Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT

Bảo mật thoại biến đổi miền thao tác trên tập những hệ số biến đổi tuyến tính của những mẫu tín hiệu tiếng nói. Những biến đổi được sử dụng là DFT, DCT, FTH. Những biến đổi này thực hiện khối/khối. Bài báo này trình bày giải pháp sử dụng biến đổi chồng lấp trực giao MDCT bảo mật tín hiệu thoại thu được độ lợi về che dấu lỗi cỡ 1dB.

Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính Bảo mật thoại đầu cuối với mdct La Hữu Phúc Tóm tắt: Bảo mật thoại biến đổi miền thao tác tập hệ số biến đổi tuyến tính mẫu tín hiệu tiếng nói Những biến đổi sử dụng DFT, DCT, FTH Những biến đổi thực khối/khối Bài báo trình bày giải pháp sử dụng biến đổi chồng lấp trực giao MDCT bảo mật tín hiệu thoại thu độ lợi che dấu lỗi cỡ 1dB Từ khóa: Biến đổi DFT, Biến đổi DCT, biến đổi FTH, Bảo mật thoại Mở đầu Bảo mật thoại tương tự có độ mật không cao so sánh với bảo mật số có lợi dễ dàng ghép nối với kênh truyền thông độ phức tạp thấp Bảo mật thoại tương tự thường dùng bảo vệ thông tin riêng tư, cá nhân, nhạy cảm thông tin cấp chiến thuật Trong thời gian dài, nghiên cứu bảo mật tín hiệu thoại sở thao tác biên độ, tần số, thời gian đồng thời hai miền tín hiệu thoại cho không gian khóa nhỏ, độ phức tạp phân tích mã không cao[ 1] [2] Phương pháp mã sở xáo trộn hệ số biến đổi DFT đời [9], cho không gian khóa lớn, cải thiện đáng kể độ phức tạp phân tích mã, đánh dấu hướng nghiên cứu bảo mật tín hiệu thoại gọi phương pháp mã biến đổi miền Nhiều kỹ thuật biến đổi miền đề xuất bảo mật tín hiệu thoại bao gồm biến đổi Fourier rời rạc (Discrete Fourier Transform- DFT)[9], biến đổi cosine rời rạc (Discrete Cosine Transform- DCT) [3], Biến đổi Hartley rời rạc (Discrete Hartley Transform-DHT)[7], biến đổi vòng (circulant transformations) [5] biến đổi wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform-DWT)[8] Những biến đổi xử lý khối/khối chưa tận dụng đặc tính che dấu lỗi biến đổi chồng lấp Trong trình bày giải pháp bảo mật tín hiệu thoại biến đổi miền sở áp dơng biÕn ®ỉi MDCT (Modified Discrete Cosine Transformation) víi ®é lợi che dấu lỗi đạt cỡ 1dB Bảo mật thoại biến đổi miền Sơ đồ khối chung bảo mật thoại biến đổi miền thể hình [2][8] Hình Sơ đồ khối bảo mật tín hiệu thoại biến đổi miền Để x vector biĨu diƠn khung N mÉu tÝn hiƯu tiÕng nãi, u lµ khung sau chun sang vïng míi F x theo biểu thức: 46 La Hữu Phúc," Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT." Nghiên cứu khoa học công nghệ (1) u F (x) Khi đó, xáo trộn định nghĩa ma trận P, N*N Vector v tín hiệu chuyển sang miền là: (2) v  P(u ) Trong miÒn thêi gian, tÝn hiệu tiếng nói xáo trộn đạt nghịch đảo chuyển đổi F v : y F (v) Bên thu giải xáo trộn thực ngược lại : (3) x F ( P 1 ( F ( y ))) Khi trun trªn kênh tín hiệu bị thêm nhiễu mặt toán học mô hình hóa (4) y=y+ Giải xáo trộn : (5) (6) x F ( P 1 ( F ( y )))  x  F 1 ( P 1 ( F (  ))) -1 Để thực giải mã xác F phải có hàm ngược F Hơn nữa, hàm ngược mong muốn chuyển đổi F bảo toàn theo nghĩa toàn lượng tín hiệu xáo trộn tín hiệu ban đầu không làm gia tăng nhiễu hay: F 1 ( P 1 ( F (  )))  (7) Do