语音通信保密系统设计

    现在的社会是一个高度信息化的社会，手机、可视电话、多媒体、网上视频聊天等多种语音视频通信方式日益普及化。伴随而来的是通信安全问题，随着当今社会通信技术的发展，远程监听、盗听等一系列安全问题不断出现，如何有效地保护好语音通信的安全、防止信息被窃听成为了时下人们讨论以及研究的焦点，因此，针对这些问题，各种语音保密电路以及加密器件应运而生。如今，通信保密技术已经广泛应用于民间通信与军事科技通讯中。
    本文从低成本角度考虑，以51单片机为核心，设计一个能够为一般通信装置进行通信活动提供安全保障的语音通信保密系统。该系统可以通过设置密钥，来确保通信内容的语音发送加密和语音接收解密，保障在两个通信设备之间通信时，通过该系统的保障，可以防止语音内容在网络上被其他通信系统所拦截窃听。

1 总体方案设计
    总体方案是通过保密总开关控制系统实现通信过程中的保密控制，整个系统可以实现普通通信和保密通信两种功能。语音通信保密设计的总体系统框图如图1所示。其具体设计思路是：由单片机及一些外围元件组成的保密电路模块，一个作为保密模块的发送端，一个作为保密模块的接收端。在语音通信过程中，发送装置的语音信号经保密模块的发送端与接收端再到语音接收装置，在发送端与接收端之间用窃听装置窃听。只要系统启用保密控制开关，那么系统将进入保密通信之中，窃听者只能听到失真的语音，这样就达到了系统的功能。

2 系统硬件设计
    语音通信保密系统主要由语音保密模块、发送端单片机模块、接收端单片机模块及相关显示功能电路组成。
2．1 语音保密模块电路设计
    语音保密模块在通信保密系统中主要负责对模拟的语音信号进行置乱与去乱的技术。模块采用日本AKM开发的AK2356，这是一种专门用于电话通信保密的基于CMOS工艺的集成电路芯片，24个引脚，有直插式的也有贴片式的，随后又发展成了不同型号，该芯片采用频率倒置这种语音保密技术，即把语音信号的高频部分和低频部分进行交换，在主频确定的情况下，可以改变载频控制开关(13脚和14脚)的状态来选择四种不同的频率，从而实现语音加密。AK2356通过与一些外围元件的组合形成了基本通用型保密电路模块，其具体电路图如图2所示。

2．2 发送端单片机模块电路设计
    上述构建的语音保密模块虽然能实现通信的保密功能，但由于仅有4种语音加密方式，容易被破译，为了克服这种问题，引入单片机系统来随机产生随机同步密钥，控制语音保密模块从而实现动态加密。
    从成本等角度考虑，选用了STC89C51这种低功耗、高性能8位微型控制器，再加上一些外围所需的元件以及与AK2356相连接所需的控制端口，即完成了发送端单片机模块电路设计。单片机P1．1、P1．2口分别连接芯片AK2356的两个频率选择开关，同时又分别连接两个LED灯，通过LED灯的亮暗来显示究竟使用了哪一种调制、解调频率。单片机P2．0口作为加密控制开关，通过按下与否来表示是否使用语音加密功能。一旦系统使用了加密功能，P2．0口按下，单片机内部程序检测到P2．0口被按下，那么与AK2356加密控制端连接的P2．1口就会起作用，使芯片AK2356处于语音加密状态。单片机P3．2口用于发送同步码。
2．3 接收端单片机模块电路设计
    单片机的P1．1、P1．2口还是分别连接芯片AK2356的频率选择开关，同样在P1．1、P1．2口可以分别连接两个LED灯，通过LED灯的亮暗来显示究竟使用了哪一种调制、解调频率。P2．0口用于控制AK2356加密控制端，而单片机的P3．0以及P3．1口通过内部程序用来检测并接收发送端单片机模块电路产生的同步码。

