BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
BỘ QUỐC PHÒNG

mặt của đời sống kinh tế - xã hội. Bảo mật thông tin thoại luôn là vấn đề
được quan tâm. Bảo mật thoại số cho độ mật cao, tuy nhiên thực hiện
phức tạp, yêu cầu truyền trên kênh số. Bảo mật thoại tương tự, với ưu
điểm thuận lợi trong thực hiện, truyền trực tiếp trên kênh thoại nên được
sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng bảo mật mang tính chiến thuật.
Phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có nhiều ưu
điểm so với các phương pháp bảo mật tương tự khác. Tuy nhiên, những
phương pháp này sử dụng biến đổi đầu vào là khối/khối, trực giao, chưa
tận dụng đặc tính giấu lỗi của những biến đổi chồng lấp. Đồng thời tín
hiệu sau khi mã hóa được sử dụng biến đổi ngược của biến đổi đầu vào.
Phương pháp bảo mật biến đổi miền xáo trộn trên tập hệ số của
biến đổi tuyến tính khối các mẫu tiếng nói. Lược đồ xáo trộn này quyết
định đến độ mật của bộ mã hóa. Nhiều lược đồ được đề xuất trong đó
lược đồ Raymond được ưu thích sử dụng, tuy nhiên do cần phải tính toán
và lưu trữ số nguyên lớn nên bất tiện trong thực tế.
Trên cơ sở đó Nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu giải
pháp bảo mật thông tin thoại thời gian thực” nhằm:
 Nghiên cứu đề xuất xử lý tín hiệu đầu vào trên cơ sở biến
đổi chồng lấp.
 Nghiên cứu đề xuất bộ xử lý tín hiệu đã mã không phụ thuộc
vào biến đổi đầu vào.
 Đề xuất cải tiến làm giảm độ phức tạp của lược đồ tạo khóa.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Đề xuất giải pháp bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại thời gian thực
theo phương pháp tương tự có chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp 2

tiếng nói tốt, không gian khóa lớn.

CHƯƠNG 1
TIẾNG NÓI VÀ BẢO MẬT TIẾNG NÓI
1.1 Tiếng nói và kỹ thuật xử lý tiếng nói
1.1.1. Đặc điểm của tín hiệu thoại
Tín hiệu thoại, X(t), là một dạng đặc biệt của tín hiệu âm thanh,
do các âm thanh đơn sắc hợp thành, được biểu diễn như sau:
(1.1)
a) Phân loại âm thanh tiếng nói. Tín hiệu tiếng nói phân loại thành âm
hữu thanh và âm vô thanh.
b) Tín hiệu thoại mang tính cấu trúc. Tín hiệu thoại mang nội dung bản
tin thoại, thông tin trong bản tin được thể hiện qua cấu trúc ngôn ngữ.
c) Tín hiệu thoại có cơ chế biểu diễn tin theo tần số.
Những âm tiết trong ngôn ngữ, đặc biệt là nguyên âm, có các
cực đại (địa phương), khi biểu diễn phổ của tín hiệu, nguyên âm chính là
các tần số cộng hưởng (formant). Giá trị của các formant đầu tiên (2
hoặc 3) cho phép chúng ta nhận biết thành công nguyên âm.
d) Tín hiệu thoại có độ dư thừa tín hiệu lớn.
Nếu quan niệm lượng thông tin thực tế mà con người cần trao
đổi là số từ phát ra trong một đơn vị thời gian thì lượng tin này nhỏ hơn
rất nhiều lượng thông tin mà tín hiệu thoại chứa đựng.
e) Khả năng bảo vệ tin của tín hiệu thoại.
Lời thoại tuân theo cấu trúc ngôn ngữ. Cuộc đàm thoại diễn ra
trong ngữ cảnh nào đó. Khả năng bảo vệ tin của tín hiệu thoại gắn chặt
với khả năng nhận dạng tiếng nói của con người.
f) Tín hiệu thoại trong truyền thông.
Tín hiệu thoại dải hẹp có dải tần hữu hạn 0,3kHz đến 3,4kHz,
vẫn giữ được tính dễ hiểu, đáp ứng được nhu cầu nghe hiểu.
Kỹ thuật nén tiếng nói trong truyền thông
Gồm 3 bộ mã hóa: dạng sóng, tham số và lai ghép.


