Tóm tắt Luận án Nghiên cứu giải pháp bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
----------------------- 
LA HỮU PHÚC 
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP 
BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI THỜI GIAN THỰC 
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử 
Mã số: 62 52 02 03 
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
HÀ NỘI – 2014 
2 
Công trình được hoàn thành tại: 
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 
BỘ QUỐC PHÒNG 
Người hướng dẫn khoa học: 
1. PGS.TS. Lê Mỹ Tú 
2. PGS.TS. Nguyễn Trần Lý 
Phản biện 1: PGS. TS Vũ Thanh Hải. 
 Học viện Kỹ thuật quân sự 
Phản biện 2: PGS. TS Phan Hữu Huân 
 Ban Cơ yếu Chính Phủ 
 Phản biện 3: TS. Thái Danh Hậu 
 Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án 
cấp Viện họp tại Viện KH&CN quân sự vào hồi .. 
ngày .. tháng .. năm 2014. 
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 
- Thư viện Viện KH&CN quân sự 
- Thư viện Quốc gia Việt nam 
1 
MỞ ĐẦU 
1. Tính cấp thiết 
Việc bảo mật tín hiệu thoại không chỉ c ý nghĩa đặc biệt quan 
trọng trong An ninh - Quốc phòng, mà còn có giá trị to lớn trong mọi 
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. 
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 
 Phạm vi nghiên cứu của Luận án: 
o Tín hiệu thoại, tiếng nói con người. 
o Kỹ thuật xử lý tiếng nói. 
o Kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại. 
 Đối tượng nghiên cứu của Luận án: 
o Tiếng nói và đặc điểm của tiếng nói. 
o Kỹ thuật bảo mật thoại đầu cuối 
4. Phương pháp nghiên cứu 
 Phương pháp tiếp cận đối tượng theoquan điểm hiện đại kết hợp 
với quan điểm lịch sử. 
 Phương pháp tiếp cận theo quan điểm hệ thống. 
 Phương pháp thực nghiệm, sức mạnh của thao tác phân tích, 
thống kê, mô phỏng phân loại cũng sẽ được sử dụng trong luận 
án. 
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 
 Ý nghĩa khoa học: Góp phần hoàn thiện lý thuyết về kỹ thuật mã 
hóa tín hiệu thoại tương tự Xây dựng cơ sở toán học biến đổi tín 
hiệu đã mã đầu ra. 
 Ý nghĩa thực tiễn: Góp phần xác lập các giải pháp thực hiện bảo 
mật thoại đáp ứng nhu cầu bảo mật trong các lĩnh vực kinh tế xã 
hội và cấp chiến thuật trong an ninh quốc phòng. 
6. Bố cục của luận án 
Luận án gồm 03 chương cùng với các phần mở đầu, kết luận, 
danh mục các công trình, bài báo khoa học đã được công bố của tác giả 
và 03 phần phụ lục. 
3 
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. 

N
i
iii tAtX
1
)sin()( 
4 
1.2. Bảo mật tín hiệu thoại đầu cuối 
1.2.1. Đặc điểm, yêu cầu bảo mật tín hiệu thoại 
a) Độ che lấp tiếng nói được hiểu là khả năng không thể hiểu được nội 
dung thoại khi không giải mã. 
b) Độ rõ còn lại (Residual Intelligibility) hay còn được gọi là tính dễ 
hiểu còn lại, là khả năng khôi phục được thông tin từ bản mã. 
c) Độ mật. Là khả năng không giải mã được trong một khoảng thời gian, 
gọi là thời gian bảo mật. Độ mật còn được đánh giá bằng độ phức tạp để 
có thể tìm lại tín hiệu rõ. 
d) Chất lượng tiếng nói sau khi giải mã phải đảm bảo người nghe nhận 
được thông tin qua đàm thoại, nhận dạng được người nói. 
e) Mở rộng băng thông. Tín hiệu thoại sau khi mã hóa đảm bảo không 
vượt qua băng thông ban đầu mới truyền qua được kênh băng tần hẹp. 
f) Tính thời gian thực. Độ trễ mã hóa là không thể tránh khỏi. Nó bao 
gồm thời gian tính toán xử lý và kích thước khung xử lý. Độ trễ này phải 
được giới hạn để đảm bảo tính thời gian thực của thông tin thoại. 
g) Phân loại các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại. Có hai loại mã hóa 
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. 