3 系统软件设计
    为了系统调试的方便性，系统软件方面主要包含发送端子程序、编码发送子程序、同步码子程序、接收端子程序等几部分独立模块的设计，系统软件结构图如图3所示。

    在要进行保密通信的过程中，保密发送端的单片机通过不断调用键盘扫描程序对单片机的P2．0口进行实时扫描，若扫描到其为低电平，则说明保密控制按键被按下，然后单片机的P2．1口会置为低电平，即启动语音加密，接下来系统会对AK2356的两个频率选择开关进行随机置位，单片机随即会读出两个频率选择开关的电平值，根据两者的电平状态来选取对应的脉冲编码数目，然后执行编码发送程序发送同步码信息，最后由单片机的P3．2口发送同步脉冲信号。

    若检测到处于加密状态时，将根据单片机读出的两电平值所对应的脉冲编码个数赋给寄存器进行发送，同步码头宽度设为6 ms。让寄存器进行减1操作，不断循环减1，当检测到寄存器中的值为0，即脉冲个数全部发完时，则置6 ms高电平作为结束码。
    通过单片机产生随机码，寄存器A中的值一直在进行加1操作，将A中的值赋给P1口，那么P1口的P1．1以及P1．2中的值就是随机的，会出现4种可能情况。根据P1．1以及P1．2口电平高低的情况选择一种同步码然后发送。
    接收端接收同步码信息时，为了防止误差的干扰，首先需要对接收的脉冲宽度进行检测，由单片机的P3．1和P3．2口进行检测。假设接收的码头脉宽为4 ms，若码头脉宽小于4 ms，则视为无效码，否则将继续执行接下去的程序，对低电平脉冲计数并赋给累加器A。当结束码的码宽大于6ms时，则意味着接收操作结束。最后依据A中脉冲的数目来执行相应操作，这样就完成了随机的加密与同步通话功能。

4 实验测试结果
    由于设计的系统主要是针对语音的通信保密，而语音的保密结果是听觉现象，而该现象效果不能很好的体现在文字中，为了说明系统的有效性，在此选用了图4所示的测试方案。

    人说话的语言频率大概在300～3 400 Hz之间，可以利用信号发生器产生300～3 400 Hz之间的任何一种频率信号，然后将这个频率信号接到制成的语音发送保密模块的话音输入端，再用示波器的两个通道分别接到发送语音保密模块的话音输入端以及接收语音模块的话音输出端，通过观察示波器上面显示的两个波形图来判断是否完成了语音的加密，这种测试效果比较直观。
    语音通信保密系统工作后，发送端单片机模块随机产生同步密钥，并不断更新，实现了动态加密，而接收端单片机模块通过接收和检测同步码信息后，及时更新密钥，保持了动态解密。图5所示即为保密状态实物图，左侧为发送端系统，右侧为接收端系统。

    信号发生器模拟声音的信号波形与接收端系统解密的信号波形如图6所示。由图6可知，两个波形基本上是差不多的，该系统处于正常通信保密状态，即发送与接收双方的频率调制、解调开关处于一致状态，处于同一密钥下，此时用耳机等扬声器听到的话音也能很好地反映出话音播放器所播放的原话音，说明该语音保密系统可以实现加密和解密功能。

    语音窃听装置如果在此通信保密系统正常工作时进行窃听，则将会听到的是一片杂音。图7给出了此时信号发生器模拟声音的信号波形与窃听者听到的信号波形对比情况，这进一步说明了设计的语音通信保密系统很好的实现语音通信保密功能。

5 结论
    针对目前通信过程中的语音泄密问题，从低成本角度考虑设计了该语音通信保密系统，包含发送端和接收端两个模块，主要采用单片机控制语音保密模块产生与接收随机密钥从而实现保密通信功能。为了验证该语音通信保密系统的正确性，采用信号发生器产生语言频率的模拟波形和语音播放两方面进行对比，实验结果表明此保密系统具有良好的保密和解密性能，稳定性高，且系统可以扩展为采用贴片芯片，从而使模块小型化，有较好的实际应用价值。