基于DSP的安全无线多媒体数字终端
时间：03-03
来源：EDN
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1 系统概述
本设计利用DSP开发板的强大运算能力，实现了多种需要进行大量运算的信息安全算法。实现了开机用户认证、语音保密通信[1][2]、文字信息加密传输、信息隐藏传输[3]、跳频通信[4]、信息安全存储备份、定时锁机和终端销毁，七项安全功能。整个设计基于ICETEK-VC5509-A开发板，系统的硬件部分还外加了无线射频模块nRF24L01[5]、8×8键盘和128×64蓝屏液晶。芯片ZLG7289B[6]用于键盘扫描管理，液晶的驱动采用MEGA16[7]单片机，整个系统不但实现了高质量的保密语音通信，还具有良好的人机交互功能。
系统利用上电到输入密码时间的不确定性，随机生成用户私钥，通过Diffie-Hellman[8]密钥交换体制(ECC实现)生成会话密钥。为了提高保密通信的安全性和灵活性，系统实现了可供选择4种加密算法AES[9]、RC5[10]、IDEA[11]、KASUMI[12]和可配置参数的LSB[13]信息隐藏算法。我们自主开发实现了USB驱动[14]，使得开发板能够和PC机直接通信，这也为信息存储备份提供了便捷。除此之外，系统能够设定自动锁机的时间。
整个系统的信号传输模型如图1-1所示。
2 方案设计与比较
2.1 系统安全方案
方案一：预置密钥，定期更换密钥，用对称密码体制进行数据加密。PC机通过USB向终端预置密钥，通信时采用预置的密钥进行对称加密。统的安全性在一定程度上依赖于密钥的更新周期，而在实际应用中，缩短密钥的更新周期比较麻烦。
方案二：密钥交换基于公钥密码体制，数据加密基于对称密码体制。PC机通过USB向终端写入公钥算法的参数。开机后，A、B随机生成自己的私钥,计算得到自己的公钥，并向对方公开自己的公钥。A使用自己的私钥和B的公钥生成会话密钥，B通过自己的私钥和A 的公钥生成会话密钥，且会话密钥相同。通信结束后清除该次生成的私钥、公钥和会话密钥，下次开机则重复上述会话密钥的生成过程。
方案二的实现较方案一更为复杂。但考虑到方案二的安全性更高，且方案二在保证会话密钥安全性的前提下，有效的缩短了会话密钥的生存期，提高通信的安全性。另外，还可以通过PC机定期更新公钥参数。再加上方案二更适合于无线移动通信，符合我们的设计背景，因此我们采用方案二。
2.2 语音编码方案
方案一：采用G.721编码[15][16]。它结合了ADM的差分信号与PCM的二进制码方法，是一种性能较好的波形编码。ADPCM的复杂度较低，编码前后的压缩比为4比1，其主要思想是用差值代替绝对值。
方案二：采用基于码激励线性预测算法的开源语音编解码Speex[17][18]。Speex主要面向Internet上的VoIP(Voice over Internet Protocol)语音通信。其主要设计目标是为了提供高质量和低比特率的语音编码。Speex可以在同一个比特流中对语音信号实现窄带(8kHz)、宽带(16kHz)和超宽带(32kHz)的压缩;压缩比能够达到16比1。Speex虽然有诸多优点，但是Speex编解码算法复杂，运行该算法需要的硬件配置较高。
我们所用的射频模块的传输码速率为2Mbps，且信道完全能够保证通信质量，从理论上说，上述2种方案都适用。我们在DSP开发板上实现了speex和G.721的编解码，实际测试发现speex编解码会带来很大的延迟，原因在于speex编解码算法比较复杂。虽然我们已经最大程度的精简了speex算法，比如：将算法的复杂度置为最低、设置编解码质量参数为最低、关闭了VBR变波特率特性、关闭了知觉增强特性和AEC回声消除等特性，都不能解决延迟很大的问题。除此之外，speex编解码需要大量的浮点计算，我们使用的开发板为TIC55XX系列的定点DSP，实现speex编解码耗时较多;再者，speex编/解码所能处理的最小帧长为160个样点，因此，会带给系统很大的延迟。G.721编解码能够实现基本的语音通信，但通信质量一般，再考虑到本系统以语音信号作为信息隐藏的载体，经语音编解码之后不能还原隐藏信息，因此我们最终选用PCM编码。
4 系统的实现
4.1 硬件实现
4.1.1 系统硬件架构
终端的硬件架构图如图4-1所示，主要由ICETEK-VC5509-A评估板、nRF24L01射频模块、128×64液晶、8×8键盘、MEGA16单片机控制模块组成。
4.1.2 射频收发模块
射频模块采用nRF24L01，其电路图如图4-2所示。
4.1.3 键盘扫描电路
我们使用键盘扫描管理芯片ZLG7289B[18]来进行键盘的管理。ZLG7289B可同时扫描多达64只按键。其电路图如图4-3所示。
