CN101631304A - 抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法 - Google Patents

Abstract

抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法是一种全新的针对3G网络主流技术宽带码分多址复用(WCDMA)的端到端语音加密方法。该加密方法通过提供标准语音输入、输出接口模块与WCDMA手机相连接，把WCDMA手机语音信号接入语音加/解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加/解密功能。其中，所述的语音加解密硬件模块(1)是一个基于FPGA处理平台的最小硬件***模块；所述的语音加***模块(2)，是运行于FPGA芯片的软件模块，对语音数据进行加解密；所述的标准语音输入、输出接口模块(3)负责提供标准的耳麦和WCDMA手机的连接口。

Description

抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法

技术领域

本发明是一种抗自适应多速率编码(AMR)第三代移动通信端到端语音加密方法。它主要适用于第三代移动通信主流技术——宽带码分多址复用(WCDMA)网络***，基于抗AMR压缩编码语音加解密算法，采用现场可编程门阵列(FPGA)芯片XC3S500E为基础平台，是一种无线网络终端的端到端安全通信方法。

背景技术

随着第三代移动通信技术(3G)的长足发展，宽带码分多址复用(WCDMA)作为3G的主流技术之一，受到用户越来越多的关注。用户在关注WCDMA通信资费、通信速度等技术的同时，更关注其通信安全。虽然，WCDMA的安全性能已经远远优于全球通***(2G)，但是WCDMA的整个安全体系仅采用了无线信道的加密技术，只能保证手机至基站间无线传输过程中语音信号的加密通信，语音信号在基站间的中继传输过程中仍是以明文形式进行传输。因此WCDMA的安全体系无法保证用户端到端的通信安全。

在国外，先后有德国、以色列、美国等国家的研究机构和团体对2G网络中手机的端到端安全通信领域进行了研究，并相继推出了端到端2G通信网络加密终端。其中德国GSMK公司于2003年11月采用其开发的语音加密技术，发布了名为Cryptophone的语音加密手机，该手机可使同类手机间以及安装了专门软件的电脑间通话不被第三者窃听；以色列Snapshield公司于2005年提出了一种基于GSM智能手机的语音加密技术，并推出了与索尼爱立信T618相连的语音加密模块Snapcell，该模块能够使手机提供点对点的GSM安全通信；美国的TCC公司也于2006年推出了采用语音加密技术的加密手机。然而，以上研究机构或团体的加密技术，由于不具备抗RPE-LTP压缩编码能力，都只能通过2G网络的数据通道进行传输，这类技术存在着明显的缺陷：第一，由于建立IP连接和运用自动重传机制造成的延时问题无法克服，其中建立连接延时可达20-30秒，处理延时0.5-1秒，因此严重影响通话效果。第二，该类技术基于GSM数据通道，因此在通过不同运营商及国际网络时存在互用性的问题，跨网不能互连互通。第三，不支持现有GSM的增值业务，如数据通道的两端不能使用现有的电话卡以及移动网络的一些其他增值业务。

在国内，也有一些研发机构对2G手机的端到端安全通信领域进行了研究。如专利申请号为200710019924.6的发明描述了抗长时预测规则脉冲激励压缩编码全球通手机语音加密方法，该方法是在全球通手机语音通信***的模/数模块和长时预测规则脉冲激励编解码模块之间，接入手机语音加/解密模块，进行语音加解密运算，实现语音加/解密功能。该发明通过GSM网络的语音通道进行传输，具有抗RPE-LTP压缩编码的能力，通话延迟小，能够跨网互连互通，然而该发明仅针对2G网络实现端到端安全通信，无法直接应用于3G网络。专利申请号200710020992.4的发明提出了抗声码器压缩的端到端语音加密装置与方法，具备抗RPE-LTP压缩编码的能力，可通过GSM网络的语音通道进行传输，但其无法克服基站滤波问题，不能实现跨网互通；并且该发明仅针对RPE-LTP压缩编码，无法应用于3G网络之中。

目前，针对3G移动网络中手机语音端到端安全通信的技术还未见报导，已有的一些研究和专利都仅仅是针对2G网络中手机的端到端安全通信。本发明描述的一种抗自适应多速率编码的第三代移动通信端到端语音加密方法，是一种全新的针对3G网络主流技术WCDMA的端到端语音加解密通信技术，其加密强度高，具有抗AMR压缩编码的能力，语音可懂度高，语音质量好，不存在网络兼容性的问题；同时其实现的语音加密过程延迟低；并且由于提供标准语音输入输出接口，可接入任何WCDMA手机的标准语音输入、输出接口进行端到端安全通信，具有普遍适应性。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于提出一种直接在宽带码分多址复用(WCDMA)网络上进行语音信源加密和传输的“抗自适应多速率编码(AMR)第三代移动通信端到端语音加密方法”，该方法具有抗AMR压缩编码的能力。采用本发明的技术，首先可以提供WCDMA手机端到端的安全通信；其次可以大幅降低通话延迟(使延迟大概为0.2秒)；而且由于本发明不改变WCDMA通信***语音通道的特性，跨网间可以互联互通；同时支持WCDMA通信网络所有的增值业务；另外由于具有标准的语音输入、输出接口，使本发明的适用性和通用性更强。

