一種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于頻譜映射的端到端語音加密系統(tǒng)，包括LPC分析模塊，用于數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)LPC分析得到LPC系數(shù)；LPC轉(zhuǎn)LSF模塊，用于將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性譜頻率LSF系數(shù)；LSF映射模塊，用于對(duì)LSF系數(shù)按照給定的密鑰進(jìn)行映射變換；LSF轉(zhuǎn)LPC模塊，用于將映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)；LPC濾波模塊，用于將輸入的數(shù)字語音信號(hào)濾波得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào)；LPC合成模塊，用于根據(jù)映射變換后的LPC系數(shù)構(gòu)造合成濾波器，預(yù)測(cè)殘差信號(hào)通過構(gòu)造的合成濾波器得到加密后的語音信號(hào)。保證了加密語音信號(hào)的語音特征，實(shí)現(xiàn)有效的語音加密。
【專利說明】
一種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種語音加解密系統(tǒng)，具體地涉及一種基于線性預(yù)測(cè)編碼和頻譜映射 的語音加解密系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 語音是人類獲取信息的重要手段，語音通信是現(xiàn)代通信中最有效最方便的手段之 一。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的語音通信出現(xiàn)在人們的生活中。但是現(xiàn)實(shí)生活中的語 音通信難免地會(huì)受到安全威脅，如竊聽、電話跟蹤、電話劫持和拒絕服務(wù)等。因此，語音加密 對(duì)于保證語音的安全十分重要。語音加密的重要性表現(xiàn)在兩個(gè)方面:一方面，隨著人們保護(hù) 自己隱私權(quán)意識(shí)逐步上升，對(duì)語音加密的重視程度越來越高；另一方面，在軍事通信、商業(yè) 洽談、政治談判等特殊應(yīng)用中，信息一旦被泄露，將會(huì)造成巨大損失，在這里語音加密十分 必要。
[0003] 然而，傳統(tǒng)的移動(dòng)通信缺乏端到端的加密機(jī)制，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備間傳輸?shù)臑榻?jīng) 過模數(shù)轉(zhuǎn)換的明文信息，被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)極高?，F(xiàn)有的移動(dòng)通信過程一般經(jīng)歷手機(jī)端語音信 號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)化、編碼傳輸、基站解碼再編碼技術(shù)，手機(jī)端解碼數(shù)模轉(zhuǎn)換為語音信號(hào)等幾個(gè)過 程。而現(xiàn)有的加密手段多在編碼過程之后進(jìn)行加密，再通過基站的解密解碼再編碼加密，這 種加密方式是建立在核心網(wǎng)絡(luò)部分安全可信的前提下，因?yàn)橹豢紤]了無線信道部分的安 全，其明文信息對(duì)基站可見，導(dǎo)致系統(tǒng)不能為用戶提供端到端的安全通信。編碼后加密的方 式不可否認(rèn)的具有加密數(shù)據(jù)少，占用信道小等優(yōu)點(diǎn)，但其對(duì)基站透明的特點(diǎn)使得這種加密 方式仍存在被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)。
[0004] 中國專利文獻(xiàn)CN201210055857公開了一種語音加密系統(tǒng)，提出了一種語音加密算 法，首先對(duì)語音信號(hào)按照設(shè)定長度分段進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，然后在頻域?qū)φZ音信號(hào)頻 率分組置亂，最后將頻域轉(zhuǎn)換為時(shí)域形成加密后的語音信號(hào)。雖然可以在一定程度上降低 被竊聽的風(fēng)險(xiǎn)，但是，經(jīng)過理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，該方法合成的加密語音信號(hào)對(duì)加解密兩端 的同步要求高，實(shí)用性較差，無法廣泛的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明目的是:提供一種基于頻譜映射的端到端 語音加解密系統(tǒng)，基于線性預(yù)測(cè)編碼和頻譜映射，在加密端對(duì)數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè) (LPC)分析得到LPC系數(shù)，然后將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性譜頻率(LSF)系數(shù)，對(duì)LSF系數(shù)按照給定 的密鑰進(jìn)行映射變換，再將映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，并構(gòu)造出合成濾波器;另一方 面，原始語音通過線性預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào)，最后將預(yù)測(cè)殘差信號(hào)通過由映射變換后的 LPC系數(shù)所構(gòu)造的合成濾波器得到加密后的語音信號(hào)，保證了加密語音信號(hào)的語音特征，實(shí) 現(xiàn)有效的語音加密。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0007] -種基于頻譜映射的端到端語音加密系統(tǒng)，其特征在于，包括LPC分析模塊，用于 數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)LPC分析得到LPC系數(shù);LPC轉(zhuǎn)LSF模塊，用于將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線 性譜頻率LSF系數(shù);LSF映射模塊，用于對(duì)LSF系數(shù)按照給定的密鑰進(jìn)行映射變換;LSF轉(zhuǎn)LPC 模塊，用于將映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù);LPC濾波模塊，用于將輸入的數(shù)字語音信號(hào) 濾波得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào);LPC合成模塊，用于根據(jù)映射變換后的LPC系數(shù)構(gòu)造合成濾波器，預(yù) 測(cè)殘差信號(hào)通過構(gòu)造的合成濾波器得到加密后的語音信號(hào)。
[0008] 優(yōu)選的，LPC分析模塊通過以下步驟得到LPC系數(shù)：
[0009] 線性預(yù)測(cè)LPC為用過去p個(gè)樣點(diǎn)值s(n)來預(yù)測(cè)現(xiàn)在或未來樣點(diǎn)值愛㈨=Σ??Η - ?)? 預(yù)測(cè)誤差ε(η)為： Ρ
[0010] ε(?ι) = s(n) - S(it): = s(n) - ^ ajS(n - i) i=l
[0011 ]其中，ai為線性預(yù)測(cè)系數(shù)，n為自然數(shù)；
[0012] 線性預(yù)測(cè)LPC的Yule-Walker方程： 'Ψχχ?.^ Ψχχ?^) ·'·切;《(Ρ) 1「1 1 「erf.
