CN112614498B - 一种将低速数据调制为类语音信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将低速数据调制为类语音信号的方法，包括构建低速数据流通过基于语音的激励‑共振峰生成模型；定时更新的密钥通过流密码算法生成密钥流，与经过分段得到固定长度的低速数据流通过加密操作得到分段的密文数据流，经过成帧操作得到待调制的信号帧，信号帧通过基于语音的激励‑共振峰生成模型的类语音调制操作得到类语音信号；在解调端接收的类语音信号并经过处理，得到低速数据流。通过本发明可以实现将低速数据调制在激励信号和若干共振峰频率上，产生类语音信号，具有一般语音信号的参数特性，能过在具有声码器的语音通道进行传输，进而实现在声码器语音信道的低速数据传输。

Description

一种将低速数据调制为类语音信号的方法
技术领域
本发明涉及类语音调制的技术领域，尤其涉及一种将低速数据调制为类语音信号的方法。
背景技术
语音通信是日常信息交流不可缺少的方式，对手机、电话机的窃听事件时有发生。手机被安装木马之后，用户的通话很容易通过无线网络被窃听；对电话语音的监听则可以通过对电话线路进行并线的方式达到。如果能够对模拟语音直接进行加密，就可以在语音发送之前就保护好语音信息，防止语音在后续处理、传输过程中被窃听。然而，对模拟语音的加解密一直是信息安全研究的难点之一，其困难之处在于如何使得加密之后的语音仍能通过语音信道进行传输。因为，通常语音加密之后就失去了语音特性。在大多数语音传输***中，为了减少语音传输所需的信道带宽，通常会对语音进行压缩编码，加密后的语音如果丢失了语音特性就不能有效通过这类信道进行传输。
现有的模拟语音加密技术主要包括时域置乱法和频域置乱法。其中时域置乱法是把一段语音信号分为若干片段，通过将各个片段语音的顺序随机打乱进行加密。这种方法的优点是操作简单，解密后的语音可懂度很高。但这种方法的安全性很低，特别是不能抵抗慢语速攻击；且加解密延时很大，解密后的语音中还包含周期性的干扰音。频域置乱法就是将一帧语音变换到频域，在频域直接置乱或分子带置乱。这种方法的优点是安全强度比时域置乱法高，但加密后语音的特征会有一定程度的丢失，不利于通过语音压缩编码通道进行传输。
调制技术是将数字信号变换成一定形式，以适应信道传输。一般的调制方法是改变一个正弦载波信号，用载波的典型特征：振幅、频率和相位等来承载数字数据。然而，这种数据调制解调器不能用于使用了语音编解码压缩技术的***。语音编码的主要目的是减少表示语音所需的比特，同时在解码恢复时仍然保持合格的语音质量，使得人耳听起来和原始语音几乎一样。但人耳的听觉是有听觉“阈”的，能屏蔽掉信号抽样波形上的差别。因此解码还原出的语音信号和原始信号的抽样波形可能有明显不同，这使得调制解调器输出的承载数据的频率、相位和振幅特征发生较大的畸变。因此，大部分调制解调器不能在使用语音编解码器的信道上工作，需要重新设计一种调制解调方案，即类语音调制解调方案。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种将低速数据调制为类语音信号的方法，该发明构建了一种基于语音的激励-共振峰模型调制的类语音信号，具有一般语音信息的参数特征，且利于通过声码器语音信道传输后保存特征，具有良好抵抗语音压缩和解压缩非线性操作的能力。
技术方案：为了实现上述发明目的，本发明提供了一种将低速数据调制为类语音信号的方法，包括以下步骤，
步骤1：构建低速数据流通过基于语音的激励-共振峰生成模型，低速数据流通过所述模型产生能够在声码器信道中传输低速数据的类语音信号，包括加解密操作、成帧解帧操作和类语音调制解调操作；
步骤2：定时更新的密钥通过流密码算法生成密钥流，与经过分段得到固定长度的低速数据流通过加密操作得到分段的密文数据流，分段的密文数据流、密钥序号和包含空白帧、信道探测帧的帧头经过成帧操作得到待调制的信号帧，信号帧通过基于语音的激励-共振峰生成模型的类语音调制操作得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号；
步骤3：在解调端接收的类语音信号，进行帧同步和类语音解调操作，得到成帧的数据，解帧后取密钥序号和加密数据，得到相应的密钥，密钥通过流密码算法生成密钥流，与加密数据经过解密操作，得到低速数据流。
进一步的，在本发明中：所述类语音调制操作采用多频点幅度调制，根据声码器通道选择基音频率、初始频率、共振峰频点数量和位置，根据信号帧的帧结构进行基于频谱中共振峰频点的幅度调制，得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号。
进一步的，在本发明中：所述信号帧的帧结构，包括同步信道声码器能量检测的空白帧、同步语音***的字间隔和频点幅度参考的信道探测帧，根据信道条件的变化特征，供接收端检测信道中每个共振峰频点失真情况。