本设计利用DSP开发板的强大运算能力，实现了多种需要进行大量运算的信息安全算法。实现了开机用户认证、语音保密通信[1][2]、文字信息加密传输、信息隐藏传输[3]、跳频通信[4]、信息安全存储备份、定时锁机和终端销毁，七项安全功能。整个设计基于ICETEK-VC5509-A开发板，系统的硬件部分还外加了无线射频模块nRF24L01[5]、8×8键盘和128×64蓝屏液晶。芯片ZLG7289B[6]用于键盘扫描管理，液晶的驱动采用MEGA16[7]单片机，整个系统不但实现了高质量的保密语音通信，还具有良好的人机交互功能。
系统利用上电到输入密码时间的不确定性，随机生成用户私钥，通过Diffie-Hellman[8]密钥交换体制(ECC实现)生成会话密钥。为了提高保密通信的安全性和灵活性，系统实现了可供选择4种加密算法AES[9]、RC5[10]、IDEA[11]、KASUMI[12]和可配置参数的LSB[13]信息隐藏算法。我们自主开发实现了USB驱动[14]，使得开发板能够和PC机直接通信，这也为信息存储备份提供了便捷。除此之外，系统能够设定自动锁机的时间。
整个系统的信号传输模型如图1-1所示。
2 方案设计与比较
2.1 系统安全方案
方案一：预置密钥，定期更换密钥，用对称密码体制进行数据加密。PC机通过USB向终端预置密钥，通信时采用预置的密钥进行对称加密。统的安全性在一定程度上依赖于密钥的更新周期，而在实际应用中，缩短密钥的更新周期比较麻烦。
方案二：密钥交换基于公钥密码体制，数据加密基于对称密码体制。PC机通过USB向终端写入公钥算法的参数。开机后，A、B随机生成自己的私钥,计算得到自己的公钥，并向对方公开自己的公钥。A使用自己的私钥和B的公钥生成会话密钥，B通过自己的私钥和A 的公钥生成会话密钥，且会话密钥相同。通信结束后清除该次生成的私钥、公钥和会话密钥，下次开机则重复上述会话密钥的生成过程。
方案二的实现较方案一更为复杂。但考虑到方案二的安全性更高，且方案二在保证会话密钥安全性的前提下，有效的缩短了会话密钥的生存期，提高通信的安全性。另外，还可以通过PC机定期更新公钥参数。再加上方案二更适合于无线移动通信，符合我们的设计背景，因此我们采用方案二。
2.2 语音编码方案
方案一：采用G.721编码[15][16]。它结合了ADM的差分信号与PCM的二进制码方法，是一种性能较好的波形编码。ADPCM的复杂度较低，编码前后的压缩比为4比1，其主要思想是用差值代替绝对值。
方案二：采用基于码激励线性预测算法的开源语音编解码Speex[17][18]。Speex主要面向Internet上的VoIP(Voice over Internet Protocol)语音通信。其主要设计目标是为了提供高质量和低比特率的语音编码。Speex可以在同一个比特流中对语音信号实现窄带(8kHz)、宽带(16kHz)和超宽带(32kHz)的压缩;压缩比能够达到16比1。Speex虽然有诸多优点，但是Speex编解码算法复杂，运行该算法需要的硬件配置较高。
我们所用的射频模块的传输码速率为2Mbps，且信道完全能够保证通信质量，从理论上说，上述2种方案都适用。我们在DSP开发板上实现了speex和G.721的编解码，实际测试发现speex编解码会带来很大的延迟，原因在于speex编解码算法比较复杂。虽然我们已经最大程度的精简了speex算法，比如：将算法的复杂度置为最低、设置编解码质量参数为最低、关闭了VBR变波特率特性、关闭了知觉增强特性和AEC回声消除等特性，都不能解决延迟很大的问题。除此之外，speex编解码需要大量的浮点计算，我们使用的开发板为TIC55XX系列的定点DSP，实现speex编解码耗时较多;再者，speex编/解码所能处理的最小帧长为160个样点，因此，会带给系统很大的延迟。G.721编解码能够实现基本的语音通信，但通信质量一般，再考虑到本系统以语音信号作为信息隐藏的载体，经语音编解码之后不能还原隐藏信息，因此我们最终选用PCM编码。
4 系统的实现
4.1 硬件实现
4.1.1 系统硬件架构
终端的硬件架构图如图4-1所示，主要由ICETEK-VC5509-A评估板、nRF24L01射频模块、128×64液晶、8×8键盘、MEGA16单片机控制模块组成。
4.1.2 射频收发模块
射频模块采用nRF24L01，其电路图如图4-2所示。
4.1.3 键盘扫描电路
我们使用键盘扫描管理芯片ZLG7289B[18]来进行键盘的管理。ZLG7289B可同时扫描多达64只按键。其电路图如图4-3所示。
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