CN102737637A - 一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法，在发送端将需要传输的比特数据进行类语音调制，转换成类语音信号，然后将类语音信号在语音信道上进行传输，最后在接收端将接收到的类语音信号解调为比特数据，本发明可以将加密后的比特数据流在语音信道上进行传输，尽管传输的是加密后的比特数据，但给第三方的感觉是传输的未加密的语音数据，从而避免引起第三方的关注，实现比特数据流的身份掩护功能，提高了加密比特数据流传输的安全性，本发明能够独立成为一种数据通信设备，在比特数据无法直接传输时(例如没有有线数据传输设备或者没有无线数据信道)，利用语音信道来传输比特数据，从而为需要加急传输的数据提供了另外一种安全的传输方式。

Description

一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法

技术领域

本发明涉及无线移动通信网络技术领域，适用于保密通信的数据传输和接收设备，具体涉及一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法。 

背景技术

目前广泛使用的无线移动通信网络为GSM网络和CDMA网络。为了解决无线移动通信网络中的数字通信问题，两种网络均提供了数据通信服务(例如GPRS、EDGE、UMTS等)。但目前使用的数据通信服务存在以下3方面问题：1)数据在核心网中进行传输时容易被窃听，特别对于加密数据，在核心网中进行传输时容易引起第三方的关注；2)相比于语音通信服务，数据通信服务的质量较差；3)数据通信服务存在相对较大的延时，不能为实时数据交互提供较好的服务。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法，能够将比特数据流调制成类语音进行传输，并且能够从类语音中准确解调出比特数据。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法，包括以下步骤： 

发送端将需要传输的比特数据进行类语音调制，转换成类语音信号； 

将类语音信号在语音信道上进行传输； 

以及， 

接收端将接收到的类语音信号解调为比特数据。 

所述类语音调制步骤如下： 

步骤1，数据分配和参数生成 

首先对比特数据流进行分帧，每一帧(M₁+M₂+M₃)比特，每一帧中前M₁个比特数据用于生成基音周期索引V₁，中间M₂个比特数据用于生成激励谐波幅度矢量索引V₂，后M₃个比特数据用于生成LSF系数索引V₃，M₁、M₂、M₃分别由对应参数的码本个数所决定，比特数据与索引一一映射；根据生成的各个参数索引V₁、V₂、V₃，从对应参数的码书中找出相应的基音周期T、激励谐波幅度矢量 

和LSF系数 完成数据分配和参数生成； 

步骤2，激励生成 

生成一帧激励信号，一帧激励信号的采样点数为L，激励谐波幅度矢量 

分别表示频域上频率为 

对应的幅度值，Z表示谐波幅度矢量个数，激励的谐波总数 

Z＜Z₁，设定频率为 

对应的幅度值为常数A_C，则激励信号  $e\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{T}n\right)+\underset{i=Z+1}{\overset{Z_1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_C\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{T}n\right),$ n＝1，2，…，L； 

步骤3，LSF系数转换为LPC系数 

根据LPC系数与LSF系数的一一对应关系计算LPC系数a₁～a_P； 

步骤4，线性滤波 

对激励信号e(n)进行线性滤波，得到类语音调制信号s(n)： 

$s\left(n\right)=e\left(n\right)+\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}s(n-i),$ n＝1，2，…，L； 

完成当前帧调制后，继续调制生成下一帧类语音，当所有比特数据完成调制后，输出调制得到的语音； 

所述类语音解调步骤如下： 

步骤1，分帧处理 

将接收到的类语音信号以L个采样点分为一帧，L为类语音调制算法中 一帧类语音信号的采样点个数； 

步骤2，预处理 

对当前类语音帧进行去直流分量处理，并进行低通滤波，以减小传输类语音过程中语音信道对类语音的干扰； 

步骤3，基音周期和LSF系数提取 

首先提取预处理后的信号s(n)的基音周期T，然后利用Levinson-Durbin递归算法提取LPC系数a₁～a_P，并将其转换为LSF系数 

步骤4，LSF系数量化 

计算码书中每个码本 

与提取的LSF系数 

的“距离” 

