Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT

Sridhara,E.Dawson,J.O.Sulivan (1988); “Speech Encryption Using Fast Fourier Transform Techniques”; Speech science and technology 2nd Australian conference, Speech science and technolog[r]

Bảo mật thoại đầu cuối với mdct

La H÷u Phóc

Tóm tắt: Bảo mật thoại biến đổi miền thao tác tập hệ số biến đổi tuyến tính của 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

1 Mở đầu

Bo mt thoi tng t có độ mật khơng 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 khơng gian khóa nhỏ, độ phức tạp phân tích mã khơng cao[ 1] [2] Phương pháp mã sở xáo trộn hệ số biến đổi DFT đời [9], cho khơng 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 dụng biến đổi MDCT (Modified Discrete Cosine Transformation) với độ lợi che dấu lỗi đạt cỡ 1dB

2 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

uF(x) (1) Khi đó, xáo trộn định nghĩa ma trận P, N*N Vector v tín hiệu chuyển sang miền là:

vP(u) (2)

Trong miền thời gian, tín hiệu tiếng nói xáo trộn đạt nghịch đảo chuyển đổi F1 v:

) (

1

v F

y  (3) Bên thu giải xáo trộn thực ngược lại :

))) ( (

(

1 P F y

F

x   (4)

Khi trun trªn kªnh tÝn hiƯu sÏ bị thêm nhiễu mặt toán học mô hình hóa

y=y+ (5)

Giải xáo trộn lµ :

))) ( ( ( ))) ( (

( 1

1  F P F x y F P F

x       (6)

Để thực giải mã xác F phải có hàm ngược F-1 Hơn nữa, hàm ngược

này mong muốn chuyển đổi F bảo toàn theo nghĩa tồn lượng tín hiệu xáo trộn tín hiệu ban đầu khơng làm gia tăng nhiễu hay:

     ))) ( ( ( 1 F P F (7)

Do biến đổi chọn phép biến đổi trực giao biến đổi MDCT

Với khối tín hiệu đầu vào miền thời gian thứ i, xi , có độ dài M: , , ), ( )

(n x niM n M

xi (8)

và ký hiệu khối tín hiệu đầu vào miền thời gian thứ i, yi, có độ dài N=2M: , , , ), ( )

(n x niM n M 

yi (9)

Biến đổi thuận MDCT phát biểu [6]:

            ) )( ( cos ) ( ) ( ) ( M n i i M n k M n y n h M k

X  (10)

với i số khối, k=0,1, ,M-1 Biến đổi ngược MDCT:

            ) )( ( cos ) ( ) ( ˆ M k i i M n k M k X M n

y  (11)

víi i lµ chØ sè khèi, n=0,1, ,2M-1,và toán tử cộng chồng lấp: ( ) ( )ˆ ( )

) (

ˆ n h n M y 1 n M h n y n

xi   i   i (12)

với i số khối, n=0,1, ,M-1.Trong hàm cửa sổ h(n)thỏa mãn: , , , ), ( )

(n h M n n M

h (13)

thời gian tần số cửa sổ, phụ thuộc vào ngưỡng áp đặt khung lập mã mà MCDT hoạt động Cửa sổ hình sin

1 , , , 2 sin ) (                     

 n M

M n

n

h (15)

hay dùng có tính lựa chọn băng thông tốt thỏa mÃn ®iỊu kiƯn chn hãa vỊ pha

     1 , , , ) ( M k

k n n M

p với pk(n) pha thành phần

Để tính tốn MDCT theo cơng thức (10) độ phức tạp tính tốn O(M2) Một

những thuật tốn tính tốn nhanh tiếng sở tính tốn nhanh DFT đề xuất Duhamel [] đưa độ phức tạp tính tốn 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 l s chn)

4 MÔ Tả tht to¸n m· hãa 4.1 Tham sè cđa bé m· hãa

Bộ mã hóa đề xuất sở MDCT thực tần số lấy mẫu 6500Hz xử lý tiếng nói đầu vào có băng tần 303200Hz truyền kênh có băng tần 0-4000Hz Tham số mã hóa thể Bảng