技术方案：本发明的抗自适应多速率编码(AMR)第三代移动通信端到端语音加密方法，通过提供标准语音输入、输出接口模块与宽带码分多址复用(WCDMA)手机相连接，把WCDMA手机语音信号接入语音加解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加解密功能。其中，所述的语音加解密硬件模块是一个基于FPGA处理平台的最小硬件***模块，主要包括：FPGA处理器模块，PROM模块，电源模块，A/D模块以及时钟模块五部分；所述的FPGA处理器模块是基于FPGA芯片的硬件***，是整个语音加解密硬件模块的核心，处理语音信号的加解密运算；所述的PROM模块连接FPGA处理器模块的数据下载接口，上电后，PROM模块将串行配置数据下载到FPGA处理器模块，完成对FPGA处理器模块的初始化配置；所述的电源模块连接FPGA处理器模块和A/D模块的电源接口，负责供电；所述的A/D模块连接FPGA处理器模块的IO管脚，负责语音信号的数/模转换，同时控制FPGA处理器模块收发语音信号；所述的时钟模块连接A/D模块的时钟接口，为A/D模块提供脉冲振荡波。所述的语音加***模块，是运行于FPGA芯片上的软件模块，由语音标准接收/发送算法模块、语音加密/解密算法模块、类语音合成/分解算法模块以及语音信号同步算法模块四部分组成。所述的标准语音输入、输出接口模块主要包括标准话筒输入接口，标准耳机输出接口，WCDMA手机标准语音输入输出接口；所述的标准话筒输入接口连接语音话筒，提供话筒语音信号输入；所述的标准耳机输出接口，连接耳机，将最后的解密语音经耳机输出；所述的WCDMA手机标准语音输入输出接口，用于连接WCDMA手机，负责将加密语音送给手机射频输出和从手机接收加密语音。

语音加***模块存于PROM模块中，***上电后，FPGA模块在主串模式下接收来自外部PROM的语音加***模块，完成FPGA处理器模块和A/D模块的初始化。当手机语音进行加/解密通信时，语音加***模块分别运行语音标准接收/发送算法模块、语音加密/解密算法模块、类语音合成/分解算法模块以及语音信号同步算法模块，从而实现手机语音的加/解密通信，加***模块运行的具体过程为：

1)***初始化：***上电后，FPGA在主串模式下接收来自外部PROM的串行配置数据，完成FPGA的初始化配置，接着FPGA通过其IO管脚向外设A/D模块发送寄存器命令，初始化A/D模块。

2)加密数据：当核心FPGA处理器模块从A/D模块接收到语音信号后，首先运行语音标准接收/发送算法模块，把串行输入的二进制数字信号变换成相对应的数据信号；接着运行语音加/解密算法模块，对语音数据信号按特定方式进行加密；然后运行类语音合成/分解算法模块，对加密后的类语音进行类语音映射变换；再运行语音信号同步算法模块，对加密后的类语音信号加上特定的同步信号；最后运行语音标准发送/接收算法模块，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出。

3)解密数据：当核心FPGA处理器模块从A/D模块接收到加密的语音信号时，首先运行语音标准发送/接收算法模块，把串行输入的二进制数字信号变换成相对应的数据信号；其次运行语音信号同步算法模块，判断是否找到同步信号，若否，则仍以原同步信号位置为准，运行后续模块操作，若是，则首先更新同步信号位置，然后运行后续模块；接着运行类语音合成/分解算法模块，对同步后的类语音信号进行映射逆变换；然后运行语音加/解密算法模块，以特定方式对信号进行解密；最后运行语音标准发送/接收算法模块，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出。

所述的语音标准接收/发送算法模块包含主程序调用、接收数据、缓存输入、串并/并串转换算法以及输出等几个步骤，实现语音的接收和发送，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音标准接收/发送算法模块时，主程序调用该模块进行运算，

2)发送数据：当数据需要发送时，首先对数据进行缓存输入，然后采用并串转换算法模块，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出；

3)接收数据：当接收到串行二进制数字信号时，首先对串行数字信号进行缓存输入，然后采用串并转换算法模块，把输入的串行二进制数字信号变换成相对应的数据信号并行输出。

所述的语音加/解密算法模块包含主程序调用、接收数据、缓存输入、加/解密参数确定、相位加/解密算法、频率加/解密算法、帧置乱加/解密算法以及输出等几个步骤，实现语音的加密和解密运算，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音加/解密算法模块时，主程序调用该模块进行加/解密运算，

