CN106875954A - 一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，实现秘密信息在语音通话中的实时传输。本发明的电路及方法采用VAD判决、DWT和能量比率抖动调制的语音信息隐藏技术能有效抵抗声码器的有损压缩和DTX技术处理，实现秘密信息在移动通信语音信道中的隐蔽传输，且该算法具有良好的多分辨率分析特性且具有一定的抗干扰能力，可以完美的重建经过信道传输后的秘密信息。系统工作频率高达122.88MHz，满足在语音通话的过程中实时嵌入秘密信息，系统采用串行处理和并行处理结合的方式，在降低功耗的同时能减小电路处理时延。
Description
技术领域：
本发明属于实时保密通信领域，具体涉及一种基于语音端点检测(VAD)、离散小波变换(DWT)和能量比率抖动调制的信息隐藏传输电路结构及其控制方法，该方法能够有效抵抗移动通信领域常见声码器的有损压缩和断续传输(DTX)技术处理，实现秘密信息在语音载体中的隐藏并通过移动通信信道实时隐蔽传输的应用。
背景技术：
自香农提出保密通信的方法和理论以来，传统的保密通信一直沿用模拟置乱和数字加密等技术。在传输线上的信号显示形式为噪声，容易引起窃听者的注意。本文提出的基于VAD、DWT和能量比率抖动调制算法的信息隐藏传输是一种伪装式信息传输，它与传统的保密通信的区别在于：保密通信仅仅隐藏了信息的内容，而信息伪装不但隐藏了信息的内容而且隐藏了信息的存在。且离散小波变换具有良好的多分辨率分析特性，可以完美的重建传输后的秘密信息。基于离散小波变换的信息隐藏传输具有良好的抗干扰性，鲁棒性强，具体方法是对语音数据作VAD判决选出浊音段，不是浊音段隐藏跳过该段语音，继续对下一帧语音数据作VAD判决直至选出浊音段。对该段语音作DWT变换，将变换后的结果进行能量计算，由计算结果得到掩蔽阈值并在此基础上利用比率抖动调制方法将秘密信息嵌入，然后对嵌入信息后的语音进行IDWT变换得到隐藏信息后的输出语音。
发明内容：
鉴于以上分析，本发明的目的是提供一种抗声码器处理的语音信息隐藏传输电路结构及其控制方法。
本发明提供一种抗声码器处理的语音信息隐藏传输电路结构，采用VAD判决、DWT和能量比率抖动调制的语音信息隐藏技术能有效抵抗声码器的有损压缩和DTX技术处理，实现秘密信息在移动通信语音信道中的隐蔽传输。
本发明提供一种抗声码器处理的语音信息隐藏传输电路结构的控制方法，系统采用串行处理和并行处理结合的方式，在降低功耗的同时减小电路处理时延。
本发明是一种抗声码器处理的语音信息隐藏传输电路结构，实现所采取的技术方案如下：
本发明提出的一种抗声码器处理的语音信息隐藏传输电路实现结构如图1所示，其包括寄存器初始化模块(1)、I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、秘密信息模块(6)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)。
进一步地，寄存器初始化模块(1)分别与VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)通过SPI总线连接，I2S输入模块(2)与VAD判决模块(3)连接，VAD判决模块(3)与DWT模块(4)连接，DWT模块(4)与能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)连接，能量计算模块(5)与能量比率抖动调制模块(7)连接，秘密信息模块(6)与能量比率抖动调制模块(7)通过SPI总线连接，能量比率抖动调制模块(7)与IDWT模块(8)连接，IDWT模块(8)与I2S输出模块(9)连接。
进一步地，I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)分别包含一个功能模块和数据存储模块。
进一步地，基于DWT算法的信息隐藏传输电路结构包括:寄存器初始化子模块(101)、I2S输入功能模块(102)、I2S输入存储模块(103)、VAD判决功能模块(104)、VAD判决存储模块(105)、DWT功能模块(106)、DWT存储模块(107)、能量计算功能模块(108)、能量计算存储模块(109)、秘密信息存储模块(110)、能量比率抖动调制功能模块(111)、能量比率抖动调制存储模块(112)、IDWT功能模块(113)、IDWT存储模块(114)、I2S输出存储模块(115)、I2S输出功能模块(116)及SPI总线(117)。
进一步地，寄存器初始化子模块(101)根据模块中的内容配置整个电路系统中的寄存器参数，并启动电路功能，语音数据通过I2S接口进入I2S输入功能模块(102)，I2S输入功能模块(102)将接收到的语音数据存入I2S输入存储模块(103)中，I2S输入存储模块(103)与VAD判决功能模块(104)相连。
