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基于USB Audio设备类的音频密钥系统设计

作　者: 丁霄鹏
导　师: 李萍
学　校: 上海交通大学
专　业: 电路与系统
关键词: USB音频语音识别 MFCC 固件
分类号: TP309.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

USB接口借助其通用性和使用方便性,成为越来越多的手持设备乃至较大型外接设备的标准接口。以USB为传输接口的密钥系统也在安全系统领域普及,但是单纯把加密数据保存在USB密钥中并不能完全保证用户数据的安全,密钥的丢失会给用户数据带来失窃的可能。语音识别技术从上世纪五六十年代即开始研究,目前已经进入了一个较为成熟的应用阶段,所以本文考虑使用用户永远丢不了的东西:声音作为安全保证。选择求取语音信号的MFCC特征值作为用户数据比对留存。此外,提出了一种把语音信号的采集与处理放置在手持嵌入式设备上完成的方案。这样既有助于把语音特征数据在设备端做单独加密,进一步增强系统的安全性;也减轻了服务器端的运算压力,使服务器远程验证密钥成为可能。本文采用USB接口作为密钥设备与服务器主机端的信息交互接口,基于USB Audio设备类协议,设计了控制麦克风的USB音频设备结构。为了增强系统的通用性,选择Windows xp作为服务器工作的操作系统,在设备端和主机端设计了USB密钥系统通讯协议,用于主机配置设备端音频ADC采样特性和MFCC特征值提取方案,以及设备向主机端反馈音频ADC当前配置和发送提取得到的MFCC特征值。这套通讯协议建立在操作系统标准usbaudio.sys驱动基础之上,在主机端通过调用Windows api音频库函数实现,使该系统无需开发和安装专用主机驱动程序,也简化了本系统的使用。本文分析了MFCC特征提取算法,提出了在语音输入准备期先录入一定帧数的环境噪声,通过对环境噪声的频谱分析,对其后录入的语音做改进谱相减操作,以消除白噪声。而对音乐噪声残留,设计了“首次录入密语掩蔽比较法”,即在主机端,对在较安静环境下首次录入的密语做谱相减后的语音信号,求取其掩蔽门限值并保存,这样之后每次做验证操作时,比较环境噪声功率谱密度和掩蔽门限以决定是否进行掩蔽门限去噪操作。增强算法准确性的同时,尽可能降低了算法的复杂度。针对嵌入式系统运行环境,本文改进了浮点转定点的运算结构,按照MFCC算法步骤需要,将浮点转定点的转换分为三类:单纯浮点参数转换、单纯浮点函数转换和特定浮点函数转换。其中对单纯浮点函数转换,采纳了坐标旋转数字计算机(CORDIC)算法实现。而对特定浮点函数转换,采用查表法实现,为了减小设备端固件程序大小,将特定浮点函数值列表预先建立和保存在主机端,在开启语音验证操作前,通过自定义USB音频密钥通讯协议,按照用户在主机端对音频设备和MFCC特征提取的配置,将相应函数值列表通过USB发送给设备使用,大大缩小了代码占用空间。本文尝试采用结合USB接口的通用性和语音识别技术的安全性,达成一个安全方便的手持式音频密钥,并且完成了从设备端固件到服务器主机端应用程序的设计,实验测试结果表明,本系统对时长3秒左右的密语,最高在16K赫兹采样率下能同时保证实时性和82.5%的辨识率。本文提出的方案、音频密钥通信协议和改进的算法均达到了预期的效果。

全文目录

摘要  4-7
ABSTRACT  7-14
第一章概述  14-22
  1.1 课题背景和研究意义  14-15
  1.2 音频密钥系统简介  15-19
    1.2.1 音频密钥系统结构  15-17
    1.2.2 音频密钥系统实现的技术难点  17-19
  1.3 论文研究内容和安排  19-22
第二章建立在USB 协议上的音频设备  22-40
  2.1 传统意义上的音频设备  22-23
  2.2 USB 音频设备的优点  23-26
    2.2.1 即插即用  23-24
    2.2.2 高支持度  24
    2.2.3 高传输速率  24-25
    2.2.4 可扩展性  25-26
  2.3 USB 音频设备结构分析与设计  26-31
    2.3.1 USB 音频设备的逻辑结构  26-27
    2.3.2 USB 音频设备类功能模块分析  27-30
    2.3.3 本系统的USB 音频设备类结构设计  30-31
  2.4 USB 音频设备枚举流程  31-39
    2.4.1 USB 数据传输类型  32
    2.4.2 USB 音频设备描述符分析与设计  32-34
    2.4.3 USB 设备枚举流程中的标准设备命令  34-39
  2.5 本章小结  39-40
第三章 USB 音频密钥通信  40-57
  3.1 USB 音频密钥通信协议  40-45
    3.1.1 音频密钥系统传输数据分类  40-41
    3.1.2 音频密钥通信协议设计  41-43
    3.1.3 建立在Windows 标准音频驱动基础上的协议传输机制  43-45
  3.2 USB 音频通信模块固件程序设计  45-51
    3.2.1 基于ARM 的固件开发工具链  45-48
    3.2.2 通信模块的固件  48-51
  3.3 服务器端应用程序设计  51-55
    3.3.1 应用程序处理策略  51-52
    3.3.2 应用程序策略的实现  52-55
  3.4 本章小结  55-57
第四章 MFCC 语音识别算法的改进与实现  57-80
  4.1 MFCC 语音识别算法基本原理  57-58
  4.2 MFCC 特征提取流程  58-66
    4.2.1 音频帧划分  58
    4.2.2 语音端点检测  58-59
    4.2.3 语音帧预处理  59-61
    4.2.4 FFT 变换  61-65
    4.2.5 频域处理  65-66
  4.3 对MFCC 特征提取算法的改进  66-71
    4.3.1 改进谱相减法去除背景噪声  66-68
    4.3.2 首次录入密语掩蔽比较法去除音乐噪声  68-70
    4.3.3 测试效果  70-71
  4.4 MFCC 特征匹配  71-72
  4.5 MFCC 特征提取算法在嵌入式系统上的实现与改进  72-79
    4.5.1 浮点转定点数运算  72-78
    4.5.2 对特殊浮点转定点运算模块的改进  78-79
  4.6 本章小结  79-80
第五章密钥系统功能测试  80-83
  5.1 系统测试平台  80
    5.1.1 ARM9 硬件平台  80
    5.1.2 基于Windows 系统的服务器环境  80
  5.2 系统测试结果与分析  80-82
  5.3 本章小结  82-83
第六章总结与展望  83-85
  6.1 本文总结  83-84
  6.2 后续工作与展望  84-85
参考文献  85-87
附录1：USB 音频设备描述符格式  87-93
附录2：USB 音频描述符列表  93-99
致谢  99-100
攻读学位期间发表的学术论文目录  100

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