2)加密数据：加密语音时，首先缓存输入数据，其次确定相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法的加密参数，接着依次采用相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法对原语音数据进行加密，最后输出加密后的语音数据；

3)解密数据：解密语音时，首先缓存输入数据，其次确定相位解密算法、频率解密算法、帧置乱解密算法的解密参数，接着依次采用帧置乱解密算法、频率解密算法、相位解密算法对加密的语音数据进行解密，最后输出解密后的语音数据。

所述的类语音合成/分解算法模块包含主程序调用、接收数据、缓存输入、类语音映射变换/逆变换、语音增强以及输出等几个步骤，实现类语音的合成和分解运算，具体方法为：

1)主程序调用：***运行类语音合成/分解算法模块时，主程序调用该模块进行类语音合成/分解，

2)合成数据：当数据需要合成时，首先对数据进行缓存输入，接着进行类语音映射变换，再进行语音增强，最后输出合成后的类语音数据；

3)分解数据：当数据需要分解时，首先对数据进行缓存输入，接着进行类语音映射逆变换，再进行语音增强，最后输出分解后的语音数据。

所述的语音信号同步算法模块包含主程序调用、接收数据、缓存输入、同步波形参数确定/同步相关运算、加/去除同步信号以及输出等几个步骤，实现信号的同步发送和接收端的解密恢复，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音信号同步算法模块时，主程序调用该模块实现语音信号的同步发送和接收端的解密恢复，

2)加密数据：首先对数据进行缓存输入，接着确定同步波形的参数，然后加上同步信号，最后输出带有同步信号的数据；

3)解密数据：首先对数据进行缓存输入，接着进行同步相关运算确定同步波形位置，然后去除同步信号，最后输出纯信号数据。

有益效果：本发明一种抗自适应多速率编码(AMR)第三代移动通信端到端语音加密方法具有良好的功能特性：实现了宽带码分多址复用(WCDMA)手机端到端的安全通信，加密强度不低于3DES；经加解密后，语音信号的可懂度不受损失，音质达到WCDMA网络的要求，通话可懂度≥99％，满足通信的实时性要求，应用于WCDMA网络无延迟，处理时延≤200ms；支持跨网的互联互通以及WCDMA网络中的所有增值业务。

附图说明

图1是本发明方法在WCDMA网络中的应用结构图；

图2是本发明方法的***原理图；

图3是本发明方法的***软件和硬件结合示意图；

图4是本发明的电路原理***图；

图5是本发明中FPGA处理器模块和A/D模块级联电路原理图(一)

图6是本发明中FPGA处理器模块和A/D模块级联电路原理图(二)

图7是本发明方法的***软件流程图；

图8是语音标准接收/发送算法模块流程图；

图9是语音加/解密算法模块流程图；

图10是类语音合成/分解算法模块流程图；

图11是语音信号同步模块流程图。

具体实施方式

本发明的抗自适应多速率编码(AMR)的第三代移动通信端到端语音加密方法通过提供标准语音输入、输出接口模块与宽带码分多址复用(WCDMA)手机相连接，把WCDMA手机语音信号接入语音加解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加解密功能。其中：

1.本发明的语音加解密硬件模块1主要包含以下几个子模块：

1)FPGA处理器模块4：以XC3S500E型号的FPGA芯片为核心，具有50万个可编程逻辑块，用于加解密运算。

2)PROM模块5：存储语音加***模块2，上电后，将语音加***模块2串行配置下载至FPGA处理器模块4中。

3)电源模块6：提供1.2V、2.5V、3.3V和5V电压，为FPGA处理器模块4、A/D模块7以及其他片上外设供电。

4)A/D模块7：用于语音信号的数/模转换。

5)时钟模块8：向A/D模块7提供脉冲振荡波。

2.本发明的语音加***模块2包括：

1)语音标准接收/发送算法模块9：接收时，将输入的串行二进制数字信号转换成相对应的数据信号并行输出；发送时，将输入的数据信号转换成相对应的二进制数字信号串行输出。

