基于AMBE聲碼器、RSA保密機(jī)和Modem實(shí)現(xiàn)數(shù)字保密電話終端的設(shè)計(jì)

作者：趙力強(qiáng)，趙小冬，李璟

當(dāng)前使用的電話絕大多數(shù)仍屬于模擬式電話，很難保證通話內(nèi)容不被非法竊取。因此，人們提出數(shù)字保密電話的要求。在通信發(fā)送端先經(jīng)過語(yǔ)音編碼設(shè)備將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；然后，再經(jīng)過數(shù)字保密機(jī)進(jìn)行加密?，F(xiàn)在的模擬電話網(wǎng)并不支持直接傳輸數(shù)字信號(hào)。經(jīng)加密的數(shù)字化語(yǔ)音還需要經(jīng)過Modem，調(diào)制成模擬信號(hào)再傳送給對(duì)方。在接收端需要先進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出加密的數(shù)字化語(yǔ)音，再進(jìn)行解密。然后，將數(shù)字信號(hào)還原成模擬語(yǔ)音信號(hào)。相應(yīng)的轉(zhuǎn)換過程就是語(yǔ)音編/解碼、數(shù)字加/解密、調(diào)制/解調(diào)。

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字保密電話終端設(shè)備主要包括三個(gè)組成模塊：AMBE聲碼器、RSA保密機(jī)、Modem，如圖1所示。

1 AMBE聲碼器

1985年，MIT的D. W. Griffin博士首先提出了多帶激勵(lì)（MBE）編碼算法。1997年美國(guó)數(shù)字聲音系統(tǒng)（DVSI）公司推出了基于AMBE（改進(jìn)的MBE）算法的、數(shù)據(jù)速率從2.4kbps~9.6kbps的單片語(yǔ)音編碼器（AMBE-1000TM）。AMBE編碼器技術(shù)在商業(yè)化領(lǐng)域取得了很大的成功。

2.4kbps~9.6kbps AMBE聲碼器的硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。該聲碼器采用一片AMBE-1000TM完成語(yǔ)音的分析和合成處理。A/D & D/A模塊采用一片MC14LC5480完成模/數(shù)及數(shù)/模的轉(zhuǎn)換。

一般，語(yǔ)音信號(hào)的頻率范圍為80Hz~8000kHz。采樣前先對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行預(yù)濾波處理，其目的有兩個(gè)：首先用低通濾波器限制信號(hào)中的頻域分量超過采樣頻率一半的部分，以防止信號(hào)混疊干擾；其次用高通濾波器抑制50Hz的電源干擾。

AMBE-1000TM通過一個(gè)串行接口從A/D 變換器接收數(shù)字化語(yǔ)音，經(jīng)編碼壓縮后，通過AMBE-1000TM的信道接口發(fā)送給RSA保密機(jī)。同時(shí)，AMBE-1000TM通過信道接口接收壓縮的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過AMBE-1000TM解碼器的處理，還原出數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)。D/A變換后，得到模擬語(yǔ)音信號(hào)。

2 基于DSP的RSA保密機(jī)

密碼的破譯，實(shí)際上取決于破譯者采用的攻擊方法在計(jì)算機(jī)上編程實(shí)施時(shí)所需的計(jì)算時(shí)間（時(shí)間復(fù)雜性）和占用的硬件資源（空間復(fù)雜性）。表1給出采用廣義數(shù)域篩分解不同長(zhǎng)度RSA公鑰模所需的計(jì)算機(jī)資源。

MIPS－年指以每秒執(zhí)行1，000，000條指令的計(jì)算機(jī)執(zhí)行一年。如果要求保密時(shí)間大于24小時(shí)，那么公鑰模的長(zhǎng)度應(yīng)不小于192bits。

RSA保密機(jī)的硬件開發(fā)平臺(tái)采用TMS320C50。如果公鑰模n為192bit，那么，在最惡劣的情況下，一次加/解密運(yùn)算中，需要2×191=382次192bit×192bit的乘法運(yùn)算。TMS320C50提供16bit×16bit的硬件乘法器和32bit+32bit的加法器。因此，完成一次192bit×192bit的乘法運(yùn)算，需要12×12=144條乘法指令和12條加法指令。RSA保密機(jī)采用了一種快速加/解密算法，完成一次加/解密運(yùn)算需要55008條乘法指令和4584條加法指令。TMS320C50的處理能力是25MIPS，完成一次加/解密運(yùn)算所需的時(shí)間約為3ms。顯然，加/解密的延時(shí)不會(huì)對(duì)語(yǔ)音質(zhì)量造成太大的影響。

3 Modem

Modem的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包含兩個(gè)部分：數(shù)據(jù)處理器 （RC9624DP）即Modem的主芯片，主要完成數(shù)據(jù)的調(diào)制和解調(diào)功能；控制器（TMS320C50），主要完成基本數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（V.22bis）功能。

Modem芯片RC9624DP支持多種Modem通信協(xié)議，如表2所示。

當(dāng)RSA保密機(jī)接收到AMBE聲碼器的信幀時(shí)，首先，需要解幀。信幀中的控制信息在整個(gè)通信過程中并不改變，可以預(yù)先在接收端的AMBE聲碼器中設(shè)置好，因此，不必傳送。其次，RSA保密機(jī)對(duì)語(yǔ)音信息進(jìn)行加密。最后打包。打包，主要指加入群同步頭，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音流的群同步。

接收端的RSA保密機(jī)在接收到信包后，首先需要解包。解包，主要指識(shí)別群同步頭。只有找到了群同步頭，才能識(shí)別密文分組。才能進(jìn)行解密運(yùn)算，恢復(fù)明文。最后，RSA保密機(jī)需要將明文信息按照AMBE聲碼器的幀結(jié)構(gòu)重新裝訂，才能發(fā)送給AMBE聲碼器。

目前，市場(chǎng)上已有多種保密電話產(chǎn)品。采用模擬加密方式，保密性差，不適合技術(shù)的發(fā)展；采用強(qiáng)加密技術(shù)，保密性好，但價(jià)格昂貴。

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