CN105654956A - 适用于声码器前信源语音加密的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于声码器前信源语音加密的方法，包括：将采集到的原始语音数据分帧形成第一子帧和第二子帧；对第一子帧做离散小波正变换后，基于第一乱序序列对部分样本实施乱序，以得到第一子帧加密样本；以全谱同步序列替换剩余部分的样本；对第二子帧做快速傅里叶变换，基于第二乱序序列实施乱序和快速傅里叶反变换，得到第二子帧加密样本；将上述数据发送到声码器；基于第一乱序序列对第一子帧加密样本实施乱序恢复，并实施离散小波反变换，得到第一子帧明文样本；基于第二乱序序列对第二子帧加密样本实施快速傅里叶变换，实施乱序恢复，再实施快速傅里叶反变换，得到第二子帧明文样本；输出。本发明显著提高了语音加密强度。

Description

适用于声码器前信源语音加密的方法
技术领域
本发明涉及一种语音加密方法。更具体地说，本发明涉及一种适用于声码器前信源语音加密的方法。
背景技术
目前电路域移动语音通信制式主要有GSM、CDMA、WCDMA、CDMA2000等，这些移动通信制式的声码器都不同程度使用了LPC(线性预测编码)技术，仅针对语音信号特征实施参数编码，由此导致如果直接对信源语音压缩编码后加密，然后调制成模拟信号，难以穿越各类移动声码器，即便部分穿越，其抗干扰能力弱，还原音质差。传统的声音频域置乱加密强度不够，残余可懂度偏大。
发明内容
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种能够保留声音特征，同时又能穿越声码器的适用于声码器前信源语音加密的方法，显著提高语音加密强度。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种适用于声码器前信源语音加密的方法，包括以下步骤：
步骤一、将采集到的原始语音数据分帧形成第一子帧和第二子帧；
步骤二、对所述第一子帧做离散小波正变换以得到第一子帧变换样本，针对第一子帧变换样本低频方向的3/4长度的样本，基于第一乱序序列对该样本实施乱序以得到第一子帧加密样本；同时以全谱同步序列替换第一子帧变换样本高频方向的1/4长度的样本以得到第一子帧同步样本；对所述第二子帧做快速傅里叶变换以得到第二子帧变换样本，并基于第二乱序序列对该样本实施乱序，然后做快速傅里叶反变换以得到第二子帧加密样本；
步骤三、将步骤二得到的第一子帧同步样本、第一子帧加密样本和第二子帧加密样本组合发送到声码器；
步骤四、所述声码器接收步骤三输出的数据，分离出第一子帧加密样本和第二子帧加密样本，基于第一乱序序列对第一子帧加密样本实施乱序恢复，然后实施离散小波反变换以得到第一子帧明文样本；同时对第二子帧加密样本实施快速傅里叶变换，然后基于第二乱序序列对快速傅里叶变换输出数据实施乱序恢复，然后再实施快速傅里叶反变换以得到第二子帧明文样本；
步骤五、对步骤四中得到的第一子帧明文样本和第二子帧明文样本组合输出。
将采集到的原始语音数据分帧形成第一子帧和第二子帧分别采取一系列的变换和乱序后得到加密后的语音数据，然后再经过相应的反变换和乱序恢复得到解密后的语音数据，既保留了声音特征，同时又能穿越声码器，显著提高了语音加密强度。
优选的是，所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤一中将采集到的原始语音数据分帧形成长度分别为N*4的第一子帧和长度为2r第二子帧，其中，N为512或1024，r为大于9的自然数，以保证更好的频率分辨率。
优选的是，所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤二中基于第二乱序序列对第二子帧变换样本第M3～M2/2个频点实施乱序，并共轭对称到第M2/2+2～M4个频点，其中，M2为所述第二子帧的长度，M3与M4的取值原则是全覆盖200Hz～3400Hz的整个声音频段，方法简单，显著增加了加密强度。
优选的是，所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤四中基于第二乱序序列对快速傅里叶变换输出数据的第M2/2+2～M2个频点实施乱序恢复，其中，M2为所述第二子帧的长度，方法简单，显著增加了加密强度。
优选的是，所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述全谱同步序列的构造表达式为：其中，APS为全谱同步序列，αk为第k个正弦信号的幅度、fk为第k个正弦信号的频率、Fs为采样率、为第k个正弦信号的初相位、N为正弦信号的样本长度，N为2p，p为自然数，fk＝(Fs/N)*q，200<＝q<＝2000，q为自然数，确保了基于APS序列可以精准同步。