进一步地，I2S输入存储模块(103)接收数据满并发出输出请求，VAD判决功能模块(104)取走数据并存储，当数据存储满160点时进行VAD判决，判决非浊音，跳过该段语音，直接从I2S输出模块(9)输出该段语音。如果是浊音，VAD判决完后发出数据输出请求，DWT功能模块(106)取走数据并存入DWT存储模块(107)中进行处理，DWT功能模块(106)完成数据的DWT变换，得到小波系数并发出数据输出请求，能量计算功能模块(108)取走数据并存入能量计算存储模块(109)中，能量计算功能模块(108)根据小波系数进行能量计算，计算完成后发出数据输出请求，能量比率抖动调制功能模块(111)取走数据并存入能量比率抖动调制存储模块(112)，能量比率抖动调制功能模块(111)根据DWT功能模块(106)得到当前帧的小波系数以及能量计算功能模块(108)得到的掩蔽阈值嵌入秘密信息，能量比率抖动调制模块(7)通过SPI总线(117)从秘密信息存储模块(110)中读取秘密信息，能量比率抖动调制完成后发出数据输出请求，IDWT功能模块(113)取走数据并存入IDWT存储模块(114)中进行处理，IDWT功能模块(113)完成数据的变换，并将变换后的结果输出给I2S输出存储模块(115)，等待用户通过I2S输出功能模块(116)取走嵌入秘密信息后的语音数据，完成秘密信息实时传输。
进一步地，寄存器初始化子模块(101)为E2PROM。
进一步地，I2S输入存储模块(103)为DARAM，其深度为320bit，宽度为32bit,I2S输入模块每帧传递的语音数据为160个32bit的数据。
进一步地，VAD判决存储模块(105)为SARAM，其深度为320bit，宽度为32bit，VAD判决功能模块输出的每帧分段数据为160个32bit的数据。
进一步地，DWT存储模块(107)为SARAM，其深度为320bit，宽度为32bit。
进一步地，能量计算存储模块(109)为DARAM，其深度为160bit，宽度为64bit。
进一步地，秘密信息存储模块(110)为ROM，其深度为2560bit，宽度为16bit。
进一步地，能量比率抖动调制存储模块(112)为DARAM，其深度为640bit，宽度为32bit。
进一步地，IDWT存储模块(114)为SARAM，其深度为320bit，宽度为32bit。
进一步地，I2S输出存储模块(115)为SARAM，其深度为320bit，宽度为32bit。
根据本发明的另一方面，还提供了一种采用上述发明设计的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构的控制方法流程如图2所示，用于秘密信息的隐藏传输，该控制方法包括如下步骤：
(1)对信息隐藏传输电路系统供电，寄存器初始化模块(1)根据E2PROM中的内容配置寄存器，执行启动功能；
(2)I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、秘密信息模块(6)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)顺序执行工作,其中I2S输入模块(2)、I2S输出模块(6)的工作时钟频率为1.536MHz，VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)的工作时钟频率均为122.88MHz；
(3)I2S输入功能模块(102)处理通过I2S接口输入的语音数据，将数据存入I2S输入存储模块(103)，其中语音数据32bit的数据；
(4)I2S输入存储模块(103)存储满160个语音数据时发出数据输出请求，VAD判决功能模块(104)取走数据并存入VAD判决存储模块(105)；
(5)VAD判决功能模块(104)对VAD判决存储模块(105)中的语音数据进行160点的VAD判决，判决非浊音，跳过该段语音，直接从I2S输出模块(9)输出该段语音。如果是浊音，VAD判决完后发出数据输出请求，VAD判决模块(3)输出160个32bit的语音数据；
(6)DWT功能模块(106)从VAD判决模块(3)取走数据存入DWT存储模块(107)，执行操作；
(7)DWT功能模块(106)完成数据的DWT变换，得到小波系数并发出数据输出请求；
(8)能量计算功能模块(108)取走数据并出入能量计算存储模块(109)中；
(9)能量计算功能模块(108)根据能量计算存储模块(109)中存储的小波系数进行能量计算，将得到的能量计算结果进一步处理得到掩蔽阈值并发出数据输出请求；
(10)能量比率抖动调制功能模块(111)取走能量计算功能模块(108)中得到的掩蔽阈值，并根据该值和DWT功能模块(106)得到当前帧的小波系数从秘密信息存储模块(110)中读取秘密信息并嵌入语音数据中，秘密信息嵌入完成后发出数据输出请求；
(11)IDWT功能模块(113)取走数据并存入IDWT存储模块(114)中，IDWT功能模块(113)完成数据的变换，并将变换后的结果输出给I2S输出存储模块(115)；
(12)I2S输出存储模块(115)等待外部通过I2S输出功能模块(116)取走嵌入秘密信息后的语音数据。
本发明成功将一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构实现，能够将秘密信息实时嵌入语音通话中，完成秘密信息的实时隐秘传输。