biến đổi chọn phép biÕn ®ỉi trùc giao biÕn ®ỉi MDCT Víi khèi tín hiệu đầu vào miền thời gian thứ i, xi , có độ dài M: xi (n) x(n  iM ), n  0,1, M  (8) ký hiệu khối tín hiệu đầu vào miền thời gian thứ i, yi , có độ dài N=2M: yi (n)  x(n  iM ), n  0,1, ,2 M Biến đổi thuận MDCT phát biÓu [6]: 2 M 1 M 1   X i (k )  h(n) yi (n) cos (k  )(n  )  M n0 2  M víi i lµ chØ sè khèi, k=0,1, ,M-1 Biến đổi ngược MDCT: M 1 M   yˆ i (n)  X i (k ) cos  (k  )(n  )  M k 0 2  M víi i lµ chØ sè khối, n=0,1, ,2M-1,và toán tử cộng chồng lấp: xi (n)  hn  M  yˆ i 1 (n  M )  h(n) yˆ i (n) víi i lµ số khối, n=0,1, ,M-1.Trong hàm cửa sổ h(n) tháa m·n: h(n)  h(2 M   n), n  0,1, , M  (9) (10) (11) (12) (13) h (n)  h (n  M )  1, n  0, , M  (14) Nhiều cửa sổ MDCT khai thác tài liệu, thỏa hiệp lựa chọn Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 47 Kỹ thuật điện tử & Khoa học máy tính thời gian tần số cửa sổ, phụ thuộc vào ngưỡng áp đặt khung lập mã mà MCDT hoạt động Cửa sổ hình sin    (15) h(n)  sin  n   n  0, ,2 M   , M hay dùng có tính lựa chọn băng thông tốt tháa m·n ®iỊu kiƯn chn hãa M 1 vỊ pha  pk (n)  , n  0, , M với pk (n) pha thành phần k Để tính toán MDCT theo công thức (10) độ phức tạp tính toán O(M2) Một thuật toán tính toán nhanh tiếng sở tính toán nhanh DFT đề xuất Duhamel [] đưa độ phức tạp tính toán O(M/2 log(M/2)) Thuật toán thường gọi thuật toán MCDT4 áp dụng cho trường hợp độ dài y (n) chia hết cho (M số chẵn) MÔ Tả thuật toán mã hóa 4.1 Tham số mã hóa Bộ mã hóa đề xuất sở MDCT thực tần số lấy mẫu 6500Hz xử lý tiếng nói đầu vào có băng tần 300-3200Hz truyền kênh có băng tần 04000Hz Tham số mã hóa thể B¶ng B¶ng 1.Tham sè cđa bé m· hãa TT Tham số Khoảng giá tri Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz Độ rộng băng thông tín hiệu tiếng nói 2,9kHz:300-3200Hz đầu vào Tần số lấy mẫu đầu vào 6500Hz Độ dài khung tín hiệu tiếng nói đầu vào (xử 2x208 lý tín hiệu MDCT) Độ dài khung FFT (đầu kênh truyền) 256 Tần số DA đầu ra, tiếng nói mã 8000 Hz Số thành phần tần số xáo trộn 104 4.2 Thuật toán xử lý đầu Với độ dài khung xử lý MDCT N=2M=2x208, khung đầu vào có độ dài 32ms, với tần số lấy mẫu f in  6500 Hz , t­¬ng øng víi kÝch th­íc khung đầu NFFT=256 mẫu, với tần số lấy mẫu f out 8000 Hz Khoảng thành phần tần số (độ phân giải tần số) là: f 8000 f  sout   31,25 Hz (16) NFFT 256 Độ dài chuỗi phức sau biến đổi MDCT N/4=104 Tần số thấp lựa chọn 340 Hz (tương ứng với số DFT 11) tần số cao 3562Hz (tương ứng với số DFT 114), số khác (0-10,115-27) đặc không Thủ tục xử lý đầu,XLDR, thực hiện: Bước Điền khung vs chiều dài NFFT=256 toàn 0; Bước Chèn khung v có độ dài NP=104 vào vs từ vị trí s 11 đến s NP Bước Thêm vào phần đối xứng: 48 La Hữu Phúc," Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT." Nghiên cứu khoa học công nghệ vs( NFFT  i )  conj (vs(i ) i  1,2, NFFT /  (17) B­íc 4.TÝnh tÝn hiÖu - tÝn hiÖu tiÕng nãi sau m· hãa th«ng qua IFFT: y  IFFT (vs,256) (18) Víi tần số lấy mẫu 8000Hz, y có độ dài 32ms có tần số khoảng (340 Hz 3600 Hz ) 4.3 Thuật toán tạo khóa Thuật toán tạo khóa hoán vị sở tạo số giả ngẫu nhiên ghi dịch phản hồi