CN102916803B - 基于公用电话交换网的文件隐传方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于公用电话交换网的文件隐传方法，按照预定的嵌入规则把所述密文编码嵌入所述语音频带，生成含有密文编码的语音频带的幅度值；对所述含有密文编码的语音频带的幅度值进行IFFT变换，生成携密语音；接收端接收所述携密语音，按照同步算法提取同步信息，确定同步点位置，进而确定密文信息嵌入的开始位置；从密文信息嵌入的开始位置对携密语音分帧并进行FFT变换，得到分帧后的所述携密语音频带的幅度值；按照与所述预定的嵌入规则匹配的提取规则提取密文编码，进而对密文编码进行纠错码译码生成秘密文件。依据本发明不容易被搭线窃听。

Description

基于公用电话交换网的文件隐传方法

技术领域

本发明涉及一种基于公用电话交换网的文件隐传方法，为针对公用电话交换网(Public Switched Telephone Network, PSTN)应用环境的一种文件隐传系统设计方法。

背景技术

随着多媒体技术的飞速发展和计算机网络的成熟, 各种信息媒体, 例如语音和图像的通信越来越平常，这必然带来通信信息安全的问题。目前，电话已经在世界范围内普遍使用, 利用PSTN进行语音通信成为人们日常生活中十分平常的一种交流方式。对于一个蓄意的窃听者和一个恶意的破坏者来说, 公用电话交换网成为一种他们最偏爱和最容易攻击的对象。

保密电话是保密通信系统的一种方式。语音消息在保密电话中传递时是隐蔽在密文之中的, 相当于语音消息在有扰信道中传输时埋没在干扰中的情况。对于窃听者来说, 在窃听信道上听到的是模糊度很高的信息, 或者, 干脆就是一种干扰或噪声。毋庸置疑, 这种保密通信系统的通信性能可以设计的很完美, 但就其安全性而言可能就不十分乐观了。一旦窃听者监听、检测到保密通信线路, 就会精心破译所接收保密信道上的保密信息或者破坏保密通信线路, 阻止保密信息的传递。另外, 保密电话的加密措施基本上是在时域或者频域上进行的, 这种加密方式有限，基本是在模拟信号上处理，容易被检测和破坏，而且可能导致语音信号质量的下降。

信息隐藏技术是近几年来信息安全领域出现的一种新颖技术，已经备受关注，而且也越来越迅速，在有关国家安全和军事领域，其应用前景不可估量。例如早在80年代初，美苏冷战时期，美国军方就曾利用过信息隐藏技术。可以预见，继密码破译手段之外，信息隐藏技术将是未来信息对抗的焦点，成为敌我双方借以传递和谋取信息的另一个重要手段。信息隐藏技术作为未来情报战的重要组成部分，将对国际上军事、外交等诸多领域产生不可估量的影响。

信息隐藏技术由于其倍受各国关注。国际上诸多的情报机关和机构为此而想方设法，积极研究。当前，世界上一些发达国家已经成功开发了秘密信息隐藏和恢复处理系统，并根据军事通信系统发展和机要通信的应用和需求特点，研究、提出实用性较强、安全性能高、功能比较完善的信息隐藏新技术和新算法，一些发达国家的情报部门和机构更是加紧了对信息隐藏的技术研究、开发和应用。

国内也有许多的研究机构在对此方面进行研究。与发达国家相比，我国在该技术领域比较落后。至今为止，尚无发现公开有关信息隐藏系统的产品问市。目前，国内外关于数字水印的研究较多，而对信息隐藏的研究较少，尤其是关于语音为载体的信息隐藏技术更是少之又少。