2)语音加/解密算法模块10：对数据信号进行加/解密，确保加密强度达到3DES的要求。

3)类语音合成/分解算法模块11：将加密后的信号合成符合AMR编码要求的信号，便于在接收端有效解码。

4)语音信号同步模块12：将加密后的信号加上同步信号输出，便于在接收端信号的同步接收和解密恢复。

3.本发明提供的标准语音输入、输出接口模块3，包括以下几个标准接口：

1)标准话筒输入接口：提供话筒语音信号输入。

2)标准耳机输出接口：连接耳机，将最后的解密语音经耳机输出。

3)WCDMA手机标准语音输入输出接口：用于连接WCDMA手机，负责将加密语音送给手机射频输出和从手机接收加密语音。

以下结合附图，对本发明方法各个模块的结构和流程进行详细的说明。

具体方法为：

本发明方法通过所提供的标准语音输入、输出接口模块与宽带码分多址复用(WCDMA)手机相连接，把WCDMA手机语音信号接入语音加解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加解密功能。其中，所述的语音加解密硬件模块1是一个基于FPGA处理平台的最小硬件***模块，主要包括：FPGA处理器模块4，PROM模块5，电源模块6，A/D模块7以及时钟模块8；所述的FPGA处理器模块4作为硬件***的核心，处理语音信号的加解密运算；所述的PROM模块5连接FPGA处理器模块4的数据下载接口，上电后，PROM模块5将串行配置数据下载到FPGA处理器模块4中，完成对FPGA处理器模块4的初始化配置；所述的电源模块6连接FPGA处理器模块4和A/D模块7的电源接口，负责供电；所述的A/D模块7连接FPGA处理器模块4的IO管脚，负责语音信号的数/模转换，同时控制FPGA处理器模块4收发语音信号；所述的时钟模块8连接A/D模块7的时钟接口，为A/D模块7提供脉冲振荡波。所述的语音加***模块2，是运行于FPGA芯片上的软件模块，由语音标准接收/发送算法模块9、语音加密/解密算法模块10、类语音合成/分解算法模块11以及语音信号同步算法模块12四部分组成。所述的标准语音输入、输出接口模块3主要包括标准话筒输入接口，标准耳机输出接口，WCDMA手机标准语音输入输出接口；所述的标准话筒输入接口连接语音话筒，提供话筒语音信号输入；所述的标准耳机输出接口，连接耳机，将最后的解密语音经耳机输出。所述的WCDMA手机标准语音输入输出接口，用于连接WCDMA手机，负责将加密语音送给手机射频输出和从手机接收加密语音。

所述的语音加***模块2运行的具体过程为：

1)***初始化：***上电后，FPGA在主串模式下接收来自外部PROM的串行配置数据，完成FPGA的初始化配置，接着FPGA通过其IO管脚向外设A/D模块发送寄存器命令，初始化A/D模块。

2)加密数据：核心FPGA处理器模块从A/D模块接收到语音信号后，首先运行语音标准接收/发送算法模块9，把串行输入的二进制数字信号变换成相对应的数据信号；接着运行语音加/解密算法模块10，对语音数据信号按特定方式进行加密；然后运行类语音合成/分解算法模块11，对加密后的类语音进行类语音映射变换；再运行语音信号同步算法模块12，对加密后的类语音信号加上特定的同步信号；最后运行语音标准发送/接收算法模块6，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出。

3)解密数据：核心FPGA处理器模块从A/D模块接收到加密的语音信号时，首先运行语音标准发送/接收算法模块6，把串行输入的二进制数字信号变换成相对应的数据信号；其次运行语音信号同步算法模块12，判断是否找到同步信号，若否，则仍以原同步信号位置为准，运行后续模块操作，若是，则首先更新同步信号位置后，然后运行后续模块；接着运行类语音合成/分解算法模块11，对同步后的类语音信号进行映射逆变换；然后运行语音加/解密算法模块10，以特定方式对信号进行解密；最后运行语音标准发送/接收算法模块6，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出。

所述的FPGA处理器模块4中的FPGA芯片的型号为XC3S500E，具有50万个可编程逻辑块，用于加解密运算。所述的电源模块6输入电压为5V，输出电压3.3V、2.5V和1.2V；所述的A/D模块7，正常初始化后，工作频率为8KHZ，同时A/D模块7控制FPGA处理器模块4收发语音信号，使FPGA处理器模块4的收发语音信号频率为2.048MHZ；所述的时钟模块8向A/D模块7提供16.384MHZ的时钟。

所述的语音标准接收/发送算法模块9包含主程序调用、接收数据、缓存输入、串并/并串转换算法以及输出等几个步骤，实现语音的接收和发送，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音标准接收/发送算法模块时，主程序调用该模块进行运算，

2)发送数据：当数据需要发送时，首先对数据进行缓存输入，然后采用并串转换算法模块，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出；

3)接收数据：当接收到串行二进制数字信号时，首先对数字信号进行缓存输入，然后采样串并转换算法模块，把输入的串行二进制数字信号变换成相对应的数据信号并行输出。

所述的语音加/解密算法模块10包含主程序调用、接收数据、缓存输入、加/解密参数确定、相位加/解密算法、频率加/解密算法、帧置乱加/解密算法以及输出等几个步骤，实现语音的加密和解密，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音加/解密算法模块时，主程序调用该模块进行加/解密运算，

2)加密数据：当数据需要加密时，首先缓存输入数据，其次确定相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法的加密参数，接着依次采用相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法对原数据进行加密，最后输出加密后的数据；

3)解密数据：当数据需要解密时，首先缓存输入数据，其次确定相位解密算法、频率解密算法、帧置乱解密算法的解密参数，接着依次采用帧置乱解密算法、频率解密算法、相位解密算法对加密的数据进行解密，最后输出解密后的数据。