Hình 1.10. Sơ đồ khối của phương pháp mã số 
b) Những thuật toán mã hóa 
Mã dòng là một dạng biến đổi loạt, biến đổi tuần tự bản rõ R 
thành bản mã M theo bit. Bộ tạo dãy khoá K sinh ra dãy các bit 
(k1,k2,...,ki,...) và được cộng modul 2 với dãy các bit bản rõ (r1,r2,...,ri,...) 
để có kết quả bản mã : 
iii krm  (1.13) 
 Mã khối thao tác trên khối bit có độ dài cố định. Nhiều mã khối 
)(txa
)(' tx a
 kx
'u
u
 'kx
 ky
 ky'
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 
c) Thước đo khoảng cách phổ. 
d) Phổ đoạn tỷ lệ tín trên tạp 
Kết luận chương 1 
Các kết quả chính mà Chương 1 đạt được bao gồm: 
1. Tín hiệu thoại có những đặc điểm riêng, dẫn đến bảo mật tín 
hiệu thoại có những đặc trưng riêng. Do nhận biết tiếng nói là chủ quan 
con người nên để đánh giá theo giải tích hiệu suất của bảo mật tín hiệu 
thoại là bài toán rất khó, ngoài việc nghe thử trực tiếp tín hiệu mã các 
nhà nghiên cứu đã dùng các thước đo cảm quan để đánh giá một cách 
tương đối những kỹ thuật bảo mật tín hiệu thoại. 
2. Nhiều phương pháp bảo mật tín hiệu thoại đã được đề xuất 
với mục tiêu tăng độ che lấp tiếng nói, giảm độ rõ còn lại, tăng độ mật 
với không gian khóa lớn, độ phức tạp phân tích mã cao; giảm trễ mã hóa 
để đảm bảo tính thời gian thực. Tuy nhiên, các kỹ thuật bảo mật thoại 
tương tự ít quan tâm đến khả năng che dấu lỗi của biến đổi đầu vào và 
biến đổi đầu ra phụ thuộc biến đổi đầu vào (chính là biến đổi ngược của 
biến đổi đầu vào), đồng thời để cho không gian khóa lớn cần đòi hỏi độ 
phức tạp tính toán lớn. 
3. Mục tiêu của luận án là nghiên cứu đề xuất phương pháp biến 
đổi đầu vào có khả năng che dấu lỗi, biến đổi đầu ra độc lập với biến đổi 
đầu vào và cải tiến lược đồ tạo khóa cho không gia khóa lớn và độ phức 
tạp tính toán thấp. Đồng thời, luận án cũng chỉ ra cách thức áp dụng 
phương pháp trên vào bảo mật tín hiệu thoại thời gian thực nhằm tạo ra 
chất lượng tiếng nói đảm bảo, độ che lấp tốt và độ mật cao. 
7 
CHƯƠNG 2 
TẠO KHÓA TRONG BẢO MẬT THOẠI TƯƠNG TỰ 
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, nqqq ...,,, 21 của n phần tử nppp ,...,, 21 , 
trong tổng số n! cách sắp xếp, được gọi là một hoán vị bậc n . Ký hiệu: 
n
n
i qqq
ppp
p
...,,,
...,,,
21
21 (2.1) 
Ma trận hoán vị, Pi của hoán vị ip này là ma trận vuông (nxn) mà mỗi 
cột của nó có một giá trị bằng 1, các giá trị khác bằng 0 thỏa mãn: 
 ),....,,(...,,, 2121 nn qqqppp iP (2.2) 
và: 
 -1iP),....,,(...,,, 2121 nn qqqppp (2.3) 
với Pi-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận Pi. 
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, Pi, trong S tồn tại 1 và chỉ 1 P-1i, 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, Pi, có thể 
8 
liên quan đến tham số, D(Pi,I) đo khoảng cách từ Pi tới I. Yêu cầu đầu 
tiên có thể chuyển đổi thành: 
 thi DIPD , (2.4) 
Dth là một giá trị ngưỡng được lựa chọn cho giới hạn khó nghe của tín 
hiệu mã tới một mức chấp nhận được. 
Đòi hỏi thứ hai yêu cầu hai vấn đề: 
1) Ánh xạ hoán vị phải là 1-1, nghĩa là: 
NiiiPP ,...,2,1,))((1 (2.5) 
N là chiều dài khung hoán vị. 