语音信息隐藏通信系统是通过对语音信号进行分析，利用信息隐藏技术通过一定算法，将所需要传送的秘密信息实时隐藏在明文话音信息中，而不会使明文话音发生人耳听觉系统可查觉到的变化。这样，将秘密信息隐藏到明文话音信息中，以明文信息发送出去，在接收端利用信息隐藏的相应技术，将秘密信息从明文话音中提取出来。于是，通过一条公开的信道，成功传送了秘密信息。这样不管是合法使用者打普通电话还是打隐藏信息的电话，无意的、有意的或者恶意的搭线窃听者，只能够听到公开信道上传送的明文语音信息，而对隐秘传送的信息则表现为无知。不像打传统保密电话时听到的是噪音，这就不容易引起窃听者的怀疑，降低了窃听者的警惕性，从而更好地实现信息隐藏通信。即使搭线窃听者知道正在进行的通话信道中有隐秘信息，并且正在进行秘密信息传送，他可以截取包含保密信息的通话内容，但他没有相应的提取技术，也不可能轻易获得秘密信息。

当前国内外采用的语音隐藏技术以及技术特点表现在以下方面：

目前，国内外语音隐藏技术的主要方法有以下几种：①最低有效位（LSB，Least Significant Bit）方法，该方法可以隐藏较多的数据，但稳健性较差，无法抵抗音频数据处理所带来的破坏；②相位编码法，该算法通过修改音频数据的傅里叶系数的相位值将数据隐藏到音频数据中；③频谱变化法，该算法借鉴扩频通信的原理，将数据作为噪声隐藏到载体数据的频谱中，具有较高的健壮性；④回声隐藏法，该算法通过改变回声的延迟来隐藏水印数据。此外，还有其他多种语音伪装算法，但可以看作以上算法的改进。

在PSTN网络上应用语音信息隐藏技术，目前国内外已经有一些算法被提出，但是在抵御AD/DA转换、电话信道噪声、A律压扩、传输效率和通话效果等方面，仍有较大的提升空间，而目前并没有公开的不影响双方正常通话的、基于公用电话交换网PSTN的文件隐传系统的产品问市。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种不容易被搭线窃听的基于公用电话交换网的文件隐传方法。

本发明采用以下技术方案：

一种基于公用电话交换网的文件隐传方法，发送端在语音频段对输入的语音进行分帧，进而对分帧后的所述语音进行FFT变换，得到分帧后的语音频带的幅度值；

把待隐传的秘密文件生成密文比特流，并加入同步信息；

进而，把带有同步信息的所述密文比特流进行纠错码编码，生成密文编码；

按照预定的嵌入规则把所述密文编码嵌入所述语音频带，生成含有密文编码的语音频带的幅度值；

对所述含有密文编码的语音频带的幅度值进行IFFT变换，生成携密语音；

接收端接收所述携密语音，按照同步算法提取同步信息，确定同步点位置，进而确定密文信息嵌入的开始位置；

从密文信息嵌入的开始位置对携密语音分帧并进行FFT变换，得到分帧后的所述携密语音频带的幅度值；

按照与所述预定的嵌入规则匹配的提取规则提取密文编码，进而对密文编码进行纠错码译码生成秘密文件。

依据本发明的上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，应用到PSTN环境下，通过直接在语音数据流，也就是在数字化的语音中嵌入比特流的秘密文件，从而，这种嵌入不受时段的影响，能够完成秘密文件的实时传送，并能够通过提取算法正确恢复秘密文件。这样通过一条公开的信道，成功传送了秘密信息。最终被传输的是携密语音的模拟信号，不管是合法使用者打普通电话还是打隐藏信息的电话，无意的、有意的或者恶意的搭线窃听者，只能够听到公开信道上传送的明文语音信息，而对隐秘传送的信息则表现为无知，这样不容易引起窃听者的怀疑，降低了窃听者的警惕性，从而更好地实现信息隐藏通信。经过大量实际PSTN环境下测试，可以保证系统误码率为0，无论传送的是文本、图片还是语音，都可以正确恢复。可以广泛应用到国家军事领域、信息安全领域及商业领域。

上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，发送端对所述语音进行分帧前通过加入音乐噪声的方式消除语音的静音段。

上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，在嵌入规则中，通过修改帧长、选择频带范围及频带分段所调整的调整因子、频点、频谱能量为依据修改频带幅度值进行所述密文编码的嵌入；