进一步的，在本发明中：所述信号帧的帧结构包括空白帧、信道探测帧和若干个数据帧，且每个数据帧承载的比特数为其共振峰数量乘以每个共振峰调制的比特数，同一信号帧包含对应数据分段的密钥序号。
进一步的，在本发明中：所述密钥序号用于对所述分段的密文数据流使用的密钥进行更新。
进一步的，在本发明中：所述类语音信号承载的比特速率大于等于2.4Kb/s。
进一步的，在本发明中：所述加解密操作还包括，
在发送端通过上层分发的密钥生成对应的子密钥组序列，并按照序列号进行排序，每个分段按照密钥组对应序列号的子密钥生成与数据相同比特的随机密钥流，与低速数据进行异或运算得到加密的数据流；
在接收端得到经过加密的数据流和对应的密钥组序列号，根据序列号得到对应的子密钥，生成密钥流进行解密，得到传输的低速数据。
有益效果：本发明与现有技术相比，其有益效果是：
(1)基于语音的激励-共振峰模型调制的类语音信号具有一般语音信息的参数特征，利于通过声码器语音信道传输后保存特征，具有良好抵抗语音压缩和解压缩非线性操作的能力；
(2)流密码算法不引入额外误码率，错误不会传播，且强度符合要求；
(3)加解密延时小，成帧和解帧速度快，不影响低速数据的传输。
本发明提出的将低速数据调制为类语音信号的方法，在将可懂的语音变为不可懂语音的同时，还保留了语音特性，这样加密后的语音就可以顺利通过语音压缩编码通道进行传输。
附图说明
图1为本发明所述将低速数据调制为类语音信号的方法流程示意图；
图2为本发明中信号帧的帧结构格式示意图；
图3为本发明中信道探测帧的频谱示意图；
图4为本发明中单个数据帧的频谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以用许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
如图1所示，为本发明提出的一种将低速数据调制为类语音信号的方法的整体流程示意图，该方法具体包括以下步骤，
步骤1：低速数据流通过基于语音的激励-共振峰生成模型，产生能过在声码器信道中传输低速数据的类语音信号，包括加解密操作、成帧解帧操作和类语音调制解调操作；
具体的，所述加解密操用于实现对低速数据的保密传输，采用流密码算法，加解密操还包括以下步骤，
定时更新的密钥通过流密码算法生成密钥流，与经过分段得到固定长度的低速数据流通过加密操作得到分段的密文数据流，分段的密文数据流、密钥序号和包含空白帧、密钥序号帧的帧头经过成帧操作得到待调制的信号帧，信号帧通过基于语音的激励-共振峰生成模型的类语音调制操作得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号；
在解调端接收的类语音信号，进行帧同步和类语音解调操作，得到成帧的数据，解帧后取密钥序号和加密数据，得到相应的密钥，密钥通过流密码算法生成密钥流，与加密数据经过解密操作，得到低速数据流。
具体的，在发送端通过上层分发的密钥ks生成对应的密钥组序列，并按照序列号进行排序，每个分段按照密钥组对应序列号的子密钥生成与数据相同比特的随机密钥流ki，与低速数据进行异或运算得到加密的数据流。
在接收端得到经过加密的分段数据流和对应的密钥组序列号，并根据序列号得到对应的子密钥，生成密钥流ki进行解密，得到传输的低速数据。所述密钥序号用于对所述分段的密文数据流使用的密钥进行更新。
设每帧传输m比特，发送端待加密数据为Mi(i＝1,...,m)，加密数据为Ci(i＝1,...,m)，接收端接收加密数据为C′i(i＝1,...,m)，解密数据为M′i(i＝1,...,m)，应当可以得到M′i＝Mi，则：
成帧解帧操作用于对数据进行分帧和整合操作，包括在发送端添加空白帧、信道探测帧，并为类语音调制操作进行数据分帧、添加生成密钥序号；在接收端为解密操作提供信道探测结果和生成密钥序号，并对数据帧进行整合。
包括同步信道声码器能量检测的空白帧、同步语音***的字间隔和频点幅度参考的信道探测帧，根据信道条件的变化特征，供接收端检测信道中每个共振峰频点失真情况。参照图2的示意，为每个信号帧的帧结构格式，其由T毫秒的空白帧、信道探测帧和n个数据帧组成，每个信号帧共包含n+2帧数据，每一帧时间为T*(n+2)毫秒。
具体的，空白帧用于同步信道声码器的能量检测，信道探测帧用于接收端检测信道的每个共振峰频点失真情况，数据帧每帧包含Nf个共振峰频点，每个频点包含kbit数据，则单个数据帧包含Nf*k bit数据，其中mbit为传输密钥序号，则每个信号帧传输总数据量S(t)＝(Nf*k-m)*nbit，因此其传输速率v(t)为：
v(t)＝S(t)/Tall＝(Nf*k-m)*n/T*(n+2)(bit/ms)
进一步的，所述类语音调制解调操作用于保证信号在声码器通道的有效传输。在发送端对成帧的数据进行基于语音的激励-共振峰生成模型多频点幅度调制(MFAK)的类语音调制，将低速数据调制为类语音；在接收端将经过声码器信道传输的类语音信号解调为成帧的数据。本实施例中，类语音调制操作采用多频点幅度调制，根据声码器通道选择基音频率、初始频率、共振峰频点数量和位置，根据信号帧的帧结构进行基于频谱中共振峰频点的幅度调制，得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号。
