數字語音加密通信系統的硬件設計

1.系統總體設計

該系統主要由語音編解碼模塊、加密模塊這兩大模塊組成，系統框圖如圖1所示。在發送端，系統首先將接收到模擬語音信號經A/D轉換芯片轉換成數字信號，而后編解碼芯片對轉換后的數字語音信號進行壓縮編碼輸出給加密模塊，最后加密模塊完成對信號的加密操作。在接收端，系統對信號的處理流程與發送端相反。

2.各模塊設計

2.1 編解碼模塊

在此模塊中，本文采用AD73311模數/數模轉換器芯片和AMBE-2000語音壓縮/解壓芯片對輸入的語音信號進行編解碼。

AD73311是美國AD公司推出的低成本、低功耗的數模轉換器件。它具有可變增益的輸入、輸出放大器，采樣頻率可通過編程改變，小的轉換群延時，允許8個芯片級聯，自身帶參考電壓和低功耗等許多優良特性，可廣泛應用于信號處理、無線通信、數據通信等領域。

AD73311包括四個部分：A/D轉換通道，D/A轉換通道，串行輸入/輸出端口和片內參考電壓電路。有5種工作模式：程序模式、數據模式、混合模式、模擬環路模式、數字環路模式。其中前三種是正常的工作模式；后兩種是調試模式，僅在調試時使用。

AD73311啟動或者重置后即工作于程序模式，此時可以通過串口往芯片內的控制寄存器寫控制字，來設定工作狀態。設定完成后，寫“進入數據模式”的命令進入數據模式，此時AD73311串行口輸出的是A/D轉換的16位數據，輸入的是D/A轉換的16位數據。AMBE-2000是一種高性能、低功耗的單片實時語音壓縮解壓芯片，其壓縮率可在2kbps～9.6kbps范圍內由軟件調節，且具有FEC（前向糾錯）、VAD（語音激活檢測）功能和DTMF信號檢測功能。AMBE2000可以分為兩個獨立的元件-編碼器和解碼器。編碼器從語音串行接口接收8KHZ的語音采樣數據流（16位線性，8位A律，8位μ率）并且在給定速率下輸出通道數據流。解碼器接收通道數據流，然后合成語音數據流。AMBE-2000編碼器和解碼器接口時序是完全異步的。語音串行接口接A/D、D/A轉換器，我們選用的AD73311轉換器配合AMBE2000使用，在實際應用中取得了良好的效果。如圖2所示是AMBE2000與AD73311的連接圖。

語音信號經過AD73311轉換后的數據和控制信息，以串行的方式送到聲碼器。聲碼器中的編碼器接收到8KHZ的采樣數據流，然后輸出壓縮數據流給解碼器；解碼器對其進行解壓縮，同樣輸出8KHZ的語音數據流，該數據流隨后進入AD73311進行D/A轉換，并以差分的形式輸出原始的語音信號。

2.2 加密模塊

該模塊以AT89C51單片機為核心來完成對數據的加解密操作。它接收到來自AMBE-2000的數據后用設計好的加解密算法對其進行加解密操作。為確保數據通信的保密性，加解密算法的設計是關鍵。本文所設計的加密的算法是，讓輸入的語音信號與一個混沌序列進行模2運算，即：Yt=Xt茌St其中，St為發送端的數字語音信號，Xt為發送端的混沌加密序列，Yt為加密后的信號。解密算法是，讓經加密處理后的語音數字信號與同樣一個混沌序列進行模2運算。即：Sr=Yr茌Xr；Yr=St+Nr其中，Sr為解密后的語音信號，Yr為接收端收到的加密信號，Nr為通道噪聲。顯然，當收方與發方采用同一初始條件相同的混沌系統時，Xt=Xr；若雙方在通信過程中信號傳輸無誤，Nr=0，則有St=Sr，此時信號得以還原。

混沌序列的生成：

一類非常簡單卻被廣泛研究的動力系統是Logistic映射，其定義如下：

Xk+1=μXk（1-Xk）

其中，0<μ≤4稱為分支參數，Xk∈（0，1）。當3.5699…<μ≤4時，Logistic映射工作于混沌態。也就是說，由初始值Xk在Lo-gistic映射的作用下所產生的序列j是非周期的、不收斂的，并對初始值非常敏感。由于Xk∈（0，1），因此在計算機中采用浮點運算。但在實際的應用中，浮點數運算內存需求大，運算速度慢。又由于單片機對浮點數的運算能力十分有限，用此生成序列幾乎難以實現數字語音信號加密的實時性。研究發現，我們可以通過關系式（1）：

使混沌序列的浮點迭代過程變為適合單片機指令的整點迭代過程。轉換過程如下：

從上式可知：X是十進制整數。由此就完成了從小數到整數的轉換。該方法運算量明顯小于浮點運算，它降低了對計算精度的要求。加快了運算速度。從而降低了對硬件電路的要求。

結束語

在數字語音加密通信系統中，最重要的是加解密密鑰的產生，本文所采用的混沌序列生成方法，減少了運算量，加快了運算速度，降低了對硬件電路的要求。使得加解密算法可在單片機上實現。理論分析表明，該系統很好地滿足了我們對語音保密通信的要求。

參考文獻

[1] AD73311 Datasheet，Analog Devices，Inc.，1998.

[2] AMBE-2000TM Vocoder Chip User'sManual Version 4.8，2007.

[3] Frey D R.Chaotic digital encoding：An ap-proach to secure communication.IEEE Trans.on CAS，1993；CAS-40（10）：660～666.