附图说明：
图1为本发明方法设计的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路实现结构图。
图2为本发明方法设计的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构的控制方法流程图。
具体实施方式：
为了更清楚地描述本发明的技术方案，以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
如图1所示，整个电路实现架构包括寄存器初始化模块(1)、I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、秘密信息模块(6)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)。
进一步地，寄存器初始化模块(1)分别与VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)通过SPI总线连接，I2S输入模块(2)与VAD判决模块(3)连接，VAD判决模块(3)与DWT模块(4)连接，DWT模块(4)与能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)连接，能量计算模块(5)与能量比率抖动调制模块(7)连接，秘密信息模块(6)与能量比率抖动调制模块通过SPI总线连接，能量比率抖动调制模块(7)与IDWT模块(8)连接，IDWT模块(8)与I2S输出模块(9)连接。
进一步地，I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)分别包含一个功能模块和数据存储模块。
进一步地，基于DWT算法的信息隐藏传输电路结构包括:寄存器初始化子模块(101)、I2S输入功能模块(102)、I2S输入存储模块(103)、VAD判决功能模块(104)、VAD判决存储模块(105)、DWT功能模块(106)、DWT存储模块(107)、能量计算功能模块(108)、能量计算存储模块(109)、秘密信息存储模块(110)、能量比率抖动调制功能模块(111)、能量比率抖动调制存储模块(112)、IDWT功能模块(113)、IDWT存储模块(114)、I2S输出存储模块(115)、I2S输出功能模块(116)及SPI总线(117)。
进一步地，寄存器初始化子模块(101)根据E2PROM中的内容配置整个电路系统中的寄存器参数，并启动电路功能，语音数据通过I2S接口进入I2S输入功能模块(102)，I2S输入功能模块(102)将接收到的语音数据存入I2S输入存储模块(103)中，I2S输入存储模块(103)与VAD判决功能模块(104)相连。
进一步地，I2S输入存储模块(103)接收数据满并发出输出请求，VAD判决功能模块(104)取走数据并存储。
进一步地，当数据存储满160点时进行VAD判决，判决为非浊音，跳过该段语音，直接从I2S输出模块(9)输出该段语音。如果是浊音，VAD判决完后发出数据输出请求。
进一步地，DWT功能模块(106)取走数据并存入DWT存储模块(107)中进行处理，DWT功能模块(106)完成数据的DWT变换，得到小波系数并发出数据输出请求。
进一步地，能量计算功能模块(108)取走数据并存入能量计算存储模块(109)中，能量计算功能模块(108)根据小波系数进行能量计算，计算完成后发出数据输出请求。
进一步地，能量比率抖动调制功能模块(111)取走数据并存入能量比率抖动调制存储模块(112)，能量比率抖动调制功能模块(111)根据DWT功能模块(106)得到当前帧的小波系数以及能量计算模块(5)的结果嵌入秘密信息，能量比率抖动调制模块(7)通过SPI总线(117)从秘密信息存储模块(110)中读取秘密信息，能量比率抖动调制完成后发出数据输出请求。
进一步地，IDWT功能模块(113)取走数据并存入IDWT存储模块(114)中进行处理，IDWT功能模块(113)完成数据的变换，并将变换后的结果输出给I2S输出存储模块(115)，等待用户通过I2S输出功能模块(116)取走嵌入秘密信息后的语音数据，完成秘密信息实时传输。
如图2所示是一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构的控制方法流程图，系统控制方法包括如下步骤：
(1)对信息隐藏传输电路系统供电，寄存器初始化模块(1)根据E2PROM中的内容配置寄存器，执行启动功能；
(2)I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、秘密信息模块(6)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)顺序执行工作,其中I2S输入模块(2)、I2S输出模块(6)的工作时钟频率为512KHz，VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)的工作时钟频率均为122.88MHz；