函数f表示计算矢量“距离”的函数，“距离”最小的码本为 其下标作为LSF系数对应的索引 

步骤5，激励谐波幅度矢量提取 

计算索引为 

的LSF系数 

对应的LPC系数 

利用预处理后的信号s(n)计算激励信号e(n)， 

n＝1，2，…，L，对e(n)进行离散傅里叶变换，提取前Z个谐波分量幅度值，得到激励谐波幅度矢量； 

步骤6，基音周期和激励谐波幅度矢量量化 

计算每个周期码本T_k与提取的基音周期T之间差的绝对值，绝对值最小的周期码本为T^*，其下标作为基音周期的索引 

激励谐波幅度矢量量化与LSF系数量化方法相同，激励谐波幅度矢量量化的索引为 

步骤7，索引转换为比特数据 

根据类语音调制中数据分配所采用的比特数据和索引之间的一一映射关系，将索引 

和 分别映射为M₁、M₂、M₃个比特数据，再按照数据分配中比特数据的顺序对其进行排序合并，得到当前类语音帧对应的比特数据； 

对所有类语音帧完成解调后，输出得到的比特数据流。 

所述类语音调制的步骤2中，A_C可以取当前激励谐波幅度矢量 

的最大值。 

与现有技术相比，本发明可以将加密后的比特数据流在语音信道上进行传输。尽管传输的是加密后的比特数据，但给第三方的感觉是传输的未加密的语音数据，从而避免引起第三方的关注，实现比特数据流的身份掩护功能，提高了加密比特数据流传输的安全性。 

另外，本发明能够独立成为一种数据通信设备，在比特数据无法直接传输时(例如没有有线数据传输设备或者没有无线数据信道)，利用语音信道来传输比特数据，从而为需要加急传输的数据提供了另外一种安全的传输方式。 

此外，本发明不需要改变已有的移动通信语音业务流程，易于实现和应用。 

附图说明

图1为语音信号产生模型示意图。 

图2为矢量量化框架示意图。 

图3为本发明的结构框图。 

图4为本发明类语音调制算法框图。 

图5为本发明类语音解调算法框图。 

图6为本发明系统工作流程图。 

图7为将本发明应用于现有的无线移动通信系统的连接框图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。 

为了对语音进行分析和重建，所有语音编码方法都需要一个人工语音产生模型，该模型如图1所示。图1上半支框图表示，一个周期脉冲发生器产生脉冲信号，该信号经声门脉冲模型G(Z)后，乘以增益G_V得到浊音激励信号。图1下半支框图表示，随机信号发生器产生的随机信号乘以增益G_U得到清音激励信号。根据实际需要，选择清音激励信号或者浊音激励信号经过声道模型V(Z)和辐射模型R(Z)进行滤波，合成得到清音或者浊音语音信号s(n)。为了数据传输的需要，本发明合成的语音全部为浊语音信号。 

其中，声道模型V(Z)认为是一个线性滤波器，可用一个全极点函数表示，表达式如下所示： 

$V\left(Z\right)=\frac{1}{\underset{i=0}{\overset{P}{\mathrm{\Σ}}}{a}_i{Z}^{-i}},$ a₀＝1，a_i∈R 

其中P表示全极点函数的阶数，a₁～a_P表示线性预测系数(Linear Predictive Coefficient，LPC)，已知语音信号，可以利用常用的Levinson-Durbin递归算法计算。 

线谱频率参数(Line-Spectrum Frequency，LSF)是与LPC系数一一对应的语音特征参数。LSF系数出现较小的误差仍能保证系统的稳定性。根据LPC系数可以计算得到对应的LSF系数。 