[0013] Ψχχ^Χ) Ψχχ(.^) Ψχχ?Ρ ~ 1) ^ρ? _ 〇 -ψχχ(ρ) ψχχ(ρ ~ 1) - -^pp- - ο -
[0014] Levinson-Durbin 算法遞推公式為：
[001 6] Bki - 34-1，i+akkak-l，k-i，i - 1，2，…，k_l
[0017] σ| = (1 - |α^|2)σ1_!，σ〇 = φχχ(〇)
[0018] 由此可以求解出兩階線性預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)系數(shù)ai，i = l，2, . . .，p。
[0019] 優(yōu)選的，所述LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性譜頻率LSF系數(shù)包括以下步驟：
[0020] ρ階線性預(yù)測(cè)濾波器函數(shù)為：
[0022] 定義，P(z)=A(z)+z-(p+1)A(z-(p+1)A(z-〇
[0023] 貝丨 J
[0024] 當(dāng)階數(shù)ρ為偶數(shù)時(shí)有：
[0027] 當(dāng)階數(shù)ρ為奇數(shù)時(shí)有：
[0028] ρ7 (ζ) =Ρ(ζ)
[0030] P' (z)和Q' (z)為對(duì)稱的偶次多項(xiàng)式，根為復(fù)值共輒對(duì)，只需確定位于上半圓的根 即可，設(shè)在上半圓K (z)和Qlz)的根為6>14 = 1，2，一，？，其線譜頻率為根的角頻率0<?1 <JT;
[0031] 當(dāng)階數(shù)P為偶數(shù)時(shí)令
[0032] Μι = ρ/2,Μ2 = ρ/2
[0033] 當(dāng)階數(shù)p為奇數(shù)時(shí)令
[0034] Μι=(ρ+1)/2,Μ2=(ρ-1)/2
[0035] 利用泰勒級(jí)數(shù)展開原理，將共輒零點(diǎn)對(duì)數(shù)分別為施和此對(duì)應(yīng)的K (z)和V (z)展開， 有M1+M2 = p，用z = e#代入，并利用余弦定理轉(zhuǎn)換有：
[0036] Ρ/7( ω )=2cosMi〇+2P/ (l)cos(Mi-l) 〇+---+2?7 (Mi-1 )cos ω+P7 (Μι)
[0037] 〇^( ω )=2(3081^0+207 (l)cos(Mi-l) 0+...+2?7 (Mi-Dcosco+Q' (Μι)
[0038] 再令x = cos ω，將上式用Chebyshev多項(xiàng)式Tm(x) = cos(mx)展開有：
[0039] P//(x)=2Tmi(x)+2P/ (1)Τμι-ι(χ)+···+2Ρ/ (Mi-1 )Ti(x)+P/ (Mi)
[0040] Q//(x)=2Tmi(x)+2Q/ (1)Tmi-i(x)+---+2Q/ (Mi-1 )Ti(x)+Q/ (Mi)
[0041 ]第郵介義的Chebyshev多項(xiàng)式Tm(x)滿足遞推Tm(x) = 2xTk-i(x)_Tk-2(x)，初值 Tq(x) =1，Ti(x) = x，求x在[1，-l]區(qū)間內(nèi)，搜索P〃（x) = 0和Q〃（x) = 0的根植{xi}，而對(duì)應(yīng)的LSF的 參數(shù)值《1由wi = arccosxi來確定。
[0042] 優(yōu)選的，所述LSF映射模塊的映射變換包括線性映射和非線性映射，其中線性映射 分為平移映射、旋轉(zhuǎn)映射、相似映射、反演映射，非線性映射即利用各類非線性算子實(shí)現(xiàn)映 射。
[0043] 優(yōu)選的，所述LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，包括以下步驟：
[0044] 由LSF參數(shù)ω i逆向推導(dǎo)Chebyshev多項(xiàng)式來求解，LSF參數(shù)值叫，令xk = cos c〇k，k = 1,2,…，p得中間式
[0047] 按原推導(dǎo)過程對(duì)應(yīng)關(guān)系，由P〃（x)逆推得Ρ'(ω)和Κ(ζ)，同樣由Q〃（x)逆推得Q (ω )和Q(z)進(jìn)而逆推導(dǎo)可得P(z)和Q(z):
[0048] Ρ(ζ)=Ρ7 (ζ)*(1+ζ_1)
[0049] Q(z) =Q7 (z)*( 1-z-1)
[0050] 則有：
[0051] A(z) = (P(z)+Q(z))/2
[0052] 由 A(z)可得 LPC 參數(shù) ai。
[0053] 優(yōu)選的，還包括加窗分幀模塊，用于對(duì)輸入的數(shù)字語音信號(hào)加窗分幀處理，即用窗 函數(shù)w(n)乘以s(n)，使得加窗語音信號(hào)s w=s(n)*w(n)。
[0054] 本發(fā)明還公開了一種基于頻譜映射的端到端語音解密系統(tǒng)，其特征在于，包括LPC 分析模塊，用于對(duì)加密后的數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)LPC分析得到LPC系數(shù);LPC轉(zhuǎn)LSF模 塊，用于將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性譜頻率LSF系數(shù);LSF逆映射模塊，用于對(duì)LSF系數(shù)按照密鑰進(jìn) 行逆映射變換;LSF轉(zhuǎn)LPC模塊，用于將逆映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù);LPC濾波模塊，用 于將輸入的加密數(shù)字語音信號(hào)濾波得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào);LPC合成模塊，用于根據(jù)逆映射變換 后的LPC系數(shù)構(gòu)造合成濾波器，預(yù)測(cè)殘差信號(hào)通過構(gòu)造的合成濾波器得到原始的語音信號(hào)。