(3)I2S输入功能模块(102)处理通过I2S接口输入的语音数据，将数据存入I2S输入存储模块(103)，其中语音数据32bit的数据；
(4)I2S输入存储模块(103)存储满160个语音数据时发出数据输出请求，VAD判决功能模块(104)取走数据并存入VAD判决存储模块(105)；
(5)VAD判决功能模块(104)对VAD判决存储模块(105)中的语音数据进行160点的VAD判决，判决为非浊音，跳过该段语音，直接从I2S输出模块(9)输出该段语音。如果是浊音，VAD判决完后发出数据输出请求，VAD判决模块(3)输出160个32bit的语音数据；
(6)DWT功能模块(106)从VAD判决模块(3)取走数据存入DWT存储模块(107)，执行操作；
(7)DWT功能模块(106)完成数据的DWT变换，得到小波系数并发出数据输出请求；
(8)能量计算功能模块(108)取走数据并出入能量计算存储模块(109)中；
(9)能量计算功能模块(108)根据能量计算存储模块(109)中存储的小波系数进行能量计算，将得到的能量计算结果进一步处理得到掩蔽阈值并发出数据输出请求；
(10)能量比率抖动调制功能模块(111)取走能量计算功能模块(108)中得到的掩蔽阈值，并根据该值和DWT功能模块(106)得到当前帧的小波系数从秘密信息存储模块(110)中读取秘密信息并嵌入语音数据中，秘密信息嵌入完成后发出数据输出请求；
(11)IDWT功能模块(113)取走数据并存入IDWT存储模块(114)中，IDWT功能模块(113)完成数据的变换，并将变换后的结果输出给I2S输出存储模块(115)；
(12)I2S输出存储模块(115)等待外部通过I2S输出功能模块(116)取走嵌入秘密信息后的语音数据。
如上所述，本发明设计的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构及其控制方法中，采用VAD判决、DWT和能量比率抖动调制的语音信息隐藏技术能有效抵抗声码器的有损压缩和DTX技术处理，实现秘密信息在移动通信语音信道中的隐蔽传输，且DWT变换具有良好的多分辨率分析特性以及抗干扰性，可以完美的重建经过信道传输后的秘密信息。系统采用串行处理和并行处理结合的方式，在降低功耗的同时能减小电路处理时延。
Claims (10)
1.一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于包括：寄存器初始化模块(1)、I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、秘密信息模块(6)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)；其中寄存器初始化模块(1)分别与VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)通过SPI总线连接；寄存器初始化模块(1)根据E2PROM中的内容配置整个电路系统中的寄存器参数，使各模块相互协调配合工作，提高系统的工作效率，并启动电路功能。
2.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的寄存器初始化模块(1)由寄存器初始化子模块(101)构成；I2S输入模块(2)由I2S输入功能模块(102)和I2S输入存储模块(103)构成；I2S输入功能模块(102)是对标准I2S总线协议进行修改后的实现，使得每个声道数据位数可达32bit，能满足语音输入的数据位数需求；I2S输入存储模块(103)由DARAM组成，其深度为320bit，宽度为32bit，I2S输入模块(2)每帧传递的语音为160个32bit的数据。
3.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的VAD判决模块(3)由VAD判决功能模块(104)和VAD判决存储模块(105)构成；VAD判决功能模块(104)对输入的每帧160个32bit的语音数据进行VAD判决操作；VAD判决存储模块(105)由SARAM组成，其深度为320bit，宽度为32bit，VAD判决模块(3)输出的每帧数据为160个32bit的数据。
4.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的DWT模块(4)由DWT功能模块(106)和DWT存储模块(107)构成；DWT功能模块(106)对输入的每帧160个32bit的语音数据进行DWT变换操作，其中DWT变换为三级离散小波正变换；DWT存储模块(107)由SARAM组成，其深度为320bit，宽度为32bit，DWT模块(4)输出的每帧数据为160个32bit的数据。
5.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的能量计算模块(5)由能量计算功能模块(108)和能量计算存储模块(109)构成；能量计算功能模块(108)根据DWT模块(4)得到的小波系数进行能量计算，将得到的能量计算结果进一步处理得到掩蔽阈值；能量计算存储模块(109)由DARAM组成，其深度为160bit，宽度为64bit，能量计算模块(5)输出的数据为1个64bit的数据。
