CN102624518A

CN102624518A - 语音加解密方法

Info

Publication number: CN102624518A
Application number: CN2012100558574A
Authority: CN
Inventors: 胡汉平; 王祖喜; 金堃; 罗丹; 苏德庭; 于志良; 徐竞
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-03-05
Filing date: 2012-03-05
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-05
Also published as: CN102624518B

Abstract

本发明公开了一种语音加密方法，包括以下步骤：对数字语音信号按设定的长度分段进行时域到频域的变换，根据密钥对变换后的语音信号进行加密，对加密后的语音信号执行变换域到时域的转换，以得到加密后的时域信号。本发明的方法可保证移动通信系统的安全性，并能够较好的对抗2G和3G标准中编码问题对密钥产生的影响。本发明还公开了一种语音解密方法。

Description

语音加解密方法

技术领域：

本发明涉及移动通信领域的语音加密技术，具体涉及一种语音加解密方法。

背景技术：

近几年来，移动通信技术高速发展，通信网络的性能和功能也得到了显著的提升。公众移动通信网在经历了采用模拟语音信道的第一代移动通信网络(1G)、采用数字信道的第二代移动通信网络(2G)以及能够提供最高2Mbit/S数据通信速率的第三代移动通信网络(3G)，并且正向第四代移动通信网络(4G)迈进。

随着数据传输方式的引入和普及，移动通信网络也能提供众多种类的服务，而在公众体验快速发展的移动通信带来的好处的同时，数据传输的安全性问题也越来越多的引起了人们的注意。移动网络的安全性问题主要有窃听、伪装、数据完整性破坏、抵赖等多种情况，其中最主要的安全威胁是窃听。这使得除了普通的语音通信以外，许多机密和敏感话音信息不允许或者不敢采用移动通信的方式进行传送，譬如公共安全、商业机密、政府和军事情报等。

然而，传统的移动通信缺乏端到端的加密机制，移动网络节点设备间传输的为经过模数转换的明文信息，被窃听的风险极高。现有的移动通信过程一般经历手机端语音信号的模数转换、编码传输、基站解码再编码传输，手机端解码数模转换为语音信号等几个过程。而现有的加密手段多在编码过程之后进行加密，再通过基站的解密解码再编码再加密，这种加密方式是建立在核心网络部分安全可信的前提下，因为只考虑了无线信道部分的安全，其明文信息对基站可见，导致系统不能为用户提供端到端的安全通信。编码后加密的方式不可否认的具有加密数据少，占用信道小等优点，但其对基站透明的特点使得这种加密方式仍然存在被窃听的风险。

文献“移动通信端到端语音传输安全问题与对策分析”中提出了一种利用调制解调的原理来实现编码前加密的方法，以解决移动通信系统没有为话音业务提供从发送端到接收端之间所有链路的全程安全保护的问题，以及声码器只能传输语音信号的问题。该方法的实现思路是：发送端将加密语音数据看作语音参数索引，根据某种合适的合成语音产生模型，将输入参数合成唯一的类语音波形输出，再将加密语音送入移动通信系统，接收端对声码器输出的类语音信号进行解调，恢复成原始已加密信息，送入解密模块脱密后得到原始语音。然而，这种方法需要设计新的调制解调器，硬件设计实现产品周期长，受电路噪声和器件参数影响较大；更为重要的是，这种方法只能对抗2G中使用的PRE-LTP编码标准。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种语音加解密方法，该方法可保证移动通信系统的安全性，并能够较好的对抗2G和3G标准中编码问题对密钥产生的影响。

一种语音加密方法，包括以下步骤：

(1)对数字语音信号按设定的长度分段进行时域到频域的变换；

(2)根据密钥对转换后的语音信号进行加密，具体包括以下子步骤：

(2-1)根据密钥中的某些位增加或删除语音信号的变换域中的频率成分；

(2-2)对改变后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组；

(2-3)根据密钥对分组后的频率成分进行置乱；

(3)对加密后的语音信号执行变换域到时域的傅里叶变换，以得到加密后的时域信号。

步骤(2-2)包括：对改变后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行平均分组，每组的点数相同，余下不足的点数单独作为一组，以得到分组后的变换域信号。

步骤(2-2)包括：对改变后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组，每组的点数不同，以得到分组后的变换域信号。