[0055]本發(fā)明有公開了一種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統(tǒng)，其特征在于，包括 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)化模塊，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加密的加密模塊，對(duì)加密后的 語音信號(hào)進(jìn)行編碼的信源編碼模塊，對(duì)信源編碼信號(hào)加入前向糾錯(cuò)碼進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼的 信道編碼模塊，對(duì)信道編碼后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制模塊，對(duì)加密的語音信號(hào)解調(diào)為基帶 信號(hào)的解調(diào)模塊，對(duì)基帶信號(hào)前向糾錯(cuò)的信道解碼模塊，進(jìn)行解碼的信源解碼模塊，對(duì)信號(hào) 進(jìn)行解密的解密模塊，用于進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的D/A轉(zhuǎn)換模塊;所述加密模塊為權(quán)利要求1所述 的語音加密系統(tǒng)，所述解密模塊為權(quán)利要求7所述的語音解密系統(tǒng)。
[0056] 優(yōu)選的，還包括信號(hào)調(diào)理電路，所述信號(hào)調(diào)理電路包括RC低通濾波電路和穩(wěn)壓電 路。
[0057]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0058] 1、本發(fā)明是基于線性預(yù)測(cè)編碼和頻譜映射的語音加密系統(tǒng)，在加密端對(duì)數(shù)字語音 信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)(LPC)分析得到LPC系數(shù)，然后將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性譜頻率(LSF)系數(shù)， 對(duì)LSF系數(shù)按照給定的密鑰進(jìn)行映射變換，再將映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，并構(gòu)造出 合成濾波器;另一方面，原始語音通過線性預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào)，最后將預(yù)測(cè)殘差信號(hào) 通過由映射變換后的LPC系數(shù)所構(gòu)造的合成濾波器得到加密后的語音信號(hào)，保證了加密語 音信號(hào)的語音特征，實(shí)現(xiàn)有效的語音加密。
[0059] 2、解密過程是加密過程的逆過程。解密端對(duì)加密后的數(shù)字語音信號(hào)線性預(yù)測(cè) (LPC)得到加密信號(hào)的LPC系數(shù)，然后將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)化為線性譜頻率(LSF)系數(shù)，對(duì)LSF系數(shù)按 照密鑰逆映射，再將逆映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，并構(gòu)造出語音合成濾波器;與此同 時(shí)，加密語音通過線性預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)的殘差信號(hào)，最后將預(yù)測(cè)殘差信號(hào)通過由逆映射變化 后的LPC系數(shù)構(gòu)造的合成濾波器得到原始語音信號(hào)，簡(jiǎn)單而高效地恢復(fù)出原始信號(hào)。對(duì)加解 密兩端的同步要求低，實(shí)用性較好，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【附圖說明】
[0060] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0061 ]圖1為本發(fā)明語音加密系統(tǒng)的原理框圖；
[0062] 圖2為本發(fā)明語音解密系統(tǒng)的原理框圖；
[0063] 圖3為本發(fā)明語音加解密系統(tǒng)的語音傳輸原理框圖；
[0064]圖4為本發(fā)明語音加解密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0065] 圖5為原始語音信號(hào)波形圖；
[0066] 圖6為加密語音信號(hào)波形圖；
[0067]圖7為解密語音信號(hào)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0068] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明了，下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】并參 照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發(fā) 明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本 發(fā)明的概念。