加以匹配的，还包括调整的步骤，依据隐传方法的透明性、鲁棒性和误码率，调整所述帧长、频段范围及频带分段，获得预定要求的透明性、鲁棒性和误码率的调整因子，寻找实际应用环境中电话信道噪声条件下透明性与鲁棒性之间的平衡点。

上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，所述同步信息为在发送端添加的同步头，该同步头为预定长度的比特流信息，从而与密文信息组成整个比特流；对应地，接收端通过匹配的同步算法查找所述同步头来确定密文信息嵌入点。

上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，所述纠错码编码选择74汉明码。

上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，发送端相比于接收端的系统就位延时限制在15秒之内。

上述基于公用电话交换网的文件隐传方法，还包括使用回波抵消方法消除通话中回声的步骤。

附图说明

下面结合说明书附图详述本发明的技术方案，使本领域的技术人员更好的理解和实现本发明，其中：

图1 依据本发明的一种发送端嵌入算法原理图。

图2接收端提取算法原理图。

图3回波抵消算法原理图。

图4 系统协议流程图。

图5 系统双方通信示意图。

图6发送端原理图。

图7 ARM+DSP算法处理模块框图。

图8 中继线模块原理图。

图9 铃流模块原理图。

图10接收端实施原理图。

图11 同步算法流程图。

具体实施方式

一、面临的技术问题：

依据本发明较佳的实施例，采用语音信息隐藏技术，结合特定的隐写算法、同步算法和回波抵消算法，利用高性能的DSP芯片和特定的电路系统，实现通话双方在电话线上安全无误地传输秘密文件。

在实现过程中，有以下几个问题需要解决，同时本领域的技术人员在面对相应的技术问题时，选择相关的解决手段，以匹配相应的技术环境和成本控制，以及如传输、计算速度的考量：

（1）由于电话线上传输的是双方语音，在接收端录音时包含了接收方语音信号，这对于接收端恢复密文信息是最大的干扰，如何保证接收方语音不影响密文信息的恢复成为必须解决的首要问题。

（2）由于电话信道的特殊性，要求嵌入算法和提取算法在保证算法透明性的同时，能够抵抗AD/DA转换、A律压扩、信道噪声和信道失真等多种攻击，再则采用频域隐藏密文信息，误码率与传输速率成为一对矛盾体，同时算法设计的复杂度受到限制，受到硬件开发平台计算速度的影响，因此如何克服诸多难题以保证发送端高效传输密文信息和接收端正确恢复密文信息，成为该系统的一大技术难点。

（3）由于通话过程中存在静音段，能量小，受噪声及精度影响比较大，嵌入密文信息时误码率高，如何解决静音段误码率高也成为一大难题。

（4）由于双方的各自算法均具有延时，导致双方在通话过程中产生了回声，严重影响了通话效果，如何消除双方的回声也成为必须解决的问题。

（5）由于PSTN结构的特殊性和双方通信采用普通的通信方式，接收端无法判断何时发送密文信息。嵌入算法的特点是一旦稍有错位，将不能正确解码。如何设计同步算法使同步精度达到样点级以使误码率降到最低，成为一大难题。同时，由于对同步精度具有非常严格的要求，增加了同步算法的运算时间。

（6）由于DSP芯片的晶振频率不稳定以及其与计算机设备的晶振频率不匹配，导致在传输语音数据过程中会发生数据采样点的丢失，而隐写算法对采样点要求非常高，采样点的丢失会导致密文信息的错判并会产生累积效应，导致接收端完全无法恢复密文信息。如何在DSP芯片和计算机设备之间传输语音数据成为该系统必须解决的难题。