2) Sự so sánh giữa hai khóa. Khoảng cách giữa bất kỳ một cặp 
khóa ít nhất là ngưỡng, được hiểu là: 
 jiDPPD thji  , (2.6) 
Rất khó khăn để thiết lập thuật toán xây dựng lý thuyết tập S từ N! hoán 
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 id là vị trí mới của phần tử thứ i trong sắp xếp ban đầu. 
Bậc thay thế -OD được định nghĩa: 
ini
dipOD 
 1
min)( (2.8) 
Khoảng cách hoán vị trung bình MDP của hoán vị p được định nghĩa: 

n
i
idin
pMDP
1
1)( (2.9) 
2.2.1. Thước đo MDP trong hoán vị. 
a) MDP lớn nhất. 
Định lý 1: MDP lớn nhất trong tất cả các hoán vị bậc n được 
tính: 
9 
mmn
n
n
mmnn
MDP
1;12
2
1
2
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
nMDPav 3
12 
 (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: 
 
 !
1...
!2
1
!1
1
!0
1!
!
1!
0 n
n
r
nD
nn
r
r
n (2.23) 
 và công thức truy hồi tính Dn 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/
max (2.33) 
2.2. Lược đồ Raymond. 
2.2.1. Ánh xạ một hoán vị tới một chỉ số 
2.2.2. Ánh xạ một một số nguyên tới hoán vị 
2.2.3. Lược đồ hoán vị Raymond 
10 
Mục tiêu: Tạo hoán vị có tất cả các phần tử di chuyển khỏi vị trí 
ban đầu của nó. 
Giải pháp: Tạo bộ số bộ thừa số ],...,,[c
132
g ggg ccc
nn 
 , 
11;0 njjc g
j
 từ số nguyên g , 0 ≤ g≤ (n-1)!: 
gggg
n cccncng n 123 !1!2...)!3()!2( 2 (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 132g ggg ccc nn là 
duy nhất với số nguyên f đáp ứng các điều kiện của thuật toán D. Đặt 
0;3; 22 dvànicd i
g
i (2.48) 
Phương trình (2.47) trở thành: 
 !1.!2....)!1()!1.( 231 ddndndf nn (2.49) 
Áp dụng vào thuật toán P. 
Thuật toán D (Lược đồ xáo trộn Raymond) : Cho trước một số 
nguyên g, 0≤g≤(n-1)!, một hoán vị của n phần tử (U1,U2,,Un) được tạo 
ra mà tất cả phần tử trong (U1,U2,,Un) thay đổi vị trí so với vị trí ban 
đầu của nó và chỉ có một hoán vị duy nhất với 1 số nguyên g. 
1. Khởi tạo (U1,U2,,Un) theo thứ tự tăng dần. 
2. với i=2 tới n 
a. Đặt )1(mod igdi 1 idm ; igg / ; 
 b. Đổi chỗ Um và Ui 
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, KRaymond 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 
Lược đồ đề xuất: Lược đồ xáo trộn thực hiện với khung xáo 
trộn có độ dài N. Bộ tạo số ngẫu nhiên trên cơ sở thanh ghi dịch tuyến 
tính phản hồi (LFSR Linear Feedback Shift Register ) với mầm khởi tạo 
cho bộ tạo số giả ngẫu nhiên S0 
Bước 1: Khởi tạo bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR với S0. 
Bước 2: Với khung thứ j, j=1,, mẫu ban đầu (I1,I2,IN). 
với i=2,N 
 2A. Rịj=một số ngẫu nhiên 8 bit từ bộ tạo số giả ngẫu nhiên; 
 2B. k= Rij mod (i-1) +1. 
 2C. Đổi vị trí ... hể 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 
nguyên lớn cỡ (n-1)!, đồng thời cho phép mã hóa mỗi khung tiếng 
nói 1 khóa. 
Nội dung của chương này liên quan đến các bài báo số [4] [5] (Danh 
mục các công trình khoa học đã công bố của tác giả). 
15 
CHƯƠNG 3 
MỘT GIẢI PHÁP BẢO MẬT TÍN HIỆU THOẠI BIẾN 
ĐỔI MIỀN 
3.1. Đặt vấn đề 
Những phương pháp bảo mật thoại tương tự biến đổi miền có 
những đặc điểm: 
 Băng thông tiếng nói rõ /mã: 300Hz-3400Hz. 