[0069] 實(shí)施例：
[0070] 如圖1所示，待加密的信號(hào)為數(shù)字語音信號(hào)，根據(jù)語音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性能，為了 便于對(duì)語音信號(hào)特征參數(shù)的分析，需要對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行分幀，此處采用的分幀方法為加窗 分幀技術(shù)。與此同時(shí)，幀與幀之間平滑過渡，保證語音信號(hào)的連續(xù)性，分幀后的信號(hào)為S(n)。
[0071] 首先對(duì)語音信號(hào)幀s(n)作線性預(yù)測(cè)(LPC)分析，其p階線性預(yù)測(cè)系數(shù)&1*Ι^ν?η 8〇η Durbin算法利用自相關(guān)函數(shù)求出?？紤]到線性譜頻率LSF系數(shù)具有良好的量化特性和插值 特性，并且線性譜頻率LSF可以很好地與頻譜保留的共振峰的位置和帶寬相對(duì)應(yīng)，因此在語 音處理中常常直接對(duì)LSF進(jìn)行控制和處理，因此本文是直接對(duì)LSF系數(shù)映射轉(zhuǎn)換。本文利用 Chebyshev法將求出的LPC系數(shù)轉(zhuǎn)為線譜對(duì)LSF參數(shù)。按照給定的密鑰選擇合適的映射方式 對(duì)LSF系數(shù)映射，此處是語音加密的主要實(shí)現(xiàn)部分。最后將映射后的LSF轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，構(gòu) 成合成濾波器，用于合成加密后的語音信號(hào)。
[0072] 另一方面，原始語音通過線性預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào)e(n)，最后將預(yù)測(cè)殘差信號(hào) e(n)通過由映射變換后的LPC系數(shù)所構(gòu)造的合成濾波器得到加密后的語音信號(hào)。至此，實(shí)現(xiàn) 了原始語音信號(hào)的加密。
[0073] 如圖2所示，解密過程是加密過程的逆過程。解密端對(duì)加密后的數(shù)字語音信號(hào)線性 預(yù)測(cè)(LPC)分析，得到加密信號(hào)的LPC系數(shù)，然后將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)化為線性譜頻率(LSF)系數(shù)，按 照提供的密鑰對(duì)LSF系數(shù)逆映射，恢復(fù)出原始語音信號(hào)的LSF系數(shù)。為合成原始語音信號(hào)，需 要再將LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，并構(gòu)造出語音合成濾波器;與此同時(shí)，加密語音通過線性 預(yù)測(cè)，得到預(yù)測(cè)的殘差信號(hào)，最后將預(yù)測(cè)殘差信號(hào)通過由逆映射變化后的LPC系數(shù)構(gòu)造的合 成濾波器得到原始語音信號(hào)，簡(jiǎn)單而高效地恢復(fù)出原始信號(hào)。
[0074]具體實(shí)現(xiàn)方法：
[0075] 由于語音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性，為了避免截?cái)嘈?yīng)的產(chǎn)生，通常需要對(duì)輸入的語音 信號(hào)加窗分幀處理，同時(shí)也需要保證語音信號(hào)幀與幀之間的連續(xù)性。
[0076] 分幀是用可以動(dòng)的有限長度窗口進(jìn)行加權(quán)的方法來實(shí)現(xiàn)的，即用窗函數(shù)w(n)乘以 s(n)，使得加窗語音信號(hào)sw=s(n)*w(n) ·
[0077] 語音信號(hào)數(shù)字處理中常用的窗函數(shù)時(shí)矩形窗和漢明窗，表達(dá)式如下：
[0078] 矩形窗： _9] =其他值(1)
[0080] 漢明窗： r〇. 54 - 0.46 cos[2un/(N - 1)], 0 < n < (N - 1) 剛-Η 〇,η =其他值 ⑴
[0082]其中，N為幀長，η為自然數(shù)。
[0083] (1)線性預(yù)測(cè)分析
[0084] 線性預(yù)測(cè)的基本思想是用過去p個(gè)樣點(diǎn)值s(n)來預(yù)測(cè)現(xiàn)在或未來樣點(diǎn)值:S(M)::
[0085] s(n) - ΣΓ=1 diS(n - ?) (3)
[0086] 預(yù)測(cè)誤差ε(η)為：
[0087] ε(η) = 5(n) - s(n) = s(n) - YFi=1 di.s(n - i) (4)
[0088] 其中，ai，i = 1，2，…，p為線性預(yù)測(cè)系數(shù)，可由Levinson-Durbin算法求出， Levinson-Durbin算法利用自相關(guān)矩陣的對(duì)稱性和Toepltz性質(zhì)提出了高效的遞推算法。
[0089] 線性預(yù)測(cè)的Yule-Walker方程 Ψχχ(?)…1 1 ?σ?
