1 系統(tǒng)概述

　　第三代（3G）無線通信技術(shù)將為蜂窩通信系統(tǒng)和個(gè)人通信系統(tǒng)提供真正意義上的寬帶服務(wù)，服務(wù)商將提供更高水準(zhǔn)的無線多媒體服務(wù)，包括數(shù)據(jù)、音頻、視頻和語音服務(wù)等。為了充分挖掘3G的多媒體通信潛力，系統(tǒng)開發(fā)者需要一種新型的軟件和硬件技術(shù)。較目前而言，硬件平臺(tái)必須具有高性能，低功耗，高集成度等特點(diǎn)。由于它必須符合多媒體、移動(dòng)操作系統(tǒng)和終端用戶等標(biāo)準(zhǔn)，還必須符合較大范圍的變化，因此編程必須具有較大的靈活性。

　　本設(shè)計(jì)利用DSP開發(fā)板的強(qiáng)大運(yùn)算能力，實(shí)現(xiàn)了多種需要進(jìn)行大量運(yùn)算的信息安全算法。整個(gè)設(shè)計(jì)基于ICETEK-VC5509-A開發(fā)板，系統(tǒng)的硬件部分還外加了無線射頻模塊nRF24L01、8×8鍵盤和128×64藍(lán)屏液晶。芯片ZLG7289B用于鍵盤掃描管理，液晶的驅(qū)動(dòng)采用MEGA16單片機(jī)，整個(gè)系統(tǒng)不但實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的保密語音通信，還具有良好的人機(jī)交互功能。

　　系統(tǒng)利用上電到輸入密碼時(shí)間的不確定性，隨機(jī)生成用戶私鑰，通過Diffie-Hellman密鑰交換體制(ECC實(shí)現(xiàn))生成會(huì)話密鑰。為了提高保密通信的安全性和靈活性，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可供選擇4種加密算法AES、RC5、KASUMI和可配置參數(shù)的LSB信息隱藏算法。

　　整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)傳輸模型如圖1-1所示。

　　圖1-1 系統(tǒng)傳輸模型

　　2 方案設(shè)計(jì)與比較

　　2.1 系統(tǒng)安全方案

　　方案一：預(yù)置密鑰，定期更換密鑰，用對(duì)稱密碼體制進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。PC機(jī)通過USB向終端預(yù)置密鑰，通信時(shí)采用預(yù)置的密鑰進(jìn)行對(duì)稱加密。統(tǒng)的安全性在一定程度上依賴于密鑰的更新周期，而在實(shí)際應(yīng)用中，縮短密鑰的更新周期比較麻煩。

　　方案二：密鑰交換基于公鑰密碼體制，數(shù)據(jù)加密基于對(duì)稱密碼體制。A使用自己的私鑰和B的公鑰生成會(huì)話密鑰，B通過自己的私鑰和A 的公鑰生成會(huì)話密鑰，且會(huì)話密鑰相同。通信結(jié)束后清除該次生成的私鑰、公鑰和會(huì)話密鑰，下次開機(jī)則重復(fù)上述會(huì)話密鑰的生成過程。

　　方案二的實(shí)現(xiàn)較方案一更為復(fù)雜。但考慮到方案二的安全性更高，且方案二在保證會(huì)話密鑰安全性的前提下，有效的縮短了會(huì)話密鑰的生存期，提高通信的安全性。而且方案二更適合于無線移動(dòng)通信，因此我們采用方案二。

　　2.2 語音編碼方案

　　方案一：采用G.721編碼。它結(jié)合了ADM的差分信號(hào)與PCM的二進(jìn)制碼方法，是一種性能較好的波形編碼。ADPCM的復(fù)雜度較低，編碼前后的壓縮比為4比1，其主要思想是用差值代替。

　　方案二：采用基于碼激勵(lì)線性預(yù)測(cè)算法的開源語音編解碼Speex。Speex主要面向Internet上的VoIP(Voice over Internet Protocol)語音通信。Speex可以在同一個(gè)比特流中對(duì)語音信號(hào)實(shí)現(xiàn)窄帶(8kHz)、寬帶(16kHz)和超寬帶(32kHz)的壓縮;壓縮比能夠達(dá)到16比1。Speex雖然有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是Speex編解碼算法復(fù)雜，運(yùn)行該算法需要的硬件配置較高。

　　我們所用的射頻模塊的傳輸碼速率為2Mbps，且信道完夠保證通信質(zhì)量，理論上，上述2種方案都適用。speex編解碼需要大量的浮點(diǎn)計(jì)算，我們使用的開發(fā)板為TIC55XX系列的定點(diǎn)DSP，實(shí)現(xiàn)speex編解碼耗時(shí)較多;再者，speex編/解碼所能處理的幀長為160個(gè)樣點(diǎn)，因此，會(huì)帶給系統(tǒng)很大的延遲。G.721編解碼能夠?qū)崿F(xiàn)基本的語音通信，但通信質(zhì)量一般，再考慮到本系統(tǒng)以語音信號(hào)作為信息隱藏的載體，經(jīng)語音編解碼之后不能還原隱藏信息，因此我們終選用PCM編碼。

　　3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　3.1 硬件實(shí)現(xiàn)

　　3.1.1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

　　終端的硬件架構(gòu)圖如圖4-1所示，主要由ICETEK—VC5509—A評(píng)估板、nRF24L01射頻模塊、128×64液晶、8×8鍵盤、MEGA16單片機(jī)控制模塊組成。

　　圖4-1 硬件架構(gòu)圖

　　3.1.2 射頻收發(fā)模塊

　　射頻模塊采用nRF24L01，其電路圖如圖4-2所示。

　　圖4-2 射頻模塊電路圖

　　3.1.3 鍵盤掃描電路

　　我們使用鍵盤掃描管理芯片ZLG7289B[18]來進(jìn)行鍵盤的管理。ZLG7289B可同時(shí)掃描多達(dá)64只按鍵。其電路圖如圖4-3所示。

　　圖4-3 鍵盤掃描電路圖

　　3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語言，所有的程序是在CCStudio v3.3環(huán)境下開發(fā)的。主程序流程圖如圖4-4所示。

　　圖4-4 主程序流程圖

　　4 特色與創(chuàng)新

　?、?60位私鑰的ECC算法實(shí)現(xiàn)Diffie-Hellman密鑰交換；

　?、?一鍵即通的語音保密通信；

　?、?4種加密算法任意選擇的保密通信；

　?、?實(shí)現(xiàn)鍵盤編輯短信并加密傳輸；

　?、?可配置參數(shù)的信息隱藏傳輸；

　　⑹ 收發(fā)機(jī)動(dòng)態(tài)協(xié)商進(jìn)行跳頻通信；

　　⑺ 實(shí)現(xiàn)了USB的驅(qū)動(dòng)，PC機(jī)和開發(fā)板直接通信；

　　⑻ 藍(lán)色液晶屏幕顯示，人機(jī)界面友好；

　?、?射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)了2.4G的無線通信。