 Tần số lấy mẫu sf <=8000Hz, 8 bit. 
 Biến đổi F có biến đổi nghịch đảo F-1 và xxFF  ))((1 . 
 Biến đổi F có biến đổi nhanh đáp ứng nhu cầu thời gian thực. 
 Được xử lý theo khung N mẫu với N =256 hoặc N=512. 
 Hoàn vị P và P-1 đảm bảo 12/,...,1,0))((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 
 
12
0
)
2
1
)(
2
1
(cos)()(
2
)(
M
n
ii
Mnk
M
nynh
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)(ˆ
M
k
ii
Mnk
M
kX
M
ny (3.4) 
với i là chỉ số khối, n=0, 1, ..., 2M-1,và toán tử cộng chồng lấp: 
 )(ˆ)()(ˆ)(ˆ 1 nynhMnyMnhnx iii (3.5) 
với 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 
Biến đổi MDCT với cửa sổ hình sin có đặc tính tái tạo hoàn 
thiện và lọai bỏ biệt danh miền thời gian. 
3.2.3. Thuật toán tính toán nhanh MDCT. 
Để tính toán MDCT theo công thức (3.3) độ phức tạp tính toán 
là O(M2). Thuật toán MDCT4 tính toán nhanh trên cơ sở tính toán nhanh 
DFT đưa độ phức tạp tính toán về O(M/2 log(M/2)). 
3.3. Ứng dụng G.726 và ánh xạ QAM. 
3.3.1. ITU-T G.726. 
Thực hiện lập mã tiếng nói trên cơ sở điều chế xung mã sai phân 
thích nghi với dự báo và lượng tử hóa thích nghi. Sử dụng thuật toán 
LMS và lượng tử hóa thích nghi phản hồi. Sự thích nghi của dự báo và 
lượng tử hóa được thực hiện truy hồi. Chuẩn ITU-T G.726 có thể lập mã 
tiếng nói với các tốc độ 40kbps, 32kbps, 24kbps và 16kbps. 
3.3.2. Ánh xạ QAM. 
Ánh xạ một số nguyên trong khoảng [0,M-1] thành số phức 
(Ii,Qi). Giá trị nhỏ nhất của (Ii,Qi) là ( 1, 1) và là một thành phần của ma 
trận vuông LxL. 
17 
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 , độ dài NP vào vs từ vị trí s đến 
1 NPs . 
Bước 3. Thêm vào phần đối xứng: 
12/,..2,1)(()( NFFTiivsconjiNFFTvs (3.50) 
 Bước 4.Tính tín hiệu ra thông qua IFFT: 
)256,(vsIFFTy (3.51) 
3.5. Bộ mã hóa đề xuất 1 
3.5.1. Nguyên lý. 
 
)1,1(...)1,3(),1,1(
)3,1(...,3,3()3,1(
)1,1(...)1,3(1,1
,
LLLLLL
LLLLLL
LLLLLL
QI ii
18 
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 
2 Loại truyền thông Bán song công 
3 Độ rộng băng thông kênh truyền 4kHz; 0-4000Hz 
4 Độ rộng băng thông tín hiệu tiếng nói đầu vào 2,9kHz:300-
3200Hz 
5 Tần số lấy mẫu đầu vào 6500Hz 
6 Độ dài khung tín hiệu tiếng nói đầu vào (xử lý 
tín hiệu MDCT) 
2x208 
7 Độ dài khung FFT (đầu ra kênh truyền) 256 
8 Tần số DA đầu ra, AD đầu vào tiếng nói đã mã 8000 
9 Số thành phần tần số xáo trộn 104 
3.5.2. Thủ tục mã hóa giải mã 
Tín hiệu tiếng nói đầu vào )(txa được số hóa thành PCM 8 bit, 
sinf Hz, được chia thành các khung con với chiều dài 2*M, mỗi lần xử lý 
1 khung với độ chồng lấp 50% thời gian mỗi khung mstFin 32 . Mỗi lần 
xử lý biến đổi MDCT cho ta chuỗi phức u có độ dài M/2 hay M hệ số 
biến đổi MDCT. Chuỗi phức này được hoán vị thủ tục tạo hóa HV tạo 
hoán vị thành chuỗi phức v . Chuỗi v này qua thủ tục XLDR tạo thành 
chuỗi y qua DA truyền lên kênh. 