基音周期是语音信号最重要的参数之一。对于浊语音，常用的基音周期提取算法是基于短时自相关函数的基音周期估计。目前已有较为成熟的基音周期提取算法，能够比较准确地提取语音信号的基音周期。 

图1所示，对于浊语音信号，经过声门脉冲模型G(Z)的信号为激励信号e(n)。利用语音信号s(n)可以计算激励信号e(n)： 

其中P表示全极点函数的阶数，a₁～a_P表示LPC系数。 

激励谐波幅度矢量 

Z表示谐波幅度矢量个数。激励谐波幅度矢量表示激励信号e(n)的第1到第Z次谐波的幅度，即频域上频率为 

对应的幅度值，其中T表示基音周期。对激励信号e(n)进行离散傅里叶变换，提取Z个谐波分量的幅度，即得到激励谐波幅度矢量。 

矢量量化(Vector Quantization，VQ)的基本思想是将若干个采样信号分成一组，构成矢量，然后用若干离散的数字值(或称为标号)来表示各种矢量。一个无记忆矢量量化系统的基本框架如图2所示。 

其中X表示待编码的矢量，γ(·)表示编码函数，β(·)表示译码函数，K表示码本个数，Y₁，Y₂，…，Y_K表示K个码本矢量，v表示矢量X的索引，Y表示索引 v对应的码本。 

VQ编码时，在码书中选出与矢量X对应的码本的索引v，v＝γ(X)。VQ译码时，在码书中选出索引v对应的码本矢量Y，Y＝β(v)。 

本发明的结构框图如图3，包括以下步骤： 

发送端将需要传输的比特数据进行类语音调制，转换成类语音信号； 

将类语音信号在语音信道上进行传输； 

以及， 

接收端将接收到的类语音信号解调为比特数据。 

其中，类语音调制过程如图4所示，包括以下步骤： 

1)数据分配和参数生成 

首先对比特数据流进行分帧，每一帧(M₁+M₂+M₃)比特。每一帧中前M₁个比特数据用于生成基音周期索引V₁，中间M₂个比特数据用于生成激励谐波幅度矢量索引V₂，后M₃个比特数据用于生成LSF系数索引V₃。生成各个索引的比特数M₁、M₂、M₃分别由对应参数的码本个数所决定的。通常情况下，基音周期码本、激励谐波幅度矢量码本和LSF系数码本是已知的，因此各个索引的比特数M₁、M₂、M₃也是已知的。比特数据与索引一一映射。 

根据生成的各个参数索引V₁、V₂、V₃，从对应参数的码书中找出相应的基音周期T、激励谐波幅度矢量 

和LSF系数 

这样就完成了数据分配和参数生成。 

2)激励生成 

生成一帧激励信号，一帧激励信号的采样点数为L。激励谐波幅度矢量 

表示频域上频率为 

上的幅度值，Z表示谐波幅度矢量个数，激励的谐波总数 

Z＜Z₁。设定频率为 

对应的幅度值为常数A_C。因此激励信号 

$e\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{T}n\right)+\underset{i=Z+1}{\overset{Z_1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_C\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{T}n\right),$ n＝1，2，…，L。 

3)LSF系数转换为LPC系数 

由于LPC系数与LSF系数一一对应，因此根据LPC系数与LSF系数的关系计算LPC系数a₁～a_P。 

4)线性滤波 

计算得到激励信号e(n)和LPC系数a₁～a_P后，对激励信号e(n)进行线性滤波，得到类语音调制信号s(n)： n＝1，2，…，L。 

完成当前帧调制后，继续调制生成下一帧类语音。当所有比特数据完成调制后，输出调制得到的语音。 

类语音解调过程如图5所示，包括以下步骤： 

1)分帧处理 

将接收到的类语音以L个采样点分为一帧，L为类语音调制算法中1帧类语音的采样点个数。 

2)预处理 

对当前类语音帧进行去直流分量处理，并进行低通滤波，以减小传输类语音过程中语音信道对类语音的干扰。 

3)基音周期和LSF系数提取 

首先提取预处理后的信号s(n)的基音周期T。然后利用Levinson-Durbin递归算法提取LPC系数a₁～a_P，并将其转换为LSF系数 

4)LSF系数量化 

LSF系数量化对应于图2矢量量化的VQ编码过程。计算码书中每个码本 

与提取的LSF系数 

的“距离” 