tín hiệu thoại cơ bản: mã hóa tương tự và mã hóa số.
1.2.2. Phương pháp mã hóa tương tự
Sơ đồ khối chung được thể hiện ở hình 1.4. Hình 1.4. Nguyên lý chung của bộ mã hóa tiếng nói tương tự
a) Kỹ thuật mã biên độ. Là kỹ thuật đơn giản, những mẫu tiếng nói riêng
biệt được sắp xếp lại trật tự. 5

b) Kỹ thuật mã miền tần số. Tín hiệu tiếng nói được bảo mật thông qua
thực hiện xáo trộn trên thành phần tần số của tín hiệu tiếng nói.
c) Kỹ thuật mã miền thời gian. Tín hiệu tiếng nói được chia thành những
đoạn thời gian và thứ tự của những đoạn tín hiệu này được thay đổi đi để
thu được tín hiệu mã.
d) Kỹ thuật mã hai miền. Những bộ mã hóa tiếng nói này thực hiện thao
tác mã trên cả miền thời gian và miền tần số đồng thời.
e) Kỹ thuật mã biến đổi miền. Thông qua một biến đổi, tín hiệu tiếng nói
được chuyển sang biểu diễn ở miền khác. Thao tác bảo mật được thực
hiện trên tập hệ số của biến đổi này. Những biến đổi được dùng là biến
đổi trực giao, đảm bảo không tăng nhiễu khi truyền qua kênh truyền.
1.2.3. Phương pháp mã số.
a) Nguyên lý.
Phương pháp mã hóa số tín hiệu thoại được thực hiện theo sơ đồ
khối hình 1.10.

a


k
x
'
u
u


'
k
x


k
y


k
y'6

được miêu tả như là mạng Feistel, trên cơ sở chia khối dữ liệu thành hai
nửa, trong đó một nửa thao tác trên nửa kia.
1.2.4. Các thước đo cảm quan.
a) Khoảng cách lô-ga-rít phổ
b) Thước đo khoảng cách LPC

2.1. Bài toán chọn khóa
Tạo khóa trong mã hóa thoại tương tự là tạo ra hoán vị xáo trộn
các thành phần của tín hiệu tiếng nói. Không phải tất cả các hoán vị đều
dẫn tới tín hiệu tiếng nói đã mã có độ che lấp tốt mà chỉ có một tập con
là phù hợp để sử dụng xóa trộn tiếng nói.
Một sắp xếp lại thứ i,
n
qqq ,,,
21
của n phần tử
n
ppp , ,,
21
,
trong tổng số n! cách sắp xếp, được gọi là một hoán vị bậc
n
. Ký hiệu:









n
n
i
qqq

-1
là ma trận nghịch đảo của ma trận P
i
.
Để S biểu diễn tập những khóa hoán vị và S
-1
là tập những khóa
đảo hoán vị. Về lý thuyết S nên thỏa mãn hai điều kiện sau:
 Tất cả những khóa trong S phải tạo ra những tiếng nói không
hiểu được.
 Đối với mỗi khóa, P
i
, trong S tồn tại 1 và chỉ 1 P
-1
i
, trong S
-1
mà
P
-1
có thể sử dụng để giải mã tiếng nói đã được mã hóa bởi P. Sử dụng
những khóa khác phải tạo ra tiếng nói không hiểu được.
Để I biểu diễn ma trận với tất cả những phần tử của nó nằm ở
những vị trí ban đầu. Tính khó hiểu được tạo ra bởi ma trận, P
i
, có thể 8


