网络兼容性强，可跨越不同运营商的不同网络;

　　* 作品网络拓展性强，可以修改适用到3G系统当中;

　　* 无需对手机和核心网络结构进行改造, 不依赖于具体手机，移植性强;

　　* 用户不需要额外开通业务，运营商可使用原有的语音资费标准;

　　若能在硬件上集成化、芯片化，制成一种GSM端到端语音加解密模块，针对手机的语音接口即插即用，就可以很容易实现实用化和产业化，因此本作品具有很好的使用价值。

　　参考文献：

　　[1] 杨义先，钮心忻.无线通信安全技术.北京：北京邮电大学出版社，2005.

　　[2] 虞忠辉.GSM蜂窝移动通信系统安全保密技术.通信技术，No.12, 2003. P139-143

　　[3] GSMK CryptoPhone 200 Secure Tri-Band GSM Phone说明书

　　[4] Sridharan, S.; Dawson, E.; Goldburg, B.; Fast Fourier transform based speech encryption system.Communications, Speech and Vision, IEE Proceedings，Volume 138, Issue 3, June 1991 Page(s):215 – 223.

　　[5] 李双勋，欧建平.TLV320AIC23在音频处理中的应用.国外电子元器件，2003 年第10期 p16-19

　　[6] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC55x系列DSP的CPU与外设.北京：清华大学出版社，2005

　　[7] Texas Instruments Incorporated.TMS320C55x系列DSP指令系统、开发工具与编程指南.北京：清华大学出版社，2007

　　[8] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5509A Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual.2005

　　[9] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509/5510 DSP Multi-channel Buffered Serial Port (McBSP) Reference Guide.2005

　　[10] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5503/5507/5509/5510 DSP Direct Memory Access (DMA) Controller Reference Guide.2007

　　[11] Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5501/5502/5503/5507/5509 DSP Inter-Integrated Circuit (I2C) Module Reference Guide.2005

　　[12] Texas Instruments Incorporated.TLV320AIC23B Data Manual.2004

　　GSM手机端到端安全加密通信系统(200字)点评

　　该作品从手机用户的输入输出端入手，将语音信号在采集端进行加密，在安全通讯中有创意。作品从实时传输角度设计语音加解密算法，以及有效的同步传输机制，完成程度好。在测试中加密语音剩余可懂度小于0.12%，解密语音可懂度高达99.8%，安全性高。作品充分有效地利用了竞赛所提供的硬件设备。作品保障了在通讯过程的安全性，无需改动原手机终端，实现了透明的语音安全通讯，有很好的实用价值。