二、应对方案：

隐写方法：

包含三部分内容：嵌入方法、匹配该嵌入方法的提取方法，以及同步方法。

关于隐写方法，需要考虑一下几个问题：

一是通过电话信道传送密文信息，需要考虑电话信道的特殊性，一般情况下，电话信道的带宽为3kHz，传送的语音频段为300Hz～3300Hz，采样频率为8kHz，而且在高频段（3000Hz以上）的语音信号衰减幅度很大。从频域上来说，不能考虑300Hz～3300Hz以外的频带，选择合适的频带嵌入密文信息决定了接收端是否能正确恢复密文信息。二是由于电话信道噪声的影响，接收方找到的同步头信息与发送方发送的同步头信息的位置可能存在一些偏差，因此要求算法能够容忍采样点的偏移。三是电话信道存在一定的突发噪声，因此要求算法能够抵抗一定的噪声攻击。四是电话信道在300-3300Hz的频带内仍有非线性失真，要求算法能够抵抗电话信道的非线性失真。五是由于人说话的时候经常会有停顿即语音中会有很多静音段，能量很小，受噪声及精度影响比较大，导致误码率高，因此要求算法能够较好抵抗静音段的误码。六是要充分考虑回波及侧音对携密语音的影响。

1）嵌入方法：

为隐写方法的核心手段，其优劣直接关系到接收端能否正确恢复密文信息。同时应当能够抵抗各种攻击，保证误码率为0，其实现原理如图1所示。

下面直接介绍嵌入方法的几个重点技术方案，应知，这几个重点技术方案，本领域的技术人员简单推理或者由此得出的简单的相对次要的方案不需要付出创造性劳动。

（1）嵌入规则方案：

如前所述，由于电话信道的带宽为3kHz，传送的语音频段为300Hz～3300Hz，相当于带通滤波器，经过电话信道的语音时域信号会有所变化，导致误码率升高。因此选择在频域嵌入密文信息，不考虑300Hz～3300Hz以外的频带。选取合适的帧长，频带范围及频带分段，以调整因子、频点、频谱能量等参量为依据修改频带的幅度值，进行密文信息的嵌入。如果将调整因子无限下降，可以获得非常好的透明性，但这样做的后果往往是降低了系统的鲁棒性，提高了误码率。因此，必须在透明性和鲁棒性之间找到适当的平衡点，并根据实际环境中的电话信道噪声进行适当调整。由此，在具体的实现中，面对实际的环境对相关信道进行调整，在携密条件下以获得满意的通信质量，且能够正确的提取秘密文件。这是在后续应用中所考量的问题之一。

（2）静音处理方案：

由于人正常说话存在大量的静音，而静音段能量比较小，不易于隐藏信息，且容易发生密文信息的错判，导致无法恢复秘密文件。采用对发送端语音添加背景音乐的方法，消除静音段，解决静音段误码率高的问题，如图1，音乐噪声通过加噪器加入发送端语音。由于添加的背景音乐声音比较小，不会影响正常通话，给窃听者造成一种错觉，以为通话双方是在一种音乐环境下进行的，这不会引起窃听者的怀疑。

（3）同步头信息方案：

一旦同步算法定位不准确，稍有错位，将不能正确解码，导致密文信息无法正确恢复，而同步头信息的选取直接影响了同步算法能否实现同步及后续解码的正确性，地位可见一斑。选取同步头信息，要求既能保证同步头信息的隐蔽性，又能保证接收端能精确地找到同步点。

本文中采用在发送端添加同步头（同步头为一串特定的比特流信息，即                                                ），和密文信息组成整个比特流，嵌入到携密语音并在电话信道中传输。

（4）纠错码方案：

密文信息经过电话信道传输，需经受AD/DA转换、A律压扩和信道噪声的攻击，误码是不可避免的。系统中引入纠错机制，以降低误码率，尽可能准确的恢复密文信息。纠错码是以降低信息传输速率来换取信息传递的可靠性的提高，在尽可能少的增加冗余码的情况下来实现尽可能强的纠错能力。而本系统综合考虑传输速率和误码率，选择74汉明码，其用软件实现编译码算法时，软件效率高，性能好。

FFT，即快速傅里叶变换，离散傅里叶变换的一种快速算法，能克服时间域与频率域之间相互转换的计算障碍，在光谱、大气波谱分析、数字信号处理等方面有广泛应用，是模拟信号变换成数字信号的方法之一。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。