vị. Thay thế nó, những nhà nghiên cứu đã sử dụng nhiều những tham số
khác nhau để có thể thu được giải tích của một xấp xỉ ảnh hưởng tạo ra
bởi tham số D lý tưởng.
Hai tham số được dùng để đánh giá hoán vị MDP(Mean
Permution Distance) và OD (Order of Displacement). Với mọi hoán vị
bậc
n
, ký hiệu
i
d là vị trí mới của phần tử thứ
i
trong sắp xếp ban đầu.
Bậc thay thế -OD được định nghĩa:
i
ni
dipOD 
1
min)(
(2.8)
Khoảng cách hoán vị trung bình MDP của hoán vị p được định nghĩa:



n
i
i
di
n
pMDP
1

1;2
2
max
(2.10)
b) MDP trung bình của tất cả các hoán vị
Định lý 3 . MDP trung bình của tất cả các hoán vị bậc n là:


n
n
MDP
av
3
1
2

 (2.16)
2.1.2. Thước đo OD trong hoán vị
a) Không gian khóa của hoán vị tuyệt đối
Định lý 4. Không gian khóa của hoán vị n phần tử mà mỗi hoán
vị đều là hoán vị tuyệt đối là:










(2.23)
và công thức truy hồi tính D
n
là



21
)1(


nnn
DDnD (2.24)
với 1;0
21
 DD .
b) Giá trị OD lớn nhất
Định lý 5: Giá trị lớn nhất của bậc thay thế OD của hoán vị của n
phần tử là:






mnn
mnn
OD
122/)1(
22/




(2.46)
Ánh xạ sang số nguyên f, 0≤ f≤ n! theo:
0!.1!2!3 )!2()!1(
1232


gggg
cccncnf
nn
(2.47)
thỏa mãn !0 nf  và 11,0  njjc
j
bộ thừa số ]0,, ,,[c
132
g ggg
ccc
nn 
 là
duy nhất với số nguyên f đáp ứng các điều kiện của thuật toán D. Đặt
0;3;
2
2


dvànicd
i
g

2
,…,U
n
) theo thứ tự tăng dần.
2. với i=2 tới n
a. Đặt )1(mod  igd
i
1
i
dm ;
 
igg / ;
b. Đổi chỗ U
m
và U
i
Lược đồ hoán vị Raymond có bậc thay thế, OD nhỏ nhất bằng 1
và chưa đặt vấn đề khoảng cách hoán vị trung bình, MPD. Không gian
khóa, K
Raymond
cỡ (n-1)!:
)!1(  nK
Raymond
(2.50)
với n là độ dài khung hoán vị.
2.3. Lược đồ đề xuất
2.3.1. Lược đồ 11

nhiên LFSR rõ ràng có lợi thế hơn lược đồ của Raymond do không phải
tính toán và lưu trữ số nguyên lớn cỡ (N-1)! mà chỉ cần bộ tạo số ngẫu
nhiên và lưu khởi tạo S
0
, là mầm khóa cho mỗi cuộc liên lạc, được gọi là
khóa phiên. Đồng thời với mỗi mầm khóa S
0
, thì mỗi khung tiếng nói
ban đầu được sử dụng một khóa khác nhau tùy thuộc vào chu kỳ của bộ
tạo giả ngẫu nhiên, trong khi với mỗi khóa là số nguyên lớn cho trước,
trong lược đồ Raymond, các khung tiếng nói rõ đều mã hóa với một
khóa.
2.3.2. Các thuộc tính của lược đồ đề xuất
Định lý 6. Lược đồ đề xuất là lược đồ hoán vị tuyệt đối hay tất
cả các phần tử được dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu của nó.
Chứng minh:
Không làm mất tính tổng quát, giả thiết rằng mẫu ban đầu
(I
1
,I
2
,…,I
N
) là các số nguyên có giá trị từ 1 đến N nghĩa là I
1
=1, I
2
=2, ,
I
N