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. 
Hình3.5. Mô hình thực hiện đánh giá 
20 
3.6.1. Độ mật 
Khóa mã hóa tạo ra trong thủ tục đề xuất với số phần tử hoán vị 
n đạt không gian khóa cỡ (n-1)! với bộ mã hóa đề xuất 1 không gian 
khóa là 103! với bộ mã hóa đề xuất thứ 2 đạt cỡ 95!. Đây là không gian 
khóa đủ lớn. 
Vị trí của mẫu tiếng nói trong khung hoán vị được quyết định 
bởi đầu ra bộ tạo số giả ngẫu nhiên LFSR có tính phân bố đều, xét duyệt 
toàn bộ những giá trị của bộ tạo số ngẫu nhiên này là không thể, do vậy 
độ phức tạp phân tích mã lớn. 
 Mỗi khung tiếng nói được mã hóa với một khóa hoán vị khác 
nhau, dẫn đến tránh hiện tượng trùng khóa, nâng cao độ mật. 
3.6.2. Độ che lấp. 
Hình 3.7, 3.8 là tần số của tín hiệu tiếng nói ban đầu, mã hóa và 
ảnh phổ của tín hiệu tiếng nói ban đầu, mã hóa, giải mã giải pháp 1. Phổ 
tín hiệu mã hoàn toàn khác so với tín hiệu đầu vào hay cấu trúc của tiếng 
nói đã bị phá vỡ. 
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
 lí
n 
-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 
lí
n 
21 
Hình 3.8. Ảnh phổ tín hiệu ban đầu, mã hóa và giải mã giải pháp 1. 
Hình 3.10.Tần số tín hiệu tiếng nói ban đầu và đã mã giải pháp 2 
Hình 3.11. Ảnh phổ tín hiệu ban đầu, mã hóa , giải mã theo giải pháp 2 
-4000 -3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000 4000
0
500
1000
1500
2000
Phæ biªn ®é tiÕng nãi ban ®Çu 
Thêi gian f[Hz]
§
é 
lí
n 
-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 
lí
n 
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 
LPCDistance 2.4 0.1 2.6 0.36 2.56 0.25 3.1 0.3 
CepDistance 4.7 -74 5.75 -0.5 4.28 -2.8 4.6 -
17 
Segmental SSNN 0.02 30 0.05 33 -1.8 31 -37 29 
(M: tiếng nói mã, T: tiếng nói tái tạo) 
Từ những kết quả trên cho thấy độ che lấp tiếng nói tốt. 
3.6.3. Khả năng chống nhiễu và chất lượng tiếng nói 
Sau khi giải mã chất lượng tiếng nói tốt, nghe hiểu được nội dung, nhận 
dạng được người nói. Với giải pháp 1, cho khả năng che giấu lỗi của 
lược đồ mã hóa đề xuất, cho độ lợi chống nhiễu cỡ 1dB 
3.6.4. Tính thời gian thực 
Với giải pháp 1, độ phức tạp tính toán: 
 O(M/2 log(M/2))+ NP( phép gán+ mod+ Đổi vị trí). + O(N 
log(N)). Với độ phức tạp này hoàn toàn có thể thực hiện trong hệ thống 
thời gian thực. Độ dài khung mã hóa 32ms, với hai khung chồng lấp độ 
trễ của bộ mã hóa đề xuất 1 cỡ 64ms+ thời gian tính toán 
Kết quả thực hiện bộ mã hóa đề xuất 1 với Kit DSK5416, trên 
mô hình mã hóa, giải mã tại chỗ cho thấy tiếng nói sau khi giải mã đáp 
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: 
Nghiên cứu tổng quan về bảo mật đầu cuối tín hiệu thoại, phân 
tích đặc trưng của tiếng nói cho thấy bảo mật tín hiệu thoại ngoài việc 
đáp ứng độ mật, còn phải đáp ứng yêu cầu về độ che lấp tiếng nói, độ rõ 
còn lại, tính thời gian thực và yêu cầu về băng thông. 
