基于DSP的安全无线多媒体数字终端

时间：2011-06-11

　　1 系统概述

　　第三代（3G）无线通信技术将为蜂窝通信系统和个人通信系统提供真正意义上的宽带服务，服务商将提供更高水准的无线多媒体服务，包括数据、音频、视频和语音服务等。为了充分挖掘3G的多媒体通信潜力，系统开发者需要一种新型的软件和硬件技术。较目前而言，硬件平台必须具有高性能，低功耗，高集成度等特点。由于它必须符合多媒体、移动操作系统和终端用户等标准，还必须符合较大范围的变化，因此编程必须具有较大的灵活性。

　　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。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、8×8键盘和128×64蓝屏液晶。芯片ZLG7289B用于键盘扫描管理，液晶的驱动采用MEGA16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、RC5、KASUMI和可配置参数的LSB信息隐藏算法。

　　整个系统的信号传输模型如图1-1所示。

　　图1-1 系统传输模型

　　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。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。而且方案二更适合于无线移动通信，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。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。

　　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。Speex主要面向Internet上的VoIP(Voice over Internet Protocol)语音通信。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，且信道完够保证通信质量，理论上，上述2种方案都适用。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，因此我们终选用PCM编码。

　　3 系统的实现

　　3.1 硬件实现

　　3.1.1 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。