6.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的秘密信息模块(6)由秘密信息存储模块(110)构成；秘密信息存储模块(110)由ROM组成，其深度为2560bit，宽度为16bit。
7.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的能量比率抖动调制模块(7)由能量比率抖动调制功能模块(111)和能量比率抖动调制存储模块(112)构成；能量比率抖动调制功能模块(111)根据能量计算功能模块(108)得到的掩蔽阈值和DWT功能模块(106)得到当前帧的小波系数嵌入秘密信息，能量比率抖动调制模块(7)通过SPI总线(117)从秘密信息存储模块(110)中读取秘密信息；能量比率抖动调制存储模块(112)由DARAM组成，其深度为640bit，宽度为32bit，能量比率抖动调制模块(7)输出的每帧数据为160个32bit数据。
8.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的IDWT模块由IDWT功能模块(113)和IDWT存储模块(114)构成；IDWT功能模块(113)完成数据的IDWT变换，IDWT变换为三级离散小波反变换；能量比率抖动调制存储模块(112)由DARAM组成，其深度为640bit，宽度为32bit，IDWT模块(8)输出的每帧数据为160个32bit数据。
9.根据权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构，其特征在于所述的I2S输出模块(9)由I2S输出存储模块(115)和I2S输出功能模块(116)构成；I2S输出功能模块(116)是对标准I2S总线协议进行修改后的实现，使得每个声道数据位数可达32bit，能满足语音输出的数据位数需求；I2S输出存储模块(115)由SARAM组成，其深度为320bit，宽度为32bit，I2S输出模块(9)输出的每帧数据为160个32bit的数据。
10.采用如权利要求1所述的一种抗声码器处理的语音信息隐藏电路结构的控制方法，其特征在于所述的控制方法用于将秘密信息嵌入语音通话中，并完成秘密信息的实时隐秘传输，包括如下步骤：
(1)对信息隐藏传输电路系统供电，寄存器初始化模块(1)根据E2PROM中的内容配置寄存器，执行启动功能；
(2)I2S输入模块(2)、VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、秘密信息模块(6)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)、I2S输出模块(9)顺序执行工作,其中I2S输入模块(2)、I2S输出模块(6)的工作时钟频率为1.536MHz，VAD判决模块(3)、DWT模块(4)、能量计算模块(5)、能量比率抖动调制模块(7)、IDWT模块(8)的工作时钟频率均为122.88MHz；
(3)I2S输入功能模块(102)处理通过I2S接口输入的语音数据，将数据存入I2S输入存储模块(103)，其中语音数据32bit的数据；
(4)I2S输入存储模块(103)存储满160个语音数据时发出数据输出请求，VAD判决功能模块(104)取走数据并存入VAD判决存储模块(105)；
(5)VAD判决功能模块(104)对VAD判决存储模块(105)中的语音数据进行160点的VAD判决，判决非浊音，跳过该段语音，直接从I2S输出模块(9)输出该段语音。如果是浊音，VAD判决完后发出数据输出请求，VAD判决模块(3)输出160个32bit的语音数据；
(6)DWT功能模块(106)从VAD判决模块(3)取走数据存入DWT存储模块(107)，执行操作；
(7)DWT功能模块(106)完成数据的DWT变换，得到小波系数并发出数据输出请求；
(8)能量计算功能模块(108)取走数据并出入能量计算存储模块(109)中；
(9)能量计算功能模块(108)根据能量计算存储模块(109)中存储的小波系数进行能量计算，将得到的能量计算结果进一步处理得到掩蔽阈值并发出数据输出请求；
(10)能量比率抖动调制功能模块(111)取走能量计算功能模块(108)中得到的掩蔽阈值，并根据该值和DWT功能模块(106)得到当前帧的小波系数从秘密信息存储模块(110)中读取秘密信息并嵌入语音数据中，秘密信息嵌入完成后发出数据输出请求；
(11)IDWT功能模块(113)取走数据并存入IDWT存储模块(114)中，IDWT功能模块(113)完成数据的IDWT变换，并将变换后的结果输出给I2S输出存储模块(115)；
(12)I2S输出存储模块(115)等待外部通过I2S输出功能模块(116)取走嵌入秘密信息后的语音数据。
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