tuyến tính (Linear Feedback Shift Register -LFSR) Với phiên liên lạc mầm S0 khóa bí mật khởi tạo cho tạo khóa Đối với khung tiếng nói đầu vào tương ứng với mẫu hoán vị (I1,I2, ,INP), số ngẫu nhiên Ri,j đại diện cho vị trí thứ i khung j chuỗi đầu vào Thuật toán sử dụng để tạo khóa mã hóa cho khung tương ứng tạo số ngẫu nhiên Ri,j từ tạo khóa giả ngẫu nhiên LFSR (Linear Feedback Shift Register ) Thuật toán đưa sau: Thủ tục tạo hoán vị- HV [4] Đầu vào: Bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR,Khóa phiên S0 Đầu ra: Khung liệu hoán vị Bước 1: Khởi tạo tạo số giả ngẫu nhiên LFSR với S0 Bước 2: Với khung thứ j, j=1,, mẫu hoán vị (I1,I2, ,INP) với i=NP,,2 2A Rịj=một số ngẫu nhiên bit từ tạo số ngẫu nhiên; 2B k= Rij mod i 2C Đổi vị trí Ii Ik Khóa mã hóa tạo bước hoán vị (I1,I2, ,INP) Theo hệ thống có (NP)! hoán vị khóa để mã hóa tín hiệu tiÕng nãi 4.4 Nguyªn lý bé m· hãa Nguyªn lý mã hóa đề xuất thể hình Hình Sơ đồ khối bảo mật tín hiệu thoại đề xuất Tín hiệu tiếng nói đầu vào trước hết số hóa sau với khung độ dài M=208, thực biến đổi MDCT tạo thành chuỗi phức có độ dài 104, chuỗi phức thực xáo trộn theo thủ tục hoán vị HV, sau biến đổi dạng tín hiệu miền thêi gian theo thđ tơc XLDR, ci cïng qua biÕn đổi DA truyền kênh Quá trình bên thu xử lý ngược lại Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sù, Sè 29, 02 - 2014 49 Kü tht ®iƯn tử & Khoa học máy tính kết thực nghiệm mô Thực mô thực Matlab 7.0 với mô hình Hình Mô hình thực đánh giá Kết thực thể hình 4, với phổ tần số ảnh phổ tiếng nói ban đầu, mã hóa giải mã Hình Tần số ảnh phổ tiếng nói ban đầu, mã hóa giải mã Kết thước đo cảm quan thể bảng Bảng Thước đo cảm quan tiếng nói mã giải mã theo thuật toán m· hãa ®Ị xt TT LogSpectralDistance LPCDistance CepDistance Segmental SSNR TiÕng nãi ®· m· 8.9 -0.4 39 0.02 TiÕng nãi phục 0.14 -0.001 -74 30 khôi Từ kết này, nhận thấy phổ tần số tiếng nói bị phá vỡ, ảnh phổ tín hiệu mã khác hẳn so với tín hiệu rõ tiÕng nãi ®· m· cã ®é che lÊp tèt TiÕng nói khôi phục sau mã cho chất lượng tiếng nãi tèt Víi can nhiƠu trùc tiÕp víi ®é suy hao khác SRN tiếng nói sau giải mã thể bảng 50 La Hữu Phúc," Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT." Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Kết SNR tiÕng nãi sau gi¶i m· NhiƠu (dB) 11 12 13 14 15 11,948 12,944 13,946 14,951 15,956 NhiÔu (dB) 16 17 18 19 20 SNRMDCT NhiÔu (dB) 16,957 21 17,952 22 18,956 23 19,947 24 20,927 25 SNRMDCT 21,963 22,929 23,942 24,953 25,966 26 27 28 29 30 26,957 27,965 28,97 29,942 30,944 SNRMDCT NhiƠu (dB) SNRMDCT Tõ b¶ng cho thấy khả che giấu lỗi lược ®å m· hãa ®Ị xt, cho ®é lỵi chèng nhiƠu cỡ 1dB Kết luận Phương pháp bảo mật thoại víi biÕn ®ỉi MDCT ®Ị xt víi bé xư lý đầu dựa tính đối xứng biến đội IFFT cho tín hiệu thực luôn đảm bảo tín hiệu sau mã hóa nằm băng tần 0-4000kHz, đồng thời với đặc tính biến đổi MDCT đạt độ lợi chống nhiễu cớ 1dB cho chất lượng tiếng nói tốt hoàn toan áp dụng bảo mật tín hiệu thoại tương tự bảo vệ cho thông tin nhạy cảm riêng tư [1] [2] [3] [4] [5] [6] Tài liệu tham khảo A.Srinivasan1 P.Arul Selvan(2012);”A Review of