所述的类语音合成/分解算法模块11包含主程序调用、接收数据、缓存输入、类语音映射变换/逆变换、语音增强以及输出等几个步骤，实现类语音的合成和分解，具体方法为：

1)主程序调用：***运行类语音合成/分解算法模块时，主程序调用该模块进行类语音合成/分解，

2)合成数据：当数据需要合成时，首先对数据进行缓存输入，接着对数据进行类语音映射变换，再进行语音增强，最后输出合成后的类语音数据；

3)分解数据：当数据需要分解时，首先对数据进行缓存输入，接着对数据进行类语音映射逆变换，再进行语音增强，最后输出分解后的语音数据。

所述的语音信号同步算法模块12包含主程序调用、接收数据、缓存输入、同步波形参数确定/同步相关运算、加/去除同步信号以及输出等几个步骤，实现信号的同步发送和接收端的解密恢复，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音信号同步算法模块时，主程序调用该模块进行信号的同步发送和接收端的解密恢复，

2)加密数据：首先对数据进行缓存输入，接着确定同步波形的参数，然后加上同步信号，最后输出带有同步信号的数据；

3)解密数据：首先对数据进行缓存输入，接着进行同步相关运算，确定同步波形位置，然后去除同步信号，最后输出纯粹的数据。

如图1所示的***结构可知，本发明方法通过提供标准语音输入、输出接口模块与宽带码分多址复用(WCDMA)手机相连接，把WCDMA手机语音信号接入语音加解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加解密功能。应用本发明专利方法，语音从标准话筒输入接口输入，经语音加解密软、硬件模块加密处理后，通过WCDMA手机标准语音输入输出接口送往WCDMA手机射频输出；相似的，加密语音首先从WCDMA手机标准语音输入输出接口输入，经过语音加解密软、硬件模块解密后，从标准耳机输出接口输出。其中所述的语音加解密硬件模块是实现本发明方法的承载平台；所述的语音加***模块是运行于语音加解密硬件模块上的软件模块。

如图2本发明的***原理图所示，本发明方法通过提供标准语音输入、输出接口模块与WCDMA手机相连接，把WCDMA手机语音信号接入语音加解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加解密功能。其中所述的语音加解密硬件模块1包括FPGA处理器模块4，PROM模块5，电源模块6，A/D模块7以及时钟模块8，；语音加***模块2则由语音标准接收/发送算法模块9、语音加/解密算法模块10、类语音合成/分解算法模块11以及语音信号同步算法模块12组成；所述的标准语音输入、输出接口模块3主要包括标准话筒输入接口，标准耳机输出接口以及WCDMA手机标准语音输入输出接口。

初始化过程：当***上电后，FPGA处理器模块4在主串模式下接收外部PROM模块5的串行配置数据，完成其初始化配置，接着FPGA处理器模块4向外设A/D模块7发送寄存器命令，初始化A/D模块7。初始化过程结束后，进行语音加解密通信。加密过程：语音从标准话筒输入接口输入，经A/D模块7变换后输入到FPGA处理器模块4进行处理。FPGA处理器模块4在A/D模块7的时钟信号的控制下调用语音标准接收/发送算法模块9接收语音数据，再依次调用语音加/解密算法模块10、类语音合成/分解算法模块11以及语音信号同步算法模块12，对语音信号进行加密，最后运行语音标准接收/发送算法模块9向A/D模块7发送加密语音。A/D模块7接收到加密语音后，先数/模转换，再通过WCDMA手机标准语音输入输出接口将加密语音经过WCDMA手机射频输出。语音解密过程：加密语音从WCDMA手机标准语音输入输出接口输入，经A/D模块7处理后，在A/D模块7的时钟信号的控制下，FPGA处理器模块4调用语音标准接收/发送算法模块9接收语音数据，再依次调用语音信号同步算法模块12、类语音合成/分解算法模块11以及语音加/解密算法模块10，对加密语音进行解密，最后运行语音标准接收/发送算法模块9向A/D模块7发送解密语音。A/D模块7在收到解密语音后，先进行数/模转换，再通过标准耳机输出接口输出。

如图3所示，本发明的FPGA处理器模块4为整个***的加解密运算核心，而语音加***模块2的最后实现形式是作为固件的方式存储于PROM模块5中。***上电后，FPGA处理器模块4在主串模式下接收存储于PROM模块5中的语音加***模块2，完成其初始化配置，接着FPGA处理器模块4向外设A/D模块7发送寄存器命令，初始化A/D模块7。此时，初始化结束，语音加***模块2运行于FPGA处理器模块4上，将通过FPGA处理器模块4的IO接口与外设A/D模块7交互数据，进行加解密通信过程。