IFFT则是匹配IFFT的反变换。

2）提取方法：

接收端在接收到携密语音之后，首先通过同步算法找到同步点，然后采用提取算法进行密文信息的解码。提取算法是由嵌入算法决定的，其实现原理如图2所示。

3）同步方法：

由于PSTN结构的特殊性和双方通信采用普通的通信方式，接收端无法判断何时发送信息，嵌入算法的特点是一旦稍有错位，将不能正确解码。基于上述特点，不难理解同步在PSTN的文件隐传系统中的重要性。接收方获取携密语音之后，需要通过同步算法检测同步头信息即通过提取算法提取bit流，检测出现连续128个1的位置。该同步算法通过设置步长的方法减少了运算量，大大减少了同步算法的运算时间，同步精度可以达到一个采样点，为接收端正确恢复密文信息提供了保障。

这里的步长指语音采样点的个数，在运行同步算法时，只处理嵌入同步头信息的语音长度。

4）回音抵消方法：

由于发送端与接收端的算法都具有一定的延时，导致双方在通话过程中产生回声，严重影响了通话效果，必须采用回波抵消算法进行消除回声。本系统直接串联到电话线上，属于双工系统，一路通过A到C传送，另一路通过D到B传送。所有信号都视为数字信号。远端语音用代表，近端语音用代表，回声用代表。在D处，近端语音被混合了回声。回声抵消器以远端信号为参考，产生了一个复制的回声。把从D端接收到的信号和回声的混合信号中减掉，得到本地的加密后的发送信号，即。在理想情况下，回声路径不发生变化，收敛时间足够长，计算精度足够大，自适应滤波器可以接近理想地逼近回声路径的冲激响应，，经过回声抵消后的残差信号是很小的，从而实现回声的完全抵消。图3为基于PSTN的文件隐传系统中回波抵消算法的原理图。

自适应算法是回声抵消器的核心，回声抵消器的一切性能多取决于所使用的自适应算法的优劣。这就要求自适应算法收敛速度快、计算复杂度低、稳定性好及失调误差小。另外本系统属于双向通话，双向通话检测的一个主要困难是需要区分双向通话和回声路径的变化，这都可以造成误差信号。本系统中采用基于FLMS(FFT Least Mean Square)算法的MDF自适应滤波器（Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filter），并结合NLMS（Normalized Least Mean Square）算法调整MDF滤波器中最优学习率，该算法不需要进行双向通话检测，减小了误差，并且计算量小，收敛速度快，完全满足文件隐传系统的需要。

5）硬件设计：

系统硬件采取ARM+DSP的方案实现，ARM处理器具有功耗低指令执行速度快、对外围电路控制能力强等优点，而带有操作系统的ARM处理器系统可以方便的实现USB接口数据传输和数据存储，同时也可以更加完美的展现多样化的人机接口。系统的各种算法均在数字信号处理器（DSP）上实现，DSP具有强大的数据处理能力，能够完成复杂的数据运算任务，在语音信号处理方面发挥着重要的作用。

算法处理模块采用TI公司的高性能处理芯片TMS320DM6446，TMS320DM6446采用双核架构ARM+DSP，其中ARM处理器采用ARM926EJ-S核，工作主频为297MHz，DSP处理器采用TI的高端DSP核C64x+，工作主频为594MHz。ARM处理器可以方便的扩展出USB host接口，通过移植嵌入式操作系统Linux即可方便的挂接U盘等存储设备，方便的实现数据的双向传输。DSP处理器是TMS320C6000系列DSP平台中性能最高的定点DSP，能够完成高复杂度的信号处理算法。

由于电话线上的电压信号是符合国际标准的电平信号，所以从电话线上进行录音或者将语音信号传输到电话信道上都必须符合国际标准的电气规范，系统中引入中继线模块和铃流控制模块来平衡系统的电气特性并能够产生标准的铃流信号，该系统的引入对电话机的自身功能没有任何影响，可以和电话信道无缝衔接。

6）接收端语音采集方法：

在PSTN文件隐传系统中，由于DSP芯片晶振频率的不稳定以及其与计算机设备的晶振频率不匹配等因素，导致在将语音数据由DSP芯片传输到计算机设备上时发生数据采样点的丢失，而隐写算法对采样点要求非常高，丢失采样点会导致接收端无法正确恢复密文信息。TI公司提出的RTDX能够在不中断DSP程序执行的情况下，通过JTAG接口实现DSP与主机的实时数据传送，而不会产生数据丢失的问题。本文中系统将RTDX应用到PSTN文件隐传系统中，完成DSP芯片到主机的语音数据传送，为接收端正确恢复密文信息提供了重要的保障。

7）协议流程：

为保证系统的正常通信，发送方与接收方须遵守一定的协议流程，如图4所示。其中，接收方的准备工作包括数据采集、存储，ARM及DSP等设备的就位。为了不丢失密文信息，接收端设备要比发送端设备先开启，这必然产生延时，而该延时与同步算法的复杂度密切相关，为了降低同步算法的复杂度，延时要求限制在15秒钟之以内。

依据上述解决方案，应用到PSTN环境下，能完成秘密文件的实时传送，并能够正确恢复，这样通过一条公开的信道，成功传送了秘密信息。不管是合法使用者打普通电话还是打隐藏信息的电话，无意的、有意的或者恶意的搭线窃听者，只能够听到公开信道上传送的明文语音信息，而对隐秘传送的信息则表现为无知，这样不容易引起窃听者的怀疑，降低了窃听者的警惕性，从而更好地实现信息隐藏通信。经过大量实际PSTN环境下测试，可以保证系统误码率为0，无论传送的是文本、图片还是语音，都可以正确恢复。可以广泛应用到国家军事领域、信息安全领域及商业领域。

进一步地，利用语音信息隐藏技术在PSTN上实时的传输秘密信息。该系统通过数字信号处理的手段来实现，发送端将采集到的发送方的语音转换成数字形式，利用隐写算法在载体语音数据中嵌入密文信息（即文本、图片或者语音的二进制形式），在发送之前将携密语音转换成模拟形式，然后在电话信道中传输；接收端将采集到接收方的语音转换成数字形式，通过低通滤波器滤除该数字语音在加密频段的语音能量以及侧音和回波，转换成模拟形式，在电话信道中传输。同时接收端通过RTDX完成DSP芯片到主机的携密语音数据传送。携密语音传送完毕后，通过离线解码软件对携密语音进行解码，获得秘密文件。图5为系统双方通信示意图。

其中发送端原理如图6所示，发送端包括算法处理模块、回波抵消模块、中继线模块和铃流控制模块。

依据说明书附图6，算法处理模块为整个系统的核心模块，核心处理芯片将采用ARM+DSP方案实现，外围硬件结构主要由以下几部分组成：SDRAM、FLASH、USB接口电路、音频编解码电路、晶振电路、电源电路和复位电路组成。SDRAM提供程序运行空间，FLASH实现算法程序的固化，USB接口电路完成USB host接口功能，晶振电路提供芯片工作的外部晶振时序，电源电路为芯片的正常工作提供稳定可靠的电流，复位电路用于系统的复位。算法处理模块框图如图7所示。

算法处理模块主要完成嵌入算法的实现。下面具体介绍嵌入算法的实现。假设第帧语音数据为，，帧长为N（必须为2的整数次幂），每帧传输M个bit，第帧嵌入的密文bit为()，采样率。嵌入算法过程如下：

a.将待发送的秘密文件（如文本、图片、语音等）转化为二进制文件，即密文信息。

b.在待发送的密文信息的开头加入同步信息组成实际发送的密文信息bit流，其中同步信息为：。

c.读取含有同步头信息的密文信息bit流并对其进行74汉明码的编码，生成含有冗余码的待传输的密文bit流。

d.对()进行FFT，得到幅度值()。

e.修改欲嵌入密文信息的各频带范围()的幅度值，即第()个点的幅度值。首先计算出嵌入个bit的各个频带的总能量，即：

                (1)

其中，，频带范围()。需综合考虑电话信道特性、听觉效果及误码率等因素进行大量测试得出。

当密文信息等于1时，令

                 (2)

               (3)