Nghiên cứu về bài toán tạo khóa trong mã thoại tương tự, nhiều 
khóa hoán vị cho tiếng nói đã mã có độ che lấp thấp, do vậy cần có 
những tham số và ngưỡng lựa chọn để đánh giá khóa tạo ra. Với thước 
đo và ngưỡng được lựa chọn này, cần có những đánh giá lại về không 
gian khóa có thể tạo ra. Hai thước đo được lựa chọn sử dụng là bậc thay 
thế và khoảng cách hoán vị trung bình. 
24 
Nghiên cứu về kỹ thuật xử lý tín hiệu đầu vào, đầu ra đã mã của 
các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại tương tự biến đổi miền. Để đảm 
bảo không gia tăng nhiễu kênh truyền, tính thời gian thực và tiếng nói tái 
tạo chấp nhận được, những kỹ thuật xử lý đầu vào là những biến đổi trực 
giao có thuật toán tính toán nhanh. Trong khi đó, để đảm bảo tín hiệu có 
thể truyền được kênh thoại, xử lý đầu ra đã mã thường là biến đổi ngược 
của biến đổi xử lý tín hiệu đầu vào. 
Đóng góp mới của luận án: 
Trên cơ sở lược đồ tạo khóa Raymond, luận án đề xuất lược đồ 
tạo khóa sử dụng bộ tạo số giả ngẫu nhiên, làm giảm độ phức tạp tính 
toán và tài nguyên thiết bị, cho phép mã hóa mỗi khung tiếng nói với 
một khóa. Kết quả chứng minh của luận án cho thấy lược đồ cải tiến do 
luận án đề xuất có các thước đo, không gian khóa là tương đương với 
lược đồ của Raymond. 
Với mục tiêu nâng cao chất lượng tiếng nói tái tạo và khả năng 
giấu lỗi, luận án đề xuất sử dụng biến đổi chồng lấp trực giao MDCT 
trong xử lý tín hiệu tiếng nói đầu vào. Thực nghiệm mô phỏng đã khẳng 
định tính đúng đắn của giải pháp do luận án đề xuất và độ lợi SNR thu 
được cỡ 1dB. Đồng thời luận án còn đề xuất sử dụng chuẩn ITU-T 
G.726 kết hợp ánh xạ QAM trong biến đổi xử lý đầu vào, nhằm loại bỏ 
hầu như hoàn toàn âm điệu tiếng nói trong tín hiệu đã mã. Thực nghiệm 
mà luận án tiến hành cho thấy tín hiệu đã mã gần như tín hiệu nhiễu 
trắng, không còn cấu trúc và âm điệu. 
Đề xuất giải pháp xử lý tín hiệu đầu ra đã mã trên cơ sở sử dụng 
tính đối xứng của biến đổi IFFT cho phép chủ động lựa chọn băng thông 
đáp ứng được kênh truyền đồng thời góp phần thay đổi hình dạng của tín 
hiệu trên đường truyền. 
Hướng nghiên cứu tiếp theo: 
Hướng nghiên cứu tiếp là tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện các ánh 
xạ loại bỏ được âm điệu tiếng nói, các ánh xạ có thể thay thế, không cần 
sử dụng thuật toán nén tiếng nói để giảm độ phức tạp tính toán của bộ 
mã hóa. 
25 
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG 
BỐ 
1. La Hữu Phúc ,”Bảo mật trong mạng GSM”, Tạp chí nghiên cứu 
KHKT&CNQS, số 9,10-2010 trang 30-34 
2. La Hữu Phúc ,”Truyền dữ liệu qua kênh thoại GSM bằng tiếng nói 
tổng hợp”, Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS, số 9,10-2010 
trang 62-68 
3. La Hữu Phúc “Bảo mật thoại đầu cuối với MDCT”. Tạp chí nghiên 
cứu KHKT&CNQS số 29,2-2014 trang 46-52 
4. La Hữu Phúc “Một lược đồ tạo khóa cho bảo mật thoại tương tự”. 
Tạp chí nghiên cứu KHKT&CNQS số 30,4-2014 trang 22-26. 
5. La Hữu Phúc, Nguyễn Hồng Quang, Dương Phúc Phần (2014), 
“Không gian khóa trong mã hóa xáo trộn tiếng nói”, Báo cáo 
tại Hội nghị Quốc gia lần thứ 7 về Nghiên cứu cơ bản và ứng 
dụng Công nghệ thông tin (FAIR) Thái nguyên ngày 19-
20/6/2014.