语音加密过程：首先，FPGA处理器模块4调入语音标准接收/发送算法模块9在A/D模块7时序控制下从I/O接口接收语音数据，并且进行语音数据的串并转换；接着，运行语音加/解密算法模块10，对语音数据进行加密；然后，运行类语音合成/分解算法模块11，对加密后的类语音进行映射变换，再次，运行语音信号同步模块12，对加密后的语音数据加上同步信号；最后，再运行语音标准接收/发送算法模块9，将语音数据进行并串转换后，在A/D模块的时钟控制下通过I/O接口把语音数据发送给A/D模块。

语音解密过程：首先，FPGA处理器模块4调入语音标准接收/发送算法模块9在A/D模块7的时钟控制下从I/O接口接收加密的语音数据，然后，分别依次运行语音信号同步模块12、类语音合成/分解算法模块11、语音加/解密算法模块10，对加密后的语音数据进行解密处理，最后，再运行语音标准接收/发送算法模块9，将解密后的语音数据进行并串转换后，通过I/O接口把解密语音输出至A/D模块7。

本发明方法中所述的语音加/解密算法模块10，分别采用相位加/解密算法、频域加/解密算法、帧置乱加/解密算法对语音数据进行处理；所述的类语音合成/分解算法模块11，采用类语音映射变换、语音增强等技术，实现抗AMR的语音加密；所述的语音信号同步算法模块12，用于为加密后的语音提供同步，通过选取一定形式的正弦波，频率在100-4000HZ之间，使得接收端能够同步接收信号。

如图4本发明的总电路原理图所示，***上电后，PROM模块通过TDO(数据输出)、TMS(模式选择)、TCK(时钟)将***程序下载到FPGA处理器模块的程序下载口。FPGA处理器模块接收到***程序后，完成其初始化配置，接着在SCLK(时钟同步)、FS(帧同步)的作用下，从Dout(数据输出)管脚向A/D模块发送寄存器命令，初始化外设的两块A/D芯片。其中，A/D模块初始化后，工作频率为8KHZ。A/D模块不仅负责对语音数据进行数模的变换，同时向FPGA处理器模块提供SCLK(时钟同步)、FS(帧同步)信号，从而控制FPGA处理器模块接收和发送语音数据。语音加解密实现过程如下：

语音信号上行部分：语音从标准话筒输入接口输入至上行A/D模块，经上行A/D模块采样量化后，语音信号流在SCLK(时钟同步)、FS(帧同步)的作用下，从Din(数据输入)管脚输入至FPGA处理器模块的I/O管脚。在FPGA处理器模块中进行如图3所描述的语音标准接收后，进行加密、类语音合成、加同步信号，最后语音标准输出。加密的语音信号流在SCLK(时钟同步)、FS(帧同步)的作用下，从Dout(数据输出)管脚输至上行A/D模块进行数/模变换，最后从WCDMA手机标准语音输入输出接口输出。

语音信号下行部分：加密语音从WCDMA手机标准语音输入输出接口输入至下行A/D模块，经下行A/D模块采样量化后，语音信号流在SCLK(时钟同步)、FS(帧同步)的作用下，从Din(数据输入)管脚输入至FPGA处理器模块的I/O管脚。在FPGA处理器模块中进行如图3所描述的语音标准接收后，进行同步算法运算、类语音分解、解密运算，最后语音标准输出。解密后的语音信号流在SCLK(时钟同步)、FS(帧同步)的作用下，从Dout(数据输出)管脚输出至下行A/D模块进行数/模变换，最后从标准耳机输出接口输出。

如图5和图6，为本发明的FPGA处理器模块和A/D模块级联的电路原理图。语音信号上行部分：语音信号从标准话筒输入接口输入，先经语音接收电路接收，再经放大电路信号放大后，通过混频滤波电路输入至上行A/D芯片。上行A/D芯片模数变换后，语音信号再输入到FPGA处理器模块进行加密处理。接着，加密语音信号经A/D芯片处理后再经放大电路放大，通过WCDMA手机标准语音输入输出接口经WCDMA手机射频输出。语音信号下行部分：加密语音首先从WCDMA手机标准语音输入输出接口输入，然后经放大电路信号放大后经混频滤波电路输入至下行A/D芯片。经下行A/D芯片变换后，加密语音信号输入到FPGA处理器模块进行解密处理。解密后的语音信号经A/D芯片变换后再经放大电路信号放大，最后通过标准耳机输出接口输出。