=i, nên tại bước
2C2 ta luôn có I
k
<I
i
hay I
k
<i.
Giả thiết rằng sau khi hoán vị mẫu ban đầu (I
1
,I
2
,…,I
N
) ta thu
được mẫu hoán vị (U
1
,U
2
,…,U
N
) có một phần tử thứ c không di chuyển
khỏi vị trí ban đầu của nó, nghĩa là:
cU
c
 (2.52)
Khi đó, tại bước 2C2, I
c
=c ( tại thời điểm i=c) hay tại thời điểm i=c thì
I

=1,2;
…
Tại vòng thứ n-1: k
n-1
=1,2, , n-2;
Tại vòng thứ n: k
n
=1,2, , n-1;
Do vậy, có (n-1)! cách sắp xếp để tạo thành bộ (k
2
,k
3
,…,k
n-1
).
Định lý được chứng minh. 13

Định lý 8. Giá trị MDP trung bình của lược đồ đề xuất là (n+1)/3.
Chứng minh.
Tương tự định lý 3, tổng số hoán vị mà lược đồ đề xuất tạo ra là
K
DX
=(n-1)!, nếu
i
p là phần tử thứ i của một hoán vị,
i
p =1,2,…i-

DX
=(n-1)! Do vậy giá trị
trung bình của MDP lược đồ đề xuất là (n+1)/3. Định lý được chứng
minh.
2.3.3 Kết quả thực hiện
Kết quả tính toán trên Matlab 6.0 lược đồ đề xuất, lược đồ
Raymond với OD nhỏ nhất, OD trung bình và MPD trung bình với các
giá trị khác nhau của chiều dài khung hoán vị, n thể hiện ở bảng 2.1.
Bảng.2.1. Các giá trị thước đo lược đồ Raymond và lược đồ đề xuất.
Lược đồ Raymond Lược đồ đề xuất n
OD
nhỏ
nhất
OD
trung
bình
MPD
trung
bình
OD
nhỏ
nhất
OD
trung
bình
MPD
trung
bình
16 1 1.124 5.8883 1 1.158 5.6628
32 1 1.128 10.892 1 1.155 11.078

Phép mod số nguy
ên
<n
3 Mã hóa m
ỗi khung
1 khóa
Khó khăn Thuận lợi
4 Không gian khóa K
Raymond
K
Raymond

5 Giá trị thước đo Tương đương nhau Tương đương nhau
Kết luận chương 2.
Các kết quả cụ thể chương này bao gồm:
(1). Nghiên cứu tổng thể về bài toán tạo khóa trong mã thoại tương tự.
Tạo khóa cho mã thoại tương tự thực chất là tạo hoán vị xáo trộn. Do
không phải tất cả các hoán vị đều dẫn tới tín hiệu tiếng nói đã mã có
mức nghe hiểu còn lại chấp nhận được nên cần thiết phải có những
tham số và ngưỡng để đánh giá hoán vị được lựa chọn. Hai tham số
được sử dụng đánh giá hoán vị là khoảng cách hoán vị trung bình và
bậc thay thế. Nghiên cứu sâu về lược đồ Raymond
(2). Nghiên cứu sâu về lược đồ Raymond. Lược đồ Raymond có nhiều
lợi thế khi cho không gian khóa lớn cỡ (N-1)! và các phần tử sau khi
xáo trộn rời khỏi vị trí ban đầu của nó. Tuy nhiên lược đồ này cần
phải lưu trữ và tính toán số nguyên lớn cỡ (N-1)! với N là độ dài
khung hoán vị, nên gặp nhiều khó khăn trong thực tế
(3). Đề xuất lược đồ cải tiến lược đồ Ray mond. Các kết quả thực hiện
cho thấy lược đồ đề xuất có các thước đo tương đương lược đồ Ray
mond và thuận lợi trong thực tế khi không cần lưu trữ và tính toán số