优选的是，所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤二中的第一乱序序列和第二乱序序列的构造方法如下：
基于高阶本原多项式和密钥种子，通过线性移位反馈寄存器得到高阶伪随机序列S1和S2，S1与S2的长度分别为3*N和iM2/2-1，并根据某个线性映射规则将S1与S2分别映射为SS1和SS2，SS1为1～3*N之间的自然数的某个伪随机乱序排列，SS2为1～(iM2/2-1)之间的自然数的某个伪随机乱序排列，其中，M2为所述第二子帧的长度，N为自然数。
优选的是，所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述高阶本原多项式的阶数不小于256。
本发明至少包括以下有益效果：APS序列由一系列声音频段内的不同频率、不同幅度、不同初相位的单音信号叠加而成，充分利用了各类移动声码器均能较好传输声音频段基因段的单音信号的特性；APS在时域上表现为符号跳变由慢到快，在频域上表现为覆盖整个基音段，这种特性确保了基于APS序列可以精准同步。本发明发掘了信源语音数据经过离散小波变换后依然保留语音特征，能够较好的穿越各类移动声码器的特性，并结合频域置乱技术，同时使用两种时频域变换和不同的伪随机置乱，大大增加了加密强度。离散小波变换置乱与快速傅里叶变换置乱均在整个声音频段置乱，而不是传统的分段置乱或者简单的倒序谱置乱，十分显著的增加了加密强度。利用本发明可以开发独立于各类电路域语音通信终端的独立的小型或微型化的加密终端，既可民用，也适用于党政军警和企事业单位，尤其是紧急事态下的基于民用通信网络的安全通信。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明所述的适用于声码器前信源语音加密步骤的示意图；
图2为本发明所述的适用于声码器前信源语音解密步骤的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
本发明提出了一种适用于声码器前信源语音加密的方法，简称AP-TFR，即：全谱同步序列(APS)+时频域联合随机置乱(TFUR)语音加密技术，既保证了能够普遍适应各种移动声码器，又同时显著提高加密强度。利用各类移动声码器均能较好传输声音频段基因段的单音信号的特性，构造声音频段基音段的符合单音序列用以精准同步，称之为全谱同步序列，简记为APS。APS在时域上表现为符号跳变由慢到快，在频域上表现为覆盖整个基音段。时频域联合随机置乱包括3部分：一部分为离散小波变换(DWT)时频域变换，一部分为快速傅里叶变换(FFT)频域变换，以及针对两种变换的独立的随机置乱。时频域变换由离散小波变换(DWT)与快速傅里叶变换(FFT)组合而成。随机置乱序列由高阶本原多项式基于通话前密钥交换获得的密钥种子VKey经过线性移位反馈寄存器生成并线性映射为乱序序列。第一乱序序列SS1用以DWT置乱，第二乱序序列SS2用以FFT置乱。
如图1和图2所示，本发明提供一种适用于声码器前信源语音加密的方法，包括以下步骤：
步骤一、将采集到的原始语音数据预加重后，分帧形成总长度为M，分帧长度分别为M1的第一子帧和M2的第二子帧，其中，M＝(M1+M2)，Xi＝【XiM1，XiM2】。
步骤二、对所述第一子帧XiM1做至少两层离散小波正变换以得到第一子帧变换样本YiM1，针对第一子帧变换样本低频方向的3/4长度的样本YiM1L，基于第一乱序序列SS1对该样本YiM1L实施乱序以得到第一子帧加密样本YiM1LS；同时以全谱同步序列APS替换第一子帧变换样本高频方向的1/4长度的样本以得到第一子帧同步样本；对所述第二子帧XiM2做该第二子帧长度M2点的快速傅里叶变换FFT以得到第二子帧变换样本YiM2，并基于第二乱序序列SS2对该样本YiM2实施乱序，然后做快速傅里叶反变换IFFT以得到第二子帧加密样本YiM2S。
步骤三、将步骤二得到的第一子帧同步样本、第一子帧加密样本和第二子帧加密样本以输出序列Yi＝[APS，YiM1LS，YiM2S]发送到声码器，从而完成时频域置乱加密，经过无线信道发给对方。
步骤四、所述声码器接收步骤三输出的数据，逐个样本求相关峰值搜索APS同步序列，分离出第一子帧加密样本YiM1LS'和第二子帧加密样本YiM2S'，基于第一乱序序列SS1对第一子帧加密样本YiM1LS'实施乱序恢复得到YiM1L，在YiM1L末尾添N个0，然后实施至少两层离散小波反变换以得到第一子帧明文样本XiM1'；同时对第二子帧加密样本YiM2S'实施快速傅里叶变换FFT，然后基于第二乱序序列SS2对快速傅里叶变换输出数据实施乱序恢复，然后再实施快速傅里叶反变换IFFT以得到第二子帧明文样本XiM2'。
步骤五、对步骤四中得到的第一子帧明文样本和第二子帧明文样本Xi'＝【XiM1'，XiM2'】实施FIR平滑降噪滤波后输出到扬声器或者耳机，完成解密。
所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤一中将采集到的原始语音数据分帧形成长度分别为N*4的第一子帧和长度为2r第二子帧，其中，N为512或1024，r为大于9的自然数。
所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤二中基于第二乱序序列对第二子帧变换样本第M3～M2/2个频点实施乱序，并共轭对称到第M2/2+2～M4个频点，其中，M2为所述第二子帧的长度，M3与M4的取值原则是全覆盖200Hz～3400Hz的整个声音频段。
所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤四中基于第二乱序序列对快速傅里叶变换输出数据的第2～M2/2与第M2/2+2～M2个频点实施乱序恢复，其中，M2为所述第二子帧的长度。
所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述全谱同步序列的构造表达式为：其中，APS为全谱同步序列，αk为第k个正弦信号的幅度、fk为第k个正弦信号的频率、Fs为采样率、为第k个正弦信号的初相位、N为正弦信号的样本长度，N为2p，p为自然数，fk＝(Fs/N)*q，200<＝q<＝2000，q为自然数。
所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述步骤二中的第一乱序序列和第二乱序序列的构造方法如下：
基于高阶本原多项式和密钥种子，通过线性移位反馈寄存器得到高阶伪随机序列S1和S2，S1与S2的长度分别为3*N和iM2/2-1，并根据某个线性映射规则将S1与S2分别映射为SS1和SS2，SS1为1～3*N之间的自然数的某个伪随机乱序排列，SS2为1～(iM2/2-1)之间的自然数的某个伪随机乱序排列，其中，M2为所述第二子帧的长度，N为自然数。
所述的适用于声码器前信源语音加密的方法中，所述高阶本原多项式的阶数不小于256。
实施例1
一种适用于声码器前信源语音加密的方法，包括以下步骤：
步骤一、语音通信双方在初始化阶段均需如前述公式构造长度为512、初相位分别为pi/256*k，k＝1……512，的全谱同步序列APS。按照某个产生伪随机序列的规则生成长度分别为1536和410的乱序序列SS1与SS2。SS1由1到1536之间的自然数组成，但其排列顺序由某个伪随机序列驱动产生，具有伪随机特性；SS2由1到410之间的自然数组成，其排列顺序同样由某个伪随机序列驱动产生，具有伪随机特性。
步骤二、采集原始语音样本X＝[x11,x12,x21,x22,x31,x32,...]，其中xi1的样本长度为2048，xi2的样本长度为1024。首先对xi1和xi2预加重，目的是增强高频信号的幅度，使得整个幅度谱相对平坦。
步骤三、对xi1实施2层离散小波正变换(DWT)变换，DWT采用(9，7)正交小波变换，得到1536个低频方向样本xi1L和512个高频方向样本xi1H。根据SS1对xi1L的样本实施乱序得到yi1，使用APS替换掉xi1H；对xi2序列做FFT得到xi2F，对xi2F的第20个到第429个样本及其共轭对称的410个点根据SS2实施乱序得到xi2S，然后对xi2S做IFFT得到yi2
步骤四、组合【yi1,APS,yi2】发送到声码器，从而完成时频域置乱加密，经过无线信道发给对方。【yi1,APS,yi2】的长度与【xi1,xi2】的样本长度相同。
步骤五、声码器接收到【yi1',APS',yi2'】，通过逐点求相关峰值搜索APS同步序列可以分离得到yi1'与yi2'，对长度为1536的yi1'首先再次使用乱序序列SS1再次乱序，得以恢复出原始(9,7)小波变换后的低频的1536个近似样本，并在这1536个样本尾部添加512个0，然后实施2层(9,7)小波反变换得到长度为2048的xi1'；对yi2'实施1024点FFT得到xi2S，然后对xi2S的第20个到第429个样本及其共轭对称的410个点根据乱序序列SS2实施乱序得到xi2F，然后对xi2F做IFFT得到yi2'。