如图7，本发明技术的***软件运行流程如下，***在上电后执行初始化程序，首先完成FPGA处理器模块和外设A/D模块的初始化配置，然后开始正常的加解密通信。语音加密过程时，首先运行语音标准接收/发送算法模块9，接收输入的二进制数字信号，转换成相对应的数据信号并行输出；接着运行语音加/解密算法模块10，对语音信号按特定方式进行加密；然后运行类语音合成/分解算法模块11，对加密后的类语音进行映射变换；其次运行语音信号同步模块9，对加密语音信号加上特定的同步信号；最后运行语音标准接收/发送算法模块9，将数据信号转换成相对应的二进制数字信号串行输出。语音解密语音时，首先运行语音标准接收/发送算法模块9，接收输入的二进制数字信号，转换成相对应的数据信号并行输出；接着运行语音信号同步模块9，判断是否获得信号同步，若否，则不更新同步信号位置，继续进行后续模块的运算，若是，首先更新同步信号位置，然后运行后续模块；接着运行类语音合成/分解算法模块11，对同步后的信号进行类语音逆映射变换；再运行语音加/解密算法模块10，以特定方式对信号进行解密；最后运行语音标准接收/发送算法模块9，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出。

如图8，本发明技术的语音标准接收/发送算法模块流程所示：模块接收数据时，首先串行数据接收，然后缓存输入，接着采样串并转换算法模块，把输入的串行二进制数字信号变换成相对应的数据信号，最后并行数据输出；模块发送数据时，首先并行数据接收，然后缓存输入，接着采样串并转换算法模块，把输入的串行二进制数字信号变换成相对应的数据信号，最后并行输出。

如图9，本发明技术的语音加密/解密算法模块流程所示：加密数据时，首先缓存输入数据，其次确定相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法的加密参数，接着依次采用相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法对原数据进行加密，最后输出加密后的数据；解密数据时，首先缓存输入数据，其次确定相位解密算法、频率解密算法、帧置乱解密算法的解密参数，接着依次采用帧置乱解密算法、频率解密算法、相位解密算法对加密的数据进行解密，最后输出解密后的数据。

如图10，本发明技术的类语音合成/分解算法模块流程所示：合成数据时，首先对数据进行缓存输入，接着对数据进行类语音映射变换，再进行语音增强，最后输出合成后的类语音数据；分解数据时，首先对数据进行缓存输入，接着对数据进行类语音映射逆变换，再进行语音增强，最后输出分解后的语音数据。

如图11，本发明技术的语音信号同步算法模块流程所示：加密数据时，首先对数据进行缓存输入，接着确定同步波形的参数，然后加上同步信号，最后输出带有同步信号的数据；解密数据时，首先对数据进行缓存输入，接着进行同步相关运算，确定同步波形位置，然后去除同步信号，最后输出纯粹的数据。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明技术的较佳实施例以及其技术构思做出的各种可能的改善或是替换，而所有这些改变或是替换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于通过提供标准语音输入、输出接口模块与宽带码分多址复用手机相连接，将宽带码分多址复用手机语音信号接入语音加解密软、硬件模块，进行语音加解密运算，实现语音加解密功能；其中，所述的语音加解密硬件模块(1)是一个基于FPGA处理平台的最小硬件***模块，主要包括：FPGA处理器模块(4)，PROM模块(5)，电源模块(6)，A/D模块(7)以及时钟模块(8)；所述的FPGA处理器模块(4)作为硬件***的核心，处理语音信号的加解密运算；所述的PROM模块(5)连接FPGA处理器模块(4)的数据下载接口，上电后，PROM模块(5)将串行配置数据下载到FPGA处理器模块(4)；所述的电源模块(6)连接FPGA处理器模块(4)和A/D模块(7)的电源接口，负责供电；所述的A/D模块(7)连接FPGA处理器模块(4)的IO管脚，负责语音信号的数/模转换，同时控制FPGA处理器模块(4)收发语音信号；所述的时钟模块(8)连接A/D模块(7)的时钟接口，为A/D模块(7)提供脉冲震荡波；所述的语音加***模块(2)，是运行于FPGA芯片上的软件模块，由语音标准接收/发送算法模块(9)、语音加密/解密算法模块(10)、类语音合成/分解算法模块(11)以及语音信号同步算法模块(12)四部分组成；所述的标准语音输入、输出接口模块(3)包括：标准话筒输入接口，标准耳机输出接口以及WCDMA手机标准语音输入输出接口；所述的标准话筒输入接口连接语音话筒，提供话筒语音信号输入；标准耳机输出接口连接耳机，将最后的解密语音经耳机输出；WCDMA手机标准语音输入输出接口，用于连接WCDMA手机，负责将加密语音送给手机射频输出和从手机接收加密语音。

2.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于语音加***模块(2)接入语音时，语音加***模块(2)分别运行语音标准接收/发送算法模块(9)、语音加/解密算法模块(10)、类语音合成/分解算法模块(11)以及语音信号同步算法模块(12)，实现WCDMA手机语音的加解密通信，具体方法为：

1)***初始化：***上电后，FPGA在主串模式下接收来自外部PROM的串行配置数据，完成FPGA的初始化配置，接着FPGA通过其IO管脚向外设A/D模块发送寄存器命令，初始化A/D模块，