1


NiiiPP .
 Kích thước khung đầu vào bằng kích thước khung đầu ra.
 Những biến đổi F đang sử dụng như DFT, DCT, FTH, thực chất là
biến đổi tín hiệu thoại sang miền tần số khối theo khối do vậy tiếng
nói đầu ra mang tính nhân tạo của xử lý khối.
 Hiện tại biến đổi F được áp dụng trực tiếp vào tín hiệu thoại.
 Xử lý đầu ra tín hiệu mã với F
-1
.
Từ những đánh giá trên, luận án đề xuất sử dụng biến đổi chồng
lấp MDCT, kết hợp ITU-G.726 và QAM-256 làm biến đổi đầu vào; Sử
dụng tính đối xứng của IFFT làm biến đổi đầu ra.
3.2. Ứng dụng biến đổi MDCT.
Khối xử lý đầu vào có những yêu cầu:
1. Có biến đổi ngược xxFF 

))((
1
đáp ứng yêu cầu giải mã.
2. Có thuật toán biến đổi nhanh đáp ứng tính thời gian thực.
3. Chuỗi sau khi biến đổi có độ dài không vượt quá khung
tiếng nói ban đầu. Đảm bảo tín hiệu không bị mất.
3.2.1. Biến đổi MDCT.
Biến đổi thuận: 16

M
kX

(3.3)
với
i
là chỉ số khối, k=0, 1, , M-1.
Biến đổi ngược:











1
0
)
2
1
)(
2
1
(cos)(
2
)(

i
là chỉ số khối, n=0,1, ,M-1. Cửa sổ hình sin
12, ,0,
22
1
sin)( 


















 Mn
M
nnh

(3.8)
3.2.2. Đặc tính tái tạo hoàn thiện của MDCT
với : , 3,2,1,4,  nMML
n

3.4. Đề xuất xử lý đầu ra
3.4.1. Yêu cầu của bộ xử lý tín hiệu đầu ra
Để đảm bảo đầu thu nhận tín hiệu mã, sau khi giải mã thu được tiếng nói
nghe hiểu bộ xử lý này phải thỏa mãn những yêu cầu sau:
1. Đầu ra phải là tín hiệu thực, hay các thành phần ảo bằng không.
2. Biến đổi đầu ra là trực giao.
3. Tín hiệu đầu ra có băng tần tiếng nói 300-3400Hz.
4. Kích thước khung đầu ra không vượt quá khung đầu vào.
5. Thuật toán biến đổi này có phép biến đổi nhanh.
Với biến đổi IFFT, khung độ dài NFFT= 256 mẫu, tần số lấy
mẫu 8000Hz, thỏa mãn các yêu cầu trên.
3.4.2. Bộ xử lý đầu ra đề xuất
Với khung có chiều dài NFFT= 256 mẫu, tần số lấy mẫu
8000Hz, lựa chọn tần số thấp nhất
s
.
Thủ tục xử lý tín hiệu đầu ra: XLDR
Bước 1. Điền khung
vs
chiều dài NFFT=256 toàn ‘0’;
Bước 2. Chèn khung
v






)1,1( )1,3(),1,1(
)3,1( ,3,3()3,1(
)1,1( )1,3(1,1
,
LLLLLL
LLLLLL
LLLLLL
QI
ii18

Bộ mã hóa tín hiệu thoại tương tự đề xuất với mục tiêu áp dụng
trong bảo mật cấp chiến thuật chỉ bảo mật bán song công có sơ đồ khối
chi tiết theo như hình 3.3 và tham số như Bảng 3.1. Hình 3.3. Sơ đồ khối bộ mã hóa xáo trộn tiếng nói giải pháp 1
Bảng.3.1. Tham số của bộ mã hóa đề xuất 1
TT Tham số Khoảng giá tri
1 Cấp bảo mật Chiến thuật
19