步骤六、组合【xi1'，yi2'】并实施FIR带通平滑降噪滤波后输出到扬声器或者耳机，完成解密。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将采集到的原始语音数据分帧形成第一子帧和第二子帧；
步骤二、对所述第一子帧做离散小波正变换以得到第一子帧变换样本，针对第一子帧变换样本低频方向的3/4长度的样本，基于第一乱序序列对该样本实施乱序以得到第一子帧加密样本；同时以全谱同步序列替换第一子帧变换样本高频方向的1/4长度的样本以得到第一子帧同步样本；对所述第二子帧做快速傅里叶变换以得到第二子帧变换样本，并基于第二乱序序列对该样本实施乱序，然后做快速傅里叶反变换以得到第二子帧加密样本；
步骤三、将步骤二得到的第一子帧同步样本、第一子帧加密样本和第二子帧加密样本组合发送到声码器；
步骤四、所述声码器接收步骤三输出的数据，分离出第一子帧加密样本和第二子帧加密样本，基于第一乱序序列对第一子帧加密样本实施乱序恢复，然后实施离散小波反变换以得到第一子帧明文样本；同时对第二子帧加密样本实施快速傅里叶变换，然后基于第二乱序序列对快速傅里叶变换输出数据实施乱序恢复，然后再实施快速傅里叶反变换以得到第二子帧明文样本；
步骤五、对步骤四中得到的第一子帧明文样本和第二子帧明文样本组合输出。
2.如权利要求1所述的适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，所述步骤一中将采集到的原始语音数据分帧形成长度分别为N*4的第一子帧和长度为2r第二子帧，其中，N为512或1024，r为大于9的自然数。
3.如权利要求1所述的适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，所述步骤二中基于第二乱序序列对第二子帧变换样本第M3～M2/2个频点实施乱序，并共轭对称到第M2/2+2～M4个频点，其中，M2为所述第二子帧的长度，M3与M4的取值原则是全覆盖200Hz～3400Hz的整个声音频段。
4.如权利要求1所述的适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，所述步骤四中基于第二乱序序列对快速傅里叶变换输出数据的第2～M2/2与第M2/2+2～M2个频点实施乱序恢复，其中，M2为所述第二子帧的长度。
5.如权利要求1所述的适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，所述全谱同步序列的构造表达式为：其中，APS为全谱同步序列，αk为第k个正弦信号的幅度、fk为第k个正弦信号的频率、Fs为采样率、为第k个正弦信号的初相位、N为正弦信号的样本长度，N为2p，p为自然数，fk＝(Fs/N)*q，200<＝q<＝2000，q为自然数。
6.如权利要求1所述的适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，所述步骤二中的第一乱序序列和第二乱序序列的构造方法如下：
基于高阶本原多项式和密钥种子，通过线性移位反馈寄存器得到高阶伪随机序列S1和S2，S1与S2的长度分别为3*N和iM2/2-1，并根据某个线性映射规则将S1与S2分别映射为SS1和SS2，SS1为1～3*N之间的自然数的某个伪随机乱序排列，SS2为1～(iM2/2-1)之间的自然数的某个伪随机乱序排列，其中，M2为所述第二子帧的长度，N为自然数。
7.如权利要求6所述的适用于声码器前信源语音加密的方法，其特征在于，所述高阶本原多项式的阶数不小于256。
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Address after: 100085 Beijing Haidian District, Northeast Wangxi Road, No. 8 Courtyard, 2nd Floor 217

Applicant after: Beijing Shield Group Co., Ltd.

Address before: Room 616, 6th floor, Building No. 12, Gongchen Street, Fangshan District, Beijing, 102488

Applicant before: Core shield (Beijing) Information Technology Co., Ltd.

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