步骤(2-2)包括：通过算法找出所述变换域中的共振峰和能量集中区，并以二者的边界为分组界限，以得到分组后的变换域信号。

一种语音解密方法，包括以下步骤：

(1)将加密后的语音时域信号经过一次或者多次编解码后在接收端得到时域内的待解密语音信号；

(2)根据加密时的采样长度对待解密语音信号进行分段后，对每段执行时域到变换域的转换，然后组合变换后的信号；

(3)根据相同的密钥对转换后的语音信号进行解密，具体包括以下子步骤：

(3-1)对变换域成分中的部分或全部有效点进行分组；

(3-2)根据密钥对分组后的频率成分进行反置乱；

(3-3)根据所述密钥中的某些位增加或删除所述反置乱后语音信号变换域中的频率成分，得到解密后的变换域信号；

(4)对解密后的变换域信号执行变换域到时域的转换，以得到解密后的时域信号，完成解密过程。

步骤(3-1)包括：对变换后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行平均分组，每组的点数相同，余下不足的点数单独作为一组，以得到分组后的变换域信号。

步骤(3-1)包括：对变换后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组，每组的点数不同，以得到分组后的变换域信号。

步骤(3-1)包括：通过算法找出所述变换域中的共振峰和能量集中区，并以二者的边界为分组界限，以得到分组后的变换域信号。

本发明具有以下的优点和有益效果：

1、本发明在能够抗PRE-LTP编码压缩的同时，能够很好的对抗3G通信中广泛使用的AMR编码压缩；

2、本发明加密方式为软加密，能有效克服硬件加密所造成的研发周期长、抗干扰性差等缺点。

2、本加密方式可灵活地用软件方式或硬件方式实现，步骤简单，所需资源少。

附图说明：

图1为本发明语音加密方法的流程图。

图2为本发明语音解密方法的流程图。

具体实施方式：

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的语音加密方法包括以下步骤：

(1)对数字语音信号按设定的长度分段进行时域到频域的变换；具体而言，按照移动通信的标准，采集到的数字语音信号A在现有的移动通信网络(包括2G和3G网络)中，是以20ms为一个单位帧(假设为A’)，采样频率为8KHz，进行传输的，每一帧是按照线性预测编码(Linear Prediction Coding，简称LPC)算法进行压缩，压缩后即得到160个采样点；根据特定采样长度(在这里为160个点)对这些点执行时域到变换域的傅里叶变换；即对数字语音信号A中任意一帧A’进行离散傅里叶变换，得到频谱为160个点、跨度为0-8000Hz的离散谱B’，假设A经过这样的离散傅里叶变换后的变换域谱信号为B。

(2)根据密钥对转换后的语音信号进行加密；

具体而言，对变换域谱信号B分帧按照密钥进行加密，以得到加密后的频谱信号E。这里说的分帧并不是说要求密钥一帧一变，在本实施方式中，由于ITU-T规定通话可以有150ms以下的延迟，因此可以一帧为一组，也可以以两帧或者四帧为一组和在一起进行加密。我们假设以N(N＝1，2，3，4)帧为一组，则离散谱B’为具有160×N个点的对称结构，然后我们对离散谱B’的这160×N个点做以下操作：

(2-1)根据密钥中的某些位增加或删除(可以理解为增加的逆操作)离散谱B’中的频率成分，得到改变后的变换域信号C’。这里的频率成分可以是共振峰，也可以是其他频率成分，但要注意添加后的音频在时域上应该是归一化的结果，否则在进行逆变换以后，超过1的点将被置1；

(2-2)对改变后的变换域信号C’中的除直流分量外的部分或全部点进行分组，得到分组后的变换域信号D’；

在本发明的一个实施方式中，步骤(2-2)具体为：对变换域信号C’频率成分中的除直流分量外的部分或全部有效点(例如，假设变换域信号C’有160个点，去除第一个直流分量点，再考虑到对称问题，变换域信号C’中的有效点就只有[(160-1)/2]＝79个)进行平均分组，每组的点数相同(假设每5个点一组)，余下不足的点数单独作为一组(这样就得到16组)，得到分组后的变换域信号D’。

在本发明的另一个实施方式中，步骤(2-2)具体为：对变换域信号C’频率成分中的除直流分量外的部分或全部有效点(如上例为79个点)进行分组，每组的点数不同(假设每组点数分别为5，6，7，2，9，14，6，7，8，8，7，这样就得到11组)，得到分组后的变换域信号D’。

在本发明的另一个实施方式中，步骤(2-2)具体为：通过算法找出变换域信号C’中的共振峰和能量集中区，并以二者的边界为分组界限，得到分组后的变换域信号D’。例如，对上例中的这79个点进行分组时，先使用一些常用算法，找出其中的共振峰或者能量集中区，以它们的边界为分组界限，让分组后这些共振峰尽量不被拆散，这样在进行有损传输后解密时，达到的效果会更好。