Analog Audio Scrambling Methods for Residual Intelligibility “; Innovative Systems Design and Engineering Vol 3, No 7, 2012; p22-p39 B Goldburg, S Sridharan, and E Dawson (1993) “Design and cryptanalysis of transform-based analog speech scramblers,” IEEE J Select Areas Commun.,vol 11, no 5, pp 735-744, May 1993 Bruce Goldburg, Ed Dawson, S Sridharan: “A Secure Analog Speech Scrambler Using the Discrete Cosine Transform”.299-311ASIACRYPT 1991: Fujiyoshida, Japan D C Tseng; J H ChiuAn; “OFDM Speech Scrambler without Residual Intelligibilit”, IEEE TENCON 2007:ISBN: 1-4244-1272-2 G Manjunath and G V Anand, “Speech encryption using circulant transformations,” Proc IEEE Int Conf Multimedia and Expo, vol 1, pp 553-556, 2002 J.P Princen, A.W Johnson, and A.B Bradley; “Subband/transform coding using filter bank designs based on time domain aliasing cancellation”; In Proceedings of Tạp chí Nghiên cứu KH&CN Quân sự, Số 29, 02 - 2014 51 Kü tht ®iƯn tư & Khoa häc m¸y tÝnh the 1987 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP’87), Pp 2161-2164, Dallas, USA, April 1987 [7] Nasciment,Toscano (2012);”Frequency Speech Scrambler Based on the Hartley Transform and the Inserion of Random Frequency Component”; the International Journal of Forensic Science; Feb 2012 [8] S B Sadkhan; N H Kaghed; L M AlSaidi (2007) “Design and Evaluation of Transform - Based Speech Scramblers using different Wavelet Transformations”; Babylon University, Iraq [9] S Sridhara,E.Dawson,J.O.Sulivan (1988); “Speech Encryption Using Fast Fourier Transform Techniques”; Speech science and technology 2nd Australian conference, Speech science and technology; p414-419 abstract End to end speech scrambler based on MDCT Transform Domain speech scrambler performed on the linear transform coefficients of the speech samples Types of transforms used are Fast Fourier Transform (FFT), Discrete Cosine Transform (DCT) Fast Hartley Transform (FTH) These transform implement block by block This article presents the aproach, that use lapped orthogonal transforms MDCT secure speech, which achieved gain error concealment about 1db Keywords: Fast Fourier Transform (FFT), Discrete Cosine Transform (DCT) Fast Hartley Transform (FTH) Nhận ngày 19 tháng 11 năm 2013 Hoàn thiện ngày 28 tháng 12 năm 2013 Chấp nhận đăng ngày 14 tháng 01 năm 2014 a chỉ: Häc viÖn Kü thuËt MËt m·; Email: phucpvkt@hotmail.com 52 La Hữu Phúc," Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT." ... Phương pháp bảo mật thoại với biến đổi MDCT đề xuất với xử lý đầu dựa tính đối xứng biến đội IFFT cho tín hiệu thực luôn đảm bảo tín hiệu sau mã hóa nằm băng tần 0-4000kHz, đồng thời với đặc tính... chÊt l­ỵng tiÕng nãi tèt Víi can nhiƠu trùc tiếp với độ suy hao khác SRN tiếng nói sau giải mã thể bảng 50 La Hữu Phúc," Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT. " Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng KÕt... Thuật toán xử lý đầu Với độ dài khung xử lý MDCT N=2M=2x208, khung đầu vào có độ dài 32ms, với tần sè lÊy mÉu f in  6500 Hz , t­¬ng ứng với kích thước khung đầu NFFT=256 mẫu, với tÇn sè lÊy mÉu