[0090] 'Ρλ·χ(〇) ΨχχΧΡ ~ 1) -Ψχχ?Ρ) Ψχχ(Ρ - 1) ·*· Ψχχ(〇') \iapp\ U-
[0091 ]從方程中可以看出，它共有ρ+1個(gè)方程，當(dāng)k = 0，l，2,…，已知時(shí)，可以 解得aPk[k= 1，2，…，p]以及樣P+1個(gè)未知量。Levinson-Durbin算法遞推公式為：
L〇〇93」 aki = ak-i，i+akkak-i，k-i，i = l，2，···，k_l (7)
[0094] σ| = (1 - \a.kk\2 = φχχ(〇)(8)
[0095] 由此可以求解出兩階線性預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)系數(shù)ai，i = 1，2，…，p，式中1為中間變量。
[0096] (2)LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為LSF系數(shù)
[0097] 本文思想是將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為LSF系數(shù)，對(duì)LSF系數(shù)進(jìn)行加密，再將加密后的LSF系 數(shù)轉(zhuǎn)化為LPC系數(shù)，合成加密后的語音信號(hào)，保證合成后的加密語音信號(hào)包含有語音特性， 所以需要將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為LSF系數(shù)。
[0098] 第i階線性預(yù)測(cè)誤差濾波器傳遞函數(shù)的遞推關(guān)系為：
[0099] Ai(z)=Ai_1(z)-kiZ_1A i_1(z_1) (9)
[0100] 則有P階線性預(yù)測(cè)濾波器函數(shù)為：
[0101] 4〇) = 1 - = 1,2,…p (10)
[0102] 定義：
[0103] P(z) =A(z)+z-(p+1)A(z-4 (ll)Q(z)=A(z)_z- (p+1)A(z-工）
[0104] 所以：
[0106] 可以證明，當(dāng)A(z)的零點(diǎn)在Z平面單位圓內(nèi)時(shí)，P(z)和Q(z)的零點(diǎn)都在單位圓上， 并且P(z)和Q(z)有共輒復(fù)根和零點(diǎn)沿著單位圓隨ω的增加交替出現(xiàn)。P( z)必定有一個(gè)根z =-1( ω =jt)，Q(z)必定有一個(gè)根z = _l。
[0107] 設(shè)P(z)的零點(diǎn)的零點(diǎn)為e#01，由于P(z)和Q(z)的零點(diǎn)都在單位圓上， 所以這些零點(diǎn)可以直接用頻率來表示：
[0108] 〇< ω?<θ?<···< Wp/2<0p/2<jT (13)
[0109] ?，"，成對(duì)出現(xiàn)，反映了譜的特性，所以稱之為線譜對(duì)(LSP)，由于LSF參數(shù)是頻域 參數(shù)，所以它和語音信號(hào)譜包絡(luò)的峰有更緊密的聯(lián)系。
[0110]當(dāng)階數(shù)p為偶數(shù)時(shí)有
[0113] (14)
[0114] 當(dāng)階數(shù)p為奇數(shù)時(shí)有
[0115] P7 (z)=P(z)
[0117] (15)
[0118] P'(z)和Q'(z)為對(duì)稱的偶次多項(xiàng)式，根為復(fù)值共輒對(duì)，只需確定位于上半圓的根 即可。設(shè)在上半圓K (z)和Qlz)的根為6>14 = 1，2，一，？，其線譜頻率為根的角頻率0<?1 <π0
[0119] 當(dāng)階數(shù)ρ為偶數(shù)時(shí)令
[0120] Mi = p/2，M2 = p/2 (16)
[0121] 當(dāng)階數(shù)ρ為奇數(shù)時(shí)令
[0122] Mi=(p+l)/2，M2=(p-l)/2 (17)
[0123] 利用泰勒級(jí)數(shù)展開原理，將共輒零點(diǎn)對(duì)數(shù)分別為施和此對(duì)應(yīng)的Κ (ζ)和V (ζ)展開， 有Μ1+Μ2 = ρ。用z = e#代入，并利用余弦定理轉(zhuǎn)換有
[0124] Ρ/7( ω )=2cosMi〇+2P/ (l)cos(Mi-l) 〇+---+2?7 (Mi-1 )cos ω+P7 (Μι)
[0125] 〇^( ω )=2(3081^0+207 (l)cos(Mi-l) 0+...+2?7 (Mi-Dcosco+Q' (Μι)
[0126] (18)
[0127] 再令x = cos ω，將上式用Chebyshev多項(xiàng)式Tm(x) = cos(mx)展開有
[0128] P//(x)=2Tmi(x)+2P/ (1)Τμι-ι(χ)+···+2Ρ/ (Mi-1 )Ti(x)+P/ (Mi)
[0129] Q//(x)=2Tmi(x)+2Q/ (1)Tmi-i(x)+---+2Q/ (Mi-1 )Ti(x)+Q/ (Mi)
[0130] (19)