3.6. Bộ mã hóa đề xuất 2
Bộ mã hóa tín hiệu thoại đề xuất có sơ đồ khối chi tiết theo sơ đồ
khối hình 3.4 và tham số ở bảng 3.2. Hình 3.4. Sơ đồ khối bộ mã hóa đề xuất 2
Bảng 3.2. Tham số của bộ mã hóa xáo trộn đề xuất 2
TT Tham số Khoảng giá tri
1 Cấp bảo mật Chiến thuật
2 Loại truyền thông Bán song công
3 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz
4 Độ rộng băng thông của tiếng nói đầu vào 300-3400Hz
5 Tần số lấy mẫu đầu vào 8000Hz
6 Tham số QAM 256
7 Độ dài khung FFT 256
8 Tần số DA đầu ra, AD đầu vào 8000
9 Số thành phần xáo trộn 96
3.7. Kết quả thực hiện và thảo luận.
Mô phỏng thực hiện trên Matlab 6.0 với mô hình như hình 3.5.
Hình 3.7. Tần số tín hiệu tiếng nói ban đầu và đã mã đề xuất 1 -4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
500
1000
1500
Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu
Thêi gian f[Hz]
§é lín
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
20
40
60
80
100
120
Phæ biªn ®é tiÕng nãi m·
Thêi gian f[Hz]
§é lín 21


0
500
1000
1500
2000
Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu
Thêi gian f[Hz]
§é lín
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
200
400
600
800
Phæ biªn ®é tiÕng nãi m·
Thêi gian f[Hz]
§é lín 22

Tính toán các thước đo cảm quan đối với tiếng nói đã mã và
tiếng nói khôi phục lại sau khi giải mã được thể hiện ở bảng 3.3.
Bảng 3.3. Thước đo cảm quan tiếng nói mã và giải mã.
MDCT G.726
QAM
FFT DCT TT
M T M T M T M T
LogSpectralDistance
8.9 0.14 12.8 0.42

ứng được tính thời gian thực.
Kết luận chương 3
Trong chương 3 đã thực hiện các vấn đề: 23

1.Luận án đề xuất ứng dụng biến đổi MDCT làm biến đổi đầu
vào cho mã hóa thoại tương tự cấp chiến thuật. Với lợi thế của biến đổi
MDCT, chất lượng tiếng nói cảm quan được cải thiện đáng kể, tăng khả
năng che dấu lỗi đạt cỡ 1dB. Đồng thời, với thuật toán tính nhanh trên cơ
sở FFT, đáp ứng được tính thời gian thực.
2. Bộ mã thoại tương tự biến đổi miền xử lý trực tiếp trên tín
hiệu thoại số đầu vào, chưa tận dụng đặc tính giảm độ dư thừa ngôn ngữ
của các thuật toán nén tiếng nói. Do vậy, luận án sử dụng chuẩn nén
ITU-T G.726 kết hợp ánh xạ QAM cho xử lý tín hiệu đầu vào, cho tiếng
nói đã mã có độ che lấp tốt hầu như loại bỏ hoàn toàn độ rõ còn lại.
3. Biến đổi đầu ra đã mã hóa thường được sử dụng là biến đổi
nghịch đảo của biến đổi đầu vào. Luận án đề xuất sử dụng biến đổi IFFT
trong xử lý tín hiệu đã mã để chủ động trong việc điều khiển băng thông,
nhằm đảm bảo tín hiệu đã mã hóa không vượt quá băng thông tín hiệu
thoại, giúp định dạng tín hiệu đã mã hóa phá vỡ cầu trúc tiếng nói
4. Kết quả thực hiện hai bộ mã hóa do luận án đề xuất với lược
đồ mã hóa đề xuất chương 2 cho độ che lấp tốt, không gian khóa lớn,
chất lượng tiếng nói tái tạo đầu ra đảm bảo hoàn toàn đạt được yêu cầu
bảo mật tín hiệu thoại. Bộ mã hóa 1 mà luận án đề xuất có độ phức tạp
tính toán thấp đảm bảo bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực.

KẾT LUẬN
Luận án đạt được những kết quả: