GSM手机端到端安全加密通信系统

简单的形式是这样的[4]：

M=N*(3400-300) / fs =3100N / fs(fs是采样频率)，表示频率在300~3400Hz内的点数，称为有效FFT点数。k1和r都是密钥，k1可以取与M互质并且小于M的自然数，r可以取小于M的自然数。

这样频域置乱的加密强度(本文中指密钥空间)就是M*f(M)(f(M)表示满足条件的k1的个数)。由此可见，采样频率一定，N的大小会影响该算法的加密强度，所以N的选取应该同时考虑运算速度和加密强度两方面的因素。

3.3 语音帧置乱

令M为明文信息，k2为算法密钥，由k2产生的加密矩阵为Pk2’， Qk2’为解密矩阵(即Pk2’-1)，C为密文，则有：

令分组长度为T，那么时域语音帧置乱的加密强度(密钥空间)为T!。由于我们采用的是两级加密技术，结合前面频域置乱，整个加密算法的加密强度(密钥空间)为M*f(M)*T!。

3.4 算法参数选择

通过大量实验研究，发现对测试结果有较大影响的因素有两个：语音分解帧尺寸和分组长度。我们主要选择语音分解帧长为5ms、10ms、20ms、分组长度为15帧、20帧、25帧共九种情况进行了研究分析。

通过测试和比较，发现以20ms作为语音分解帧长，加密语音可以基本解密恢复，而且所恢复的语音可以很好地满足人耳的可懂度要求。同时根据声码器的编解码原理，20ms作为单位帧长能保持信号的语音特性。因此本方案将选择20ms作为语音分解帧长。

对于分组长度(用n表示)，从整个加密算法的加密强度公式，可以发现n越大，算法的加密强度就越大，但考虑整个加解密系统的延时等因素，n必须取一个合适的值。通过大量仿真测试结果发现，分组长度取20或25可以在这对矛盾间取得一个好的平衡。

总之，本算法结合了语音信号处理和分组密码加密运算的特点，具有对RPE-LTP压缩编码很好的恢复性，其加密强度也可满足需求。

　　4 同步算法研究

对于一个通信系统而言，接收端的同步是一个必须考虑的问题;对于语音加解密系统而言，它将会直接关系到接收端解密的准确性。

要精确完成同步，考虑在语音帧中插入同步帧，对于同步帧有以下几点要求：

1)要求同步帧能顺利通过GSM的语音编码器，并且经过声码器后还能顺利被检测出来。

2)同步帧是插在数据帧中的，并不用于携带话音信息，所以如果同步帧取得较长，将会带来较大延时，影响通信系统的性能。因此在确保精确同步的情况下，同步帧应取的尽量短。

3)同步帧的波形经自相关运算后的峰值须足够高，以便和普通语音信号区别出来，否则会影响同步位置的判决，造成误判。

鉴于以上三点考虑，选择正弦波序列作为同步帧。正弦波序列能够顺利通过GSM系统的声码器不发生大的波形畸变。此外，正弦波序列的自相关函数峰值等参数符合作为同步帧的要求，能够在较短的长度内完成精确同步。对于同步帧的插入位置，采用在算法中固定下来的方式，在每个置乱单元的起始位置插入同步帧，较之随机插入的方法，简单但同样有效。

　　5 系统实现

系统具体实现分硬件和软件两部分，具体架构如图5.1所示：

　　图5.1 系统具体架构

为了实现全双工通信，我们设计并制作了一块拓展电路板，通过开发板拓展槽插口实现连接。两路语音通道均使用McBSP传输ADDA数据，开发板上语音芯片使用I2C总线初化，拓展板上的语音芯片采用McBSP时钟停止模式下的SPI总线进行初始化。

　　图5.2拓展板上AIC23B的接口示意图

　　图5.3 拓展音频模块实物图

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