[0131 ]第郵介義的Chebyshev多項(xiàng)式Tm(x)滿足遞推Tm(x) =2xTk-i(x)_Tk-2(x)，初值To(x)= 1，Ti(x)=x，利用搜索法求出LSF參數(shù)值。以上Chebyshev多項(xiàng)式解法實(shí)質(zhì)是求x在[1，-l]區(qū) 間內(nèi)，搜索P〃（X) =〇和Q〃（X) =〇的根植{xi}，而對(duì)應(yīng)的LSF的值即可由ω i = arccosxi來確 定。
[0132] LSF分析是用P個(gè)離散頻率來表示語音信號(hào)頻譜特性的一種方法，LSF系數(shù)偏差只 對(duì)該頻率附近的語音頻譜產(chǎn)生影響，而對(duì)其他頻率上的LSF語音頻譜影響不大。
[0133] (3)LSF映射變換
[0134] 根據(jù)提供的密鑰對(duì)LSF系數(shù)映射變換即為加密的主要過程。數(shù)據(jù)映射包括線性映 射和非線性映射，其中線性映射可以分為平移映射、旋轉(zhuǎn)映射、相似映射、反演映射等。
[0135] 本文主要根據(jù)對(duì)LSF系數(shù)ω 1的映射實(shí)現(xiàn)線譜頻率的映射變換過程，其中密鑰為映 射因子。由于LSF系數(shù)〇^在〇~π范圍內(nèi)，所以本文采用的是旋轉(zhuǎn)映射，根據(jù)提供的密鑰實(shí)現(xiàn) 對(duì)LSF系數(shù)的映射變換。
[0136] (4)LSF系數(shù)轉(zhuǎn)化為LPC系數(shù)
[0137] 對(duì)于LSF轉(zhuǎn)換成LPC，由LSF參數(shù)ω!和0!逆向推倒Chebyshev多項(xiàng)式來求解，LSF參數(shù) 值《k，令xk = cos C0k，k=l，2,…，p得中間式：
[0140]按原推導(dǎo)過程對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以由P〃（x)逆推得Κ(ω)和Κ(ζ)，同樣由Q〃（x)逆推得 Q( ω )和Q(z)進(jìn)而按方程(11)逆推導(dǎo)可得P(z)和Q(z)，而有：
[0141] P(z) =P'（z)*( 1+z-"
[0142] q(z)=q'（z)*(i-z-i) (22)
[0143] 則有：
[0144] A(z) = (P(z)+Q(z))/2 (23)
[0145] 則由A(z)可得LPC參數(shù)ai和ki。
[0146] 如圖3所示，在實(shí)際應(yīng)用中，語音加解密系統(tǒng)包括發(fā)送端和接收端。
[0147] 發(fā)送端發(fā)送的語音信號(hào)為模擬信號(hào)，需要經(jīng)過A/D采樣將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信 號(hào)，對(duì)數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行加密，然后對(duì)加密后的語音信號(hào)進(jìn)行編碼，加入前向糾錯(cuò)碼(FEC)， 再對(duì)帶發(fā)送的基帶語音信號(hào)經(jīng)過調(diào)制模塊方可進(jìn)入信道進(jìn)行傳輸。
[0148] 接收端收到的是由信道傳來的加密語音模擬信號(hào)。首先需要對(duì)收到的加密語音信 號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)，對(duì)基帶信號(hào)前向檢錯(cuò)(FED)，再經(jīng)過解碼模塊做相應(yīng)解碼，最后經(jīng)過解 密模塊恢復(fù)出原始數(shù)字語音信號(hào)，對(duì)數(shù)字語音信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，還原原 始語音信號(hào)。
[0149] 語音加解密系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用中央處理器實(shí)現(xiàn)加密模塊與 解密模塊、編碼模塊與解碼模塊、調(diào)制模塊與解調(diào)模塊等。
[0150] 在語音加解密過程中，由模擬語音信號(hào)輸入經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣之后，利用中央處 理器的串口通訊模塊獲取采樣后的數(shù)字信號(hào)。利用加密模塊對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行加密。為了 降低傳輸帶寬，需要對(duì)加密后的數(shù)字語音信號(hào)壓縮編碼。最后進(jìn)過調(diào)制模塊發(fā)送到信道中。 圖5為原始語音信號(hào)的波形圖，使用本發(fā)明加密方法進(jìn)行加密處理后得到的波形圖如圖6所 不。
[0151] 在語音解密過程中，其過程與加密相反。利用中央處理器對(duì)收到的語音信號(hào)解調(diào) 為基帶信號(hào)，做相應(yīng)解碼，根據(jù)密鑰對(duì)解碼后的信號(hào)解密，將數(shù)字信號(hào)通過串口由D/A輸出 為解密后的模擬語音信號(hào)。解密語音信號(hào)的波形圖如圖7所示。與圖5對(duì)比可知，這段語音在 解密之后，其中包含的語音信息能被完整的恢復(fù)出來了。