函数f表示计算矢量“距离”的函数，通常是已知的。“距离”最小的码本为 

其下标作为LSF系数对应的索引 

5)激励谐波幅度矢量提取 

计算索引为 

的LSF系数 对应的LPC系数 

利用预处理后的信号s(n)计算激励信号e(n)， 

n＝1，2，…，L。对e(n)进行离散傅里叶变换，提取前Z个谐波分量幅度值，得到激励谐波幅度矢量。 

6)基音周期和激励谐波幅度矢量量化 

计算每个周期码本T_k与提取的基音周期T之间差的绝对值。绝对值最小的周期码本为T^*，其下标作为基音周期的索引 

激励谐波幅度矢量量化与LSF系数量化方法相同。只是采用了不同的码书和“距离”计算函数。激励谐波幅度矢量量化的索引为 

7)索引转换为比特数据 

根据类语音调制中数据分配所采用的比特数据和索引之间的一一映射关系，将索引 

和 

分别映射为M₁、M₂、M₃个比特数据，再按照数据分配中比特数据的顺序对其进行排序合并，得到当前类语音帧对应的比特数据。 

对所有类语音帧完成解调后，输出得到的比特数据流。 

图6为本发明的系统工作流程图。将输入的比特数据分组存入到缓冲区。利用当前组的比特数据生成基音周期、激励谐波幅度矢量和LSF系数的索引V₁、V₂和V₃。根据索引生成基音周期T、激励谐波幅度矢量 

和LSF系数 将LSF系数 

转换为LPC系数 

利用基音周期T和激励谐波幅度矢量 

生成激励。利用LPC系数 

对激励进行滤波，得到当前组比特数据对应的语音帧。判断是否调制完所有的比特数据。如果没有调制完，继续按照上述方法调制下一帧比特数据，直到完成所有比特数据的调制。如果调制完成，传输调制得到的类语音。 

接收端接收到类语音，根据每一帧语音的长度对类语音进行分帧。对当前帧语音进行预处理。提取当前帧语音的基音周期T和LPC系数 

将LPC系数 

转换为LSF系数 量化LSF系数 

得到索引 和 对应的LSF系数 

将LSF系数 

转换为LPC系数 

利用LPC系数 

计算激励信号e(n)。提取激励信号e(n)的前Z个谐波幅度矢量 

量化谐波幅度矢量 得到索引 量化基音周期T，得到索引 

将索引 

转换成比特数据。将排序好的比特数据存入缓冲区，判断是否完成所有类语音帧的解调。如果没有完成解调，继续根据上述方法解调下一帧语音，直到完成所有类语音帧的解调。如果完成解调，输出解调得到的比特数据。 

将本发明应用于现有的无线移动通信系统的连接框图如图7所示，图中虚线框表示现有的无线移动通信系统。MS(Mobile Station)表示无线移动通信系统中的移动台。BTS(Base Transceiver Station)表示无线移动通信系统中的基站收发台。 

比特数据流通过类语音调制模块转换为类语音。发送端移动台将类语音进行压缩编码，转发给发送端基站收发台。发送端基站收发台将接受到的数据利用核心网传输到接收端对应的基站收发台。接收端基站收发台将数据传输给接收端移动台。移动台将接收的数据转换为类语音。类语音经过类语音解调模块转换为比特数据流，从而实现了比特数据在无线移动语音通信系统中进行传输。 

Claims (3)