B¶ng 1.Tham sè cđa bé m· hãa

TT Tham số Khoảng giá tri

1 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz Độ rộng băng thông tín hiệu tiếng nói

đầu vào

2,9kHz:300-3200Hz

3 Tần số lấy mẫu đầu vào 6500Hz

4 Độ dài khung tín hiệu tiếng nói đầu vào (xử lý tín hiệu MDCT)

2x208 Độ dài khung FFT (đầu kênh truyền) 256 Tần số DA đầu ra, tiếng nói mã 8000 Hz

7 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 fin6500Hz, tương ứng với kích thước khung đầu NFFT=256 mẫu, với tần số lấy mẫu fout 8000Hz Khoảng thành phần tần số (độ phân giải tần số) là:

Hz NFFT

f

f sout 31,25 256 8000     (16)

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:

1 2 / ,

2 , 1 ) ( ( )

(NFFT i conj vs i i  NFFT 

vs (17)

Bước 4.Tính tín hiệu - tín hiệu tiếng nói sau mã hóa thơng qua IFFT: )

256 , (vs

IFFT

y  (18)

Với tần số lấy mẫu 8000Hz, y có độ dài 32ms có tần số khoảng )

3600 340

( Hz Hz

4.3 ThuËt 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

l 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

Bc 1: Khởi tạo tạo số giả ngẫu nhiên LFSR với S0

Bước 2: Với khung thứ j, j=1,…, mẫu hốn vị (I1,I2, ,INP)

víi i=NP,…,2

2A Rịj=một số ngẫu nhiên bit từ tạo sè ngÉu nhiªn;

2B k= Rij mod i

2C Đổi vị trí Ii vµ Ik

Khóa mã hóa tạo bước hốn vị (I1,I2, ,INP) Theo hệ

thống có (NP)! hốn vị khóa để mã hóa tín hiệu tiếng nói 4.4 Ngun lý mã hóa

Nguyên lý mã hóa đề xuất thể hình

Hình Sơ đồ khối bảo mật tín hiệu thoại đề xuất

5 kÕt qu¶ thùc nghiƯm mô

Thực mô thực Matlab 7.0 với mô hình

Hình Mơ hình thực đánh giá

Kết thực thể hình 4, với phổ tần số ảnh phổ tiếng nói ban đầu, mà hóa giải mÃ

Hỡnh 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 tốn mã hóa đề xuất TT LogSpectralDistance LPCDistance CepDistance Segmental SSNR

Tiếng nói mã 8.9 -0.4 39 0.02

TiÕng nãi kh«i phơc

0.14 -0.001 -74 30

B¶ng KÕt qu¶ SNR cđa tiÕng nãi sau gi¶i m·

NhiƠu (dB) 11 12 13 14 15

SNRMDCT 11,948 12,944 13,946 14,951 15,956

NhiÔu (dB) 16 17 18 19 20

SNRMDCT 16,957 17,952 18,956 19,947 20,927

NhiÔu (dB) 21 22 23 24 25

SNRMDCT 21,963 22,929 23,942 24,953 25,966

NhiÔu (dB) 26 27 28 29 30

SNRMDCT 26,957 27,965 28,97 29,942 30,944

Từ bảng cho thấy khả che giấu lỗi lược đồ mã hóa đề xuất, cho độ lợi chống nhiễu cỡ 1dB

4 KÕt luËn

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 ln ln 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 hồn toan áp dụng bảo mật tín hiệu thoại tương tự bảo vệ cho thông tin nhạy cảm riêng tư

Tài liệu tham khảo

[1] 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

[2] 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

[3] Bruce Goldburg, Ed Dawson, S Sridharan: “A Secure Analog Speech Scrambler Using the Discrete Cosine Transform”.299-311ASIACRYPT 1991: Fujiyoshida, Japan

[4] D C Tseng; J H ChiuAn; “OFDM Speech Scrambler without Residual Intelligibilit”, IEEE TENCON 2007:ISBN: 1-4244-1272-2

[5] G Manjunath and G V Anand, “Speech encryption using circulant transformations,” Proc IEEE Int Conf Multimedia and Expo, vol 1, pp 553-556, 2002

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

Japan Speech Scrambler