[0152] 本系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入語音信號(hào)的加密功能，為使輸入信號(hào)適合信號(hào)隔離模塊的 輸入，必須對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使其滿足隔離電路使用的TTL電平。
[0153] 為消除輸入信號(hào)的高頻抖動(dòng)，系統(tǒng)采用數(shù)字濾波和模擬濾波兩種方式進(jìn)行去抖 動(dòng)，在信號(hào)調(diào)理模塊主要采用RC低通濾波電路來實(shí)現(xiàn)。因此本系統(tǒng)中的信號(hào)調(diào)理電路采用 RC低通濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，具有過流保護(hù)、浪涌保護(hù)、對(duì)輸入信號(hào)濾波去毛刺干擾、 調(diào)整信號(hào)幅度滿足后端電路處理等功能。
[0154] 本語音加解密系統(tǒng)選擇專用芯片實(shí)現(xiàn)方式中，可以選擇DSP作為主處理器，實(shí)現(xiàn)語 音加密、編碼、調(diào)制、解調(diào)、解碼、解密等功能。
[0155] 應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的上述【具體實(shí)施方式】?jī)H僅用于示例性說明或解釋本發(fā)明的 原理，而不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限制。因此，在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下所做的任何 修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨 在涵蓋落入所附權(quán)利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內(nèi)的全部變化和修 改例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于頻譜映射的端到端語音加密系統(tǒng)，其特征在于，包括LPC分析模塊，用于數(shù) 字語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)LPC分析得到LPC系數(shù);LPC轉(zhuǎn)LSF模塊，用于將LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性 譜頻率LSF系數(shù);LSF映射模塊，用于對(duì)LSF系數(shù)按照給定的密鑰進(jìn)行映射變換;LSF轉(zhuǎn)LPC模 塊，用于將映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù);LPC濾波模塊，用于將輸入的數(shù)字語音信號(hào)濾 波得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào);LPC合成模塊，用于根據(jù)映射變換后的LPC系數(shù)構(gòu)造合成濾波器，預(yù)測(cè) 殘差信號(hào)通過構(gòu)造的合成濾波器得到加密后的語音信號(hào)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的語音加密系統(tǒng)，其特征在于，LPC分析模塊通過W下步驟得到 LPC系數(shù)： 線性預(yù)^ULPC為用過去P個(gè)樣點(diǎn)值s(n)來預(yù)巧廁在或未來樣點(diǎn)值S'(n)二巧 =1聽-巧， 預(yù)測(cè)誤差ε(η)為：其中，a功線性預(yù)測(cè)系數(shù)，η為自然數(shù)； 線性預(yù)測(cè)LPC的化le-^dker方程：由此可W求解出兩階線性預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)系數(shù)ai，i = l，2,…，P。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的語音加密系統(tǒng)，其特征在于，所述LPC系數(shù)轉(zhuǎn)換為線性譜頻率 LSF系數(shù)包括W下步驟： P階線性預(yù)測(cè)濾波器函數(shù)為：當(dāng)階數(shù)P為奇數(shù)時(shí)有：P' (Z)和Q' (z)為對(duì)稱的偶次多項(xiàng)式，根為復(fù)值共輛對(duì)，只需確定位于上半圓的根即可， 設(shè)在上半圓P/ (Z)和分（Z)的根為e^i，i = 1，2，…，P，其線譜頻率為根的角頻率0< ω lOi; 當(dāng)階數(shù)P為偶數(shù)時(shí)令 Mi = p/2,M2 = p/2 當(dāng)階數(shù)P為奇數(shù)時(shí)令 Mi= (P+1)/2,M2= (p-l)/2 利用泰勒級(jí)數(shù)展開原理，將共輛零點(diǎn)對(duì)數(shù)分別為化和M2對(duì)應(yīng)的P/ (z)和皆（z)展開，有Ml +M2 = p，用z = e^w代入，并利用余弦定理轉(zhuǎn)換有：第m階X的Qiebyshev多項(xiàng)式Tm(x)滿足遞推Tm(x) = 2xTk-i(x)-Tk-2(x)，初值Τ〇(χ) = 1，Ti (x)=x，求X在[1，-1]區(qū)間內(nèi)，捜索P"(x) = 0和Q"(x) = 0的根植{xi}，而對(duì)應(yīng)的LSF的參數(shù)值 ω i由ω i =曰rccosxi來確定。