当密文信息等于0时，令

                 (4)

               (5)

其中，,，。参数与可以根据电话信道的噪声进行调整二者比例关系，以增强算法的鲁棒性，但该参数会影响算法的透明性，需要综合考虑鲁棒性与透明性。与此类似，参量也可以根据电话信道的噪声及人耳听觉效果进行适当调整，寻求最优参数，在鲁棒性和透明性之间取得折中效果。

f.对进行IFFT，得到携密语音的帧数据，即为在PSTN上传输的携密语音。

g.重复步骤d～f，继续进行下一帧密文信息的嵌入，直到发送完密文信息文件为止。

h.结束。

如前所述，系统采样率为8kHz，帧长为128ms，每帧传输3个bit数据，即把加密频带平均分为3段，各个频段可根据实际情况做出调整，参数，，根据实际PSTN环境进行调整设置。

关于回波抵消模块，参考《Multidelay Block Frequency Domain Adaptive Filter》和《On Adjusting the Learning Rate in Frequency Domain Echo Cancellation With Double-Talk》。回波抵消算法的定点程序在TI公司的高性能处理芯片TMS320DM6446上运行，完成回波抵消的功能。

关于中继线模块，主要负责将电话交换机传输过来的声音信号（二线制）转换为收发分开的（四线制）语音信号，并且检测电话中继线上的铃流、摘挂机等信号，同时输出控制信号控制铃流模块，当检测到中继线上有铃流或者摘挂机信号时，说明有外线呼入或者对方通话开始和结束，状态输出便产生相应的高低电平通知铃流模块做出相应的动作，同时控制输出发出控制信号控制铃流模块产生铃流信号使电话机振铃。中继线模块原理如图8所示。

关于铃流控制模块，主要负责将中继线模块收发分开的（四线制）语音信号转换为电话机可用的二线制语音信号（Tip和Ring信号）。同时根据中继线模块的状态和控制信号产生一个25Hz、75v的交流电压叠加到电话线的Tip和Ring端，产生电话机的振铃信号。铃流模块如图9所示。

接收端原理框图如图10所示。接收端模块主要包括算法处理模块、回波抵消模块、中继线模块、铃流控制模块、RTDX数据传送和离线解码软件。其中回波抵消模块、中继线模块和铃流控制模块与发送端完全一样，故不再详述。下面仅详述算法处理模块、RTDX数据传送和离线解码单元。

关于接收端算法处理模块，由于中继线模块并不能完全将电话交换机传输过来的声音信号（二线制）转换为收发分开的（四线制）语音信号，只是削弱了对方的信号，因此在接收端获取携密语音时，或多或少的掺杂了接收方语音。一方面接收方语音混入加密语音频段，对加密频带语音造成干扰，引起较高的误码率；另一方面侧音回波会严重影响密文信息的恢复。接收端采用对接收方话音进行高频抑制的方案，从而滤除接收端在加密频段的语音能量，并能有效抵抗接收方话音回波对携密语音的干扰，进而消除其对密文信息恢复的影响。

本系统采用低通滤波器进行高频抑制，该低通滤波器设计采用FIR滤波器实现，采样率为8kHz，通带截止频率为，阻带截止频率为，其系统函数为：

其中，和根据加密频带及通话效果综合设定。N为该低通滤波器的阶数，为滤波器的系数，通过matlab的仿真选择最优的滤波器的阶数及系数。

关于RTDX数据传送，由于DSP芯片晶振频率的不稳定以及其与计算机设备的晶振频率不匹配，直接通过计算机设备录音会导致在传输语音数据过程中发生数据采样点的丢失，而隐写算法对采样点要求非常高，丢失采样点会导致接收端无法正确恢复密文信息。

实时数据交换（Real-Time Data Exchange，RTDX）是TI公司为实现计算机与DSP芯片之间的实时数据交换提出来的，可以理解为一个时分复用的全双工数据通信管道。它是DSP/BIOS提供的一个实时程序调试功能，能够在不中断DSP程序执行的情况下，通过JTAG接口实现DSP与主机的实时数据传送，而不会产生数据丢失的问题。