(2-3)根据密钥，对分组后的变换域信号D’进行组间置乱操作，得到置乱后的变换域信号E’，以达到加密的效果；

(3)对加密后的语音信号执行变换域到时域的傅里叶变换，以得到加密后的时域信号。即对加密后的频谱信号E’以每N帧为单位进行变换域到时域的逆傅里叶变换，组合后得到加密后的语音信号F，完成加密过程。

如图2所示，本发明的语音解密方法包括以下步骤：

(1)在加密过程中得到加密语音F后，送入声码器和移动通信核心网进行多次编解码，然后在接收端得到时域内的待解密语音信号F0。根据移动通信的话音通信流程，加密语音F首先送入声码器完成信源编码，编码方式根据移动通信网络制式的不同而有区别，值得提出的是，本发明提供的加密方法能够适用于3G通信中广泛采用的AMR编码方式。信源编码后经过信道编码、扩频、调制等步骤后通过核心网发往基站，基站进行信道解码、解扩、解调等步骤后，根据接收端信道质量进行二次编码等操作，所以接收到经过解码后得到的待解密语音信号F0和F是有区别的。

(2)对时域内的待解密语音信号F0按照加密时的每N帧进行时域到变换域的傅里叶变换，组合后得到待解密的频谱信号E0。时域到变换域的傅里叶变换与加密过程中的步骤(1)相一致，均在分帧后采用离散傅里叶变换得到对称离散谱。假设N帧变换后的频谱信号为E0’。

(3)对变换域谱信号E0分帧按照密钥进行解密，以得到解密后的频谱信号B0，具体步骤如下：

(3-1)对E0以加密时完全相同的方案进行分组，假设每一组为E0’；

在本发明的一个实施方式中，步骤(3-1)具体为：对变换后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行平均分组，每组的点数相同，余下不足的点数单独作为一组，以得到分组后的变换域信号。

在本发明的另一个实施方式中，步骤(3-1)具体为：对变换后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组，每组的点数不同，以得到分组后的变换域信号。

在本发明的另一个实施方式中，步骤(3-1)具体为：通过算法找出变换域中的共振峰和能量集中区，并以二者的边界为分组界限，以得到分组后的变换域信号。

(3-2)根据解密方的密钥(与加密方相同)，对E0’进行逆置乱操作，得到C0’。例如，假设加密时密钥将原本按1，2，3，4，5排列的分组置乱为4，5，1，3，2，那么解密时的置乱就应该把1，2，3，4，5置乱为3，5，4，1，2。这样就可以还原出加密前的顺序；

(3-3)根据密钥，去除(或添上)C0’中在加密过程中添加(或去掉)的频率成分，即得到解密后的变换域信号B0’；

(4)对解密后的变换域信号B0’以每N帧为单位进行变换域到时域的反变换并进行拼接，以得到还原后的最终语音信号A0’，完成解密过程。

Claims

1.一种语音加密方法，其特征在于，包括以下步骤：

(2)根据密钥对变换后的语音信号进行加密，具体包括以下子步骤：

(2-1)根据所述密钥中的某些位增加或删除所述语音信号的变换域中的频率成分；

(2-3)根据所述密钥对分组后的频率成分进行置乱；

(3)对加密后的语音信号执行变换域到时域的转换，以得到加密后的时域信号。

2.根据权利要求1所述的语音加密方法，其特征在于，所述步骤(2-2)包括：对改变后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行平均分组，每组的点数相同，余下不足的点数单独作为一组，以得到分组后的变换域信号。

3.根据权利要求1中的语音加密方法，其特征在于，所述步骤(2-2)包括：对改变后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组，每组的点数不同，以得到分组后的变换域信号。

4.根据权利要求1中的语音加密方法，其特征在于，所述步骤(2-2)包括：通过算法找出所述变换域中的共振峰和能量集中区，并以二者的边界为分组界限，以得到分组后的变换域信号。

5.一种语音解密方法，其特征在于，包括以下步骤：

(3-1)对变换域成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组；

(3-2)根据所述密钥对分组后的频率成分进行反置乱；

6.根据权利要求4所述的语音解密方法，其特征在于，所述步骤(3-1)包括：对变换后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行平均分组，每组的点数相同，余下不足的点数单独作为一组，以得到分组后的变换域信号。

7.根据权利要求4所述的语音解密方法，其特征在于，所述步骤(3-1)包括：对变换后的频率成分中除直流分量外的部分或全部点进行分组，每组的点数不同，以得到分组后的变换域信号。

8.根据权利要求4中的语音解密方法，其特征在于，所述步骤(3-1)包括：通过算法找出所述变换域中的共振峰和能量集中区，并以二者的边界为分组界限，以得到分组后的变换域信号。