1.一种利用类语音调制解调进行数据传输的方法，其特征在于：包括以下步骤：

发送端将需要传输的比特数据进行类语音调制，转换成类语音信号；

将类语音信号在语音信道上进行传输；

以及，

接收端将接收到的类语音信号解调为比特数据。

2.根据权利要求1所述利用类语音调制解调进行数据传输的方法，其特征在于：

所述类语音调制步骤如下：

步骤1，数据分配和参数生成

首先对比特数据流进行分帧，每一帧(M₁+M₂+M₃)比特，每一帧中前M₁个比特数据用于生成基音周期索引V₁，中间M₂个比特数据用于生成激励谐波幅度矢量索引V₂，后M₃个比特数据用于生成LSF系数索引V₃，M₁、M₂、M₃分别由对应参数的码本个数所决定，比特数据与索引一一映射；根据生成的各个参数索引V₁、V₂、V₃，从对应参数的码书中找出相应的基音周期T、激励谐波幅度矢量和LSF系数

完成数据分配和参数生成；

步骤2，激励生成

生成一帧激励信号，一帧激励信号的采样点数为L，激励谐波幅度矢量

分别表示频域上频率为

对应的幅度值，Z表示谐波幅度矢量个数，激励的谐波总数

Z＜Z₁，设定频率为

对应的幅度值为常数A_C，则激励信号 $e\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{Z}{\mathrm{\Σ}}}{A}_i\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{T}n\right)+\underset{i=Z+1}{\overset{Z_1}{\mathrm{\Σ}}}{A}_C\cos \left(\frac{2\mathrm{\πi}}{T}n\right),$ n＝1，2，…，L；

步骤3，LSF系数转换为LPC系数

根据LPC系数与LSF系数的一一对应关系计算LPC系数a₁～a_P；

步骤4，线性滤波

对激励信号e(n)进行线性滤波，得到类语音调制信号s(n)： $s\left(n\right)=e\left(n\right)+\underset{i=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i}s(n-i),$ n＝1，2，…，L；

完成当前帧调制后，继续调制生成下一帧类语音，当所有比特数据完成调制后，输出调制得到的语音；

所述类语音解调步骤如下：

步骤1，分帧处理

将接收到的类语音信号以L个采样点分为一帧，L为类语音调制算法中一帧类语音信号的采样点个数；

步骤2，预处理

对当前类语音帧进行去直流分量处理，并进行低通滤波，以减小传输类语音过程中语音信道对类语音的干扰；

步骤3，基音周期和LSF系数提取

首先提取预处理后的信号s(n)的基音周期T，然后利用Levinson-Durbin递归算法提取LPC系数a₁～a_P，并将其转换为LSF系数

步骤4，LSF系数量化

计算码书中每个码本

与提取的LSF系数

的“距离”

函数f表示计算矢量“距离”的函数，“距离”最小的码本为其下标作为LSF系数对应的索引

步骤5，激励谐波幅度矢量提取

计算索引为

的LSF系数

对应的LPC系数利用预处理后的信号s(n)计算激励信号e(n)，

n＝1，2，…，L，对e(n)进行离散傅里叶变换，提取前Z个谐波分量幅度值，得到激励谐波幅度矢量；

步骤6，基音周期和激励谐波幅度矢量量化

计算每个周期码本T_k与提取的基音周期T之间差的绝对值，绝对值最小的周期码本为T^*，其下标作为基音周期的索引

激励谐波幅度矢量量化与LSF系数量化方法相同，激励谐波幅度矢量量化的索引为

步骤7，索引转换为比特数据

根据类语音调制中数据分配所采用的比特数据和索引之间的一一映射关系，将索引

和

分别映射为M₁、M₂、M₃个比特数据，再按照数据分配中比特数据的顺序对其进行排序合并，得到当前类语音帧对应的比特数据；

对所有类语音帧完成解调后，输出得到的比特数据流。

3.根据权利要求2所述利用类语音调制解调进行数据传输的方法，其特征在于：所述类语音调制的步骤2中，A_C取当前激励谐波幅度矢量

的最大值。

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