进一步的，类语音信号承载的比特速率大于等于2.4Kb/s。
基于语音的激励-共振峰生成模型的类语音调制中包含信道探测帧，在接收端探测每个共振峰频点的失真情况作为数据解调的参考。参照图3的示意，为信道探测帧的频谱示意图，其共振峰频率的差值就是基音频率，根据采样率和信号帧的长度，确定基音频率的大小，且基音频率应大于60Hz且小于600Hz。
设基音频率为Δf，初始频率为f0，共振峰频点数量为Nf，则每个共振峰频率为f(i)：
f(i)＝f0+i*Δf，i＝0，1，2，...，Nf-1
信道探测帧在类语音调制时包含每个共振峰频率的单位正弦波之和，共振峰频点数为Nf个。
参照图4的示意，为单个数据帧的频谱示意图，数据帧中的数据在调制端基于频谱中的共振峰频点进行幅度调制，数据帧每帧包含Nf个共振峰频点，每个频点包含kbit数据，增益调制范围为-2k-1～2k-1dB。
设X(fi)为频点fi的数据，在频域进行幅度调制，得到数据帧频点fi处的频谱幅度E(fi)：
E(fi)＝H(fi)*10^(X(fi)/20)
其中，H(fi)为发送端的信道探测帧中fi的频谱幅度。
单个数据帧的频域信号E(f)为：
对应解调端根据接收到的信道探测帧中的单位共振峰幅度，对数据进行解调：
X′(fi)＝20*log10(E′(fi)/H′(fi))
其中，H'(fi)为接收端的信道探测帧中fi的频谱幅度。
步骤2：定时更新的密钥通过流密码算法生成密钥流，与经过分段得到固定长度的低速数据流通过加密操作得到分段的密文数据流，分段的密文数据流、密钥序号和包含空白帧、信道探测帧的帧头经过成帧操作得到待调制的信号帧，信号帧通过基于语音的激励-共振峰生成模型的类语音调制操作得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号；
步骤3：在解调端接收的类语音信号，进行帧同步和类语音解调操作，得到成帧的数据，解帧后取密钥序号和加密数据，得到相应的密钥，密钥通过流密码算法生成密钥流，与加密数据经过解密操作，得到低速数据流。
应说明的是，以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述并不能理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进，这些均应落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种将低速数据调制为类语音信号的方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤1：构建低速数据流通过基于语音的激励-共振峰生成模型，低速数据流通过所述模型产生能够在声码器信道中传输低速数据的类语音信号，包括加解密操作、成帧解帧操作和类语音调制解调操作；
步骤2：定时更新的密钥通过流密码算法生成密钥流，与经过分段得到固定长度的低速数据流通过加密操作得到分段的密文数据流，分段的密文数据流、密钥序号和包含空白帧、信道探测帧的帧头经过成帧操作得到待调制的信号帧，信号帧通过基于语音的激励-共振峰生成模型的类语音调制操作得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号；
步骤3：在解调端接收的类语音信号，进行帧同步和类语音解调操作，得到成帧的数据，解帧后取密钥序号和加密数据，得到相应的密钥，密钥通过流密码算法生成密钥流，与加密数据经过解密操作，得到低速数据流；
所述类语音调制操作采用多频点幅度调制，根据声码器通道选择基音频率、初始频率、共振峰频点数量和位置，根据信号帧的帧结构进行基于频谱中共振峰频点的幅度调制，得到具有一般语音信号参数特征的类语音信号；
所述信号帧的帧结构，包括同步信道声码器能量检测的空白帧、同步语音***的字间隔和频点幅度参考的信道探测帧，根据信道条件的变化特征，供接收端检测信道中每个共振峰频点失真情况；
所述信号帧的帧结构包括空白帧、信道探测帧和若干个数据帧，且每个数据帧承载的比特数为其共振峰数量乘以每个共振峰调制的比特数，同一信号帧包含对应数据分段的密钥序号；
所述密钥序号用于对所述分段的密文数据流使用的密钥进行更新；
所述类语音信号承载的比特速率大于等于2.4Kb/s；
所述加解密操作还包括，
在发送端通过上层分发的密钥生成对应的子密钥组序列，并按照序列号进行排序，每个分段按照密钥组对应序列号的子密钥生成与数据相同比特的随机密钥流，与低速数据进行异或运算得到加密的数据流；
在接收端得到经过加密的数据流和对应的密钥组序列号，根据序列号得到对应的子密钥，生成密钥流进行解密，得到传输的低速数据。
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