本文通过RTDX完成语音数据的实时采集，实现目标DSP到主机的数据传输，包括目标机程序部分和主机程序部分，其中目标机程序部分在CCStudio环境下完成，主机部分在Visual C++环境下完成。目标机程序先开始进行，定义RTDX的数据通道，主机则引用这些通道，完成目标机到主机的数据传送。

关于离线解码单元，系统中，接收端通过RTDX完成携密语音的传送之后，即可通过离线解码软件进行解码。离线解码软件首先把RTDX产生的log文件转化为语音文件，然后通过同步算法找到同步点，采用提取算法进行密文信息的解码，最终获取发送端传送的秘密文件。下面主要介绍提取算法和同步算法。

提取算法的具体步骤如下：

a.从同步点开始按帧读入携密语音数据，假设第帧携密语音数据为()。

b.对进行FFT，得到幅度值()。

c.获取密文信息。计算嵌入密文信息的各频带范围()的左右各半部分的能量，即：

               (6)

               (7)

对两部分能量进行如下判断：

        (8)

即可得到密文信息。

d.重复步骤a～c，直至携密语音文件结束，完成密文信息的提取。

e.对提取的密文信息进行74汉明码的译码，纠正由于各种原因引起的错误。

f.把译码后的密文信息转化为秘密文件，即为发送方传输的秘密文件。

采用在发送端添加同步头（同步头为一串特定的比特流信息，即），和密文信息组成整个比特流，嵌入到携密语音并在电话信道中传输。所以接收方获取携密语音之后，通过同步算法检测同步头信息即通过提取算法提取bit流，检测出现连续128个1的位置。其流程图如图11所示。该同步算法通过设置步长的方法减少了运算量，大大减少了同步算法的运算时间，同步精度可以达到一个采样点，为接收端正确恢复密文信息提供了保障。

Claims (7)

1.一种基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，发送端在语音频段对输入的语音进行分帧，进而对分帧后的所述语音进行FFT变换，得到分帧后的语音频带的幅度值；

把待隐传的秘密文件生成密文比特流，并加入同步信息；

进而，把带有同步信息的所述密文比特流进行纠错码编码，生成密文编码；

按照预定的嵌入规则把所述密文编码嵌入所述语音频带，生成含有密文编码的语音频带的幅度值；

对所述含有密文编码的语音频带的幅度值进行IFFT变换，生成携密语音；

接收端接收所述携密语音，按照同步算法提取同步信息，确定同步点位置，进而确定密文信息嵌入的开始位置；

从密文信息嵌入的开始位置对携密语音分帧并进行FFT变换，得到分帧后的所述携密语音频带的幅度值；

按照与所述预定的嵌入规则匹配的提取规则提取密文编码，进而对密文编码进行纠错码译码生成秘密文件。

2.根据权利要求1所述的基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，发送端对所述语音进行分帧前通过加入音乐噪声的方式消除语音的静音段。

3.根据权利要求1所述的基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，在嵌入规则中，选择合适的帧长，频带范围及频带分段，以调整因子、频点、频谱能量为依据修改频带的幅度值，进行所述密文编码的嵌入；

加以匹配的，还包括调整的步骤，依据隐传方法的透明性、鲁棒性和误码率，调整所述帧长、频段范围及频带分段，获得预定要求的透明性、鲁棒性和误码率的调整因子，寻找实际应用环境中电话信道噪声条件下透明性与鲁棒性之间的平衡点。

4.根据权利要求1所述的基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，所述同步信息为在发送端添加的同步头，该同步头为预定长度的比特流信息，从而与密文信息组成整个比特流；对应地，接收端通过匹配的同步算法查找所述同步头来确定密文信息嵌入点。

5.根据权利要求1所述的基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，所述纠错码编码选择74汉明码。

6.根据权利要求1所述的基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，发送端相比于接收端的系统就位延时限制在15秒之内。

7.根据权利要求6所述的基于公用电话交换网的文件隐传方法，其特征在于，还包括使用回波抵消方法消除通话中回声的步骤。