基于USB Audio設(shè)備類的音頻密鑰系統(tǒng)設(shè)計.pdf

1、USB接口借助其通用性和使用方便性，成為越來越多的手持設(shè)備乃至較大型外接設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)接口。以USB為傳輸接口的密鑰系統(tǒng)也在安全系統(tǒng)領(lǐng)域普及，但是單純把加密數(shù)據(jù)保存在USB密鑰中并不能完全保證用戶數(shù)據(jù)的安全，密鑰的丟失會給用戶數(shù)據(jù)帶來失竊的可能。語音識別技術(shù)從上世紀(jì)五六十年代即開始研究，目前已經(jīng)進(jìn)入了一個較為成熟的應(yīng)用階段，所以本文考慮使用用戶永遠(yuǎn)丟不了的東西：聲音作為安全保證。選擇求取語音信號的MFCC特征值作為用戶數(shù)據(jù)比對留存。此外，提

2、出了一種把語音信號的采集與處理放置在手持嵌入式設(shè)備上完成的方案。這樣既有助于把語音特征數(shù)據(jù)在設(shè)備端做單獨加密，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的安全性；也減輕了服務(wù)器端的運(yùn)算壓力，使服務(wù)器遠(yuǎn)程驗證密鑰成為可能。本文采用USB接口作為密鑰設(shè)備與服務(wù)器主機(jī)端的信息交互接口，基于USB Audio設(shè)備類協(xié)議，設(shè)計了控制麥克風(fēng)的USB音頻設(shè)備結(jié)構(gòu)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性，選擇Windows xp作為服務(wù)器工作的操作系統(tǒng)，在設(shè)備端和主機(jī)端設(shè)計了USB密鑰系統(tǒng)通訊協(xié)議

3、，用于主機(jī)配置設(shè)備端音頻ADC采樣特性和MFCC特征值提取方案，以及設(shè)備向主機(jī)端反饋音頻ADC當(dāng)前配置和發(fā)送提取得到的MFCC特征值。這套通訊協(xié)議建立在操作系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)usbaudio.sys驅(qū)動基礎(chǔ)之上，在主機(jī)端通過調(diào)用Windows api音頻庫函數(shù)實現(xiàn)，使該系統(tǒng)無需開發(fā)和安裝專用主機(jī)驅(qū)動程序，也簡化了本系統(tǒng)的使用。本文分析了MFCC特征提取算法，提出了在語音輸入準(zhǔn)備期先錄入一定幀數(shù)的環(huán)境噪聲，通過對環(huán)境噪聲的頻譜分析，對其后錄入的語音

4、做改進(jìn)譜相減操作，以消除白噪聲。而對音樂噪聲殘留，設(shè)計了“首次錄入密語掩蔽比較法”，即在主機(jī)端，對在較安靜環(huán)境下首次錄入的密語做譜相減后的語音信號，求取其掩蔽門限值并保存，這樣之后每次做驗證操作時，比較環(huán)境噪聲功率譜密度和掩蔽門限以決定是否進(jìn)行掩蔽門限去噪操作。增強(qiáng)算法準(zhǔn)確性的同時，盡可能降低了算法的復(fù)雜度。針對嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，本文改進(jìn)了浮點轉(zhuǎn)定點的運(yùn)算結(jié)構(gòu)，按照MFCC算法步驟需要，將浮點轉(zhuǎn)定點的轉(zhuǎn)換分為三類：單純浮點參數(shù)轉(zhuǎn)換、單

5、純浮點函數(shù)轉(zhuǎn)換和特定浮點函數(shù)轉(zhuǎn)換。其中對單純浮點函數(shù)轉(zhuǎn)換，采納了坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計算機(jī)(CORDIC)算法實現(xiàn)。而對特定浮點函數(shù)轉(zhuǎn)換，采用查表法實現(xiàn)，為了減小設(shè)備端固件程序大小，將特定浮點函數(shù)值列表預(yù)先建立和保存在主機(jī)端，在開啟語音驗證操作前，通過自定義USB音頻密鑰通訊協(xié)議，按照用戶在主機(jī)端對音頻設(shè)備和MFCC特征提取的配置，將相應(yīng)函數(shù)值列表通過USB發(fā)送給設(shè)備使用，大大縮小了代碼占用空間。本文嘗試采用結(jié)合USB接口的通用性和語音識別技術(shù)