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的語音加密系統(tǒng)，其特征在于，所述LSF映射模塊的映射變換包 括線性映射和非線性映射，其中線性映射分為平移映射、旋轉(zhuǎn)映射、相似映射、反演映射，非 線性映射即利用各類非線性算子實(shí)現(xiàn)映射。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的語音加密系統(tǒng)，其特征在于，所述LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù)，包 括W下步驟： 由LSF參數(shù)ω i逆向推導(dǎo)化ebyshev多項(xiàng)式來求解，LSF參數(shù)值ω k，令xk=cos ω k,k= 1， 2,…，p得中間式按原推導(dǎo)過程對(duì)應(yīng)關(guān)系，由P" (X)逆推得P/ ( ω )和p/ (z)，同樣由Q" (X)逆推得Q( ω )和Q (z)進(jìn)而逆推導(dǎo)可得P(z)和Q(z): P(z)=P' (z)*(l+z_i) Q(z)=Q'(z)*(l-z-i) 則有： A(z) = (P(z)+Q(z))/2 由A (z)可得LPC參數(shù)ai。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的語音加密系統(tǒng)，其特征在于，還包括加窗分帖模塊，用于對(duì)輸 入的數(shù)字語音信號(hào)加窗分帖處理，即用窗函數(shù)w(n)乘Ws(n)，使得加窗語音信號(hào)sw=s(n)* w(n) ο7. -種基于頻譜映射的端到端語音解密系統(tǒng)，其特征在于，包括LPC分析模塊，用于對(duì) 加密后的數(shù)字語音信號(hào)進(jìn)行線性預(yù)測(cè)LPC分析得到LPC系數(shù);LPC轉(zhuǎn)LSF模塊，用于將LPC系數(shù) 轉(zhuǎn)換為線性譜頻率LSF系數(shù);LSF逆映射模塊，用于對(duì)LSF系數(shù)按照密鑰進(jìn)行逆映射變換;LSF 轉(zhuǎn)LP對(duì)莫塊，用于將逆映射后的LSF系數(shù)轉(zhuǎn)換為LPC系數(shù);LPC濾波模塊，用于將輸入的加密數(shù) 字語音信號(hào)濾波得到預(yù)測(cè)殘差信號(hào);LPC合成模塊，用于根據(jù)逆映射變換后的LPC系數(shù)構(gòu)造 合成濾波器，預(yù)測(cè)殘差信號(hào)通過構(gòu)造的合成濾波器得到原始的語音信號(hào)。8. -種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統(tǒng)，其特征在于，包括將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)化模塊，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行加密的加密模塊，對(duì)加密后的語音信號(hào)進(jìn)行編碼 的信源編碼模塊，對(duì)信源編碼信號(hào)加入前向糾錯(cuò)碼進(jìn)行前向糾錯(cuò)編碼的信道編碼模塊，對(duì) 信道編碼后的信號(hào)進(jìn)行調(diào)制的調(diào)制模塊，對(duì)加密的語音信號(hào)解調(diào)為基帶信號(hào)的解調(diào)模塊， 對(duì)基帶信號(hào)前向糾錯(cuò)的信道解碼模塊，進(jìn)行解碼的信源解碼模塊，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解密的解密 模塊，用于進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的D/A轉(zhuǎn)換模塊;所述加密模塊為權(quán)利要求1所述的語音加密系統(tǒng)， 所述解密模塊為權(quán)利要求7所述的語音解密系統(tǒng)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的語音加解密系統(tǒng)，其特征在于，還包括信號(hào)調(diào)理電路，所述信 號(hào)調(diào)理電路包括RC低通濾波電路和穩(wěn)壓電路。
【文檔編號(hào)】G10L19/13GK106098073SQ201610343796
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月23日
【發(fā)明人】胡劍凌, 李楊, 張霞, 陳建榮, 張強(qiáng)慶, 方健
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)