2)加密数据：核心FPGA处理器模块从A/D模块接收到语音信号后，首先运行语音标准接收/发送算法模块(9)，把串行输入的二进制数字信号变换成相对应的数据信号；接着运行语音加/解密算法模块(10)，对语音数据信号按特定方式进行加密；然后运行类语音合成/分解算法模块(11)，对加密后的类语音进行类语音映射变换；再运行语音信号同步算法模块(12)，对加密后的类语音信号加上特定的同步信号；最后运行语音标准发送/接收算法模块(9)，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出，

3)解密数据：核心FPGA处理器模块从A/D模块接收到加密的语音信号时，首先运行语音标准发送/接收算法模块(9)，把串行输入的二进制数字信号变换成相对应的数据信号；其次运行语音信号同步算法模块(12)，判断是否找到同步信号，若否，则仍以原同步信号位置为准，运行后续模块操作，若是，则首先更新同步信号位置，然后运行后续模块；接着运行类语音合成/分解算法模块(11)，对同步后的类语音信号进行映射逆变换；然后运行语音加/解密算法模块(10)，以特定方式对信号进行解密；最后运行语音标准发送/接收算法模块(9)，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出。

3.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于所述的FPGA处理器模块(4)以XC3S500E型号的FPGA芯片为加解密运算核心；所述的电源模块(6)输入的电压为5V，经过该电源芯片的转换输出电压：3.3V、2.5V和1.2V，电源模块(6)对FPGA处理器模块(4)提供3.3V、2.5V和1.2V的电压，同时对A/D模块(7)提供5V和3.3V的电压；所述的时钟模块(8)向A/D模块(7)提供的时钟频率为16.384MHZ。

4.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于所述的标准语音输入、输出接口模块(3)以及标准耳机输出接口都采用标准3.5mm立体声音频连接口；所述的WCDMA手机标准语音输入输出接口采用标准2.5mm立体声音频连接口。

5.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于语音加***模块(2)中，所述的语音标准接收/发送算法模块(9)包含主程序调用、接收数据、缓存输入、串并/并串转换算法以及输出等几个步骤，实现语音的接收和发送，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音标准接收/发送算法模块时，主程序调用该模块进行运算，

2)发送数据：当数据需要发送时，首先对数据进行缓存输入，然后采用并串转换算法模块，把数据信号变换成相对应的二进制数字信号串行输出；

3)接收数据：当接收到数据信号后，首先对数据进行缓存输入，然后采样串并转换算法模块，把输入的串行二进制数字信号变换成相对应的数据信号并行输出。

6.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于语音加***模块(2)中，所述的语音加/解密算法模块(10)包含主程序调用、接收数据、缓存输入、加/解密参数确定、相位加/解密算法、频率加/解密算法、帧置乱加/解密算法以及输出等几个步骤，实现语音的加密和解密，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音加/解密算法模块时，主程序调用该模块进行加/解密运算，

2)加密数据：首先缓存输入数据，其次确定相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法的加密参数，接着依次采用相位加密算法、频率加密算法、帧置乱加密算法对原数据进行加密，最后输出加密后的数据；

3)解密数据：首先缓存输入数据，其次确定相位解密算法、频率解密算法、帧置乱解密算法的解密参数，接着依次采用帧置乱解密算法、频率解密算法、相位解密算法对加密的数据进行解密，最后输出解密后的数据。

7.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于语音加***模块(2)中，所述的类语音合成/分解算法模块(11)包含主程序调用、接收数据、缓存输入、类语音映射变换/逆变换、语音增强以及输出几个步骤，实现类语音的合成和分解，具体方法为：

1)主程序调用：***运行类语音合成/分解算法模块时，主程序调用该模块进行类语音合成/分解，

2)合成数据：当数据需要合成时，首先对数据进行缓存输入，接着对数据进行类语音映射变换，再进行语音增强，最后输出合成后的类语音数据；

3)分解数据：当数据需要分解时，首先对数据进行缓存输入，接着对数据进行类语音映射逆变换，再进行语音增强，最后输出分解后的语音数据。

8.根据权利要求1所述的抗自适应多速率编码第三代移动通信端到端语音加密方法，其特征在于语音加***模块(2)中，所述的语音信号同步算法模块(12)包含主程序调用、接收数据、缓存输入、同步波形参数确定/同步相关运算、加/去除同步信号以及输出等几个步骤，实现信号的同步发送和接收端的解密恢复，具体方法为：

1)主程序调用：***运行语音信号同步算法模块时，主程序调用该模块进行信号的同步发送和接收端的解密恢复，

2)加密数据：需要加密数据时，首先对数据进行缓存输入，接着确定同步波形的参数，然后加上同步信号，最后输出带有同步信号的数据；

3)解密数据：解密时，首先对数据进行缓存输入，接着进行同步相关运算，确定同步波形位置，然后去除同步信号，最后输出纯粹的数据。

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