CN109346090A - 一种穿透声码器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种穿透声码器的方法，解决的信号不能穿透声码器的技术问题，通过采用方法步骤一，选取语音信号特征频率作为载波频率；步骤二，对数字信号进行载波调制，得到调制后的信号；步骤三，将调制后的信号进行D/A变换后送声码器的技术方案，较好的解决了各种信号穿透声码器问题，可用于语音通信技术中。

Description

一种穿透声码器的方法
技术领域
本发明涉及语音通信技术领域，具体涉及一种穿透声码器的方法。
背景技术
声码器(vocoder)语音信号某种模型的语音分析合成系统。在传输中只利用模型参数，在编译码时利用模型参数估计和语音合成技术的语音信号编译码器，一种对话音进行分析和合成的编、译码器，也称话音分析合成系统或话音频带压缩系统。它是压缩通信频带和进行保密通信的有力工具。
由于VAD检测和噪声检测的存在，一般数字信号模拟化后无法通过声码器的VAD检测或噪声检测。因此，本发明提供一种能够通过穿透声码器的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在数字信号模拟化后无法通过声码器的VAD检测或噪声检测的技术问题。提供一种新的穿透声码器的方法，该穿透声码器的方法具有不需要改变现有通信终端和通信系统的工作流程，同时大幅降低了系统的复杂度和成本就能够通过声码器的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种穿透声码器的方法，所述方法包括
步骤一，选取语音信号特征频率作为载波频率；
步骤二，对数字信号进行载波调制，得到调制后的信号；
步骤三，将调制后的信号进行D/A变换后送声码器。
本发明的工作原理：本发明将语音信号特征频率作为传输载波频率进行数据调制，载波中心频率在语音信号谐振峰附近，各子载波上可采用多种调制方式传输数据，提高信息传输速率，能够通过现有通信系统的语音通道，实现数字信号通过声码器的功能，满足话音等多种信息的实时传输要求。本方法可以广泛应用于对现有通信系统的语音进行加密等场合。
上述方案中，为优化，进一步地，步骤一选取的载波频率包含基频和倍频，其中基频为50Hz-500Hz，倍频为基频的整数倍，倍频为人耳能听到的声音信号的频率范围内，语音信号特征频率即为人耳能听到的声音信号的频率。
进一步地，所述倍频范围为300Hz-3400Hz，对应的采样频率为8KHz。如果采样频率为16K，对应的倍频范围以100Hz-7000Hz最佳
进一步地，所述载波调制包括相位调制和幅度调制。
进一步地，所述相位调制包括PSK调制、QPSK调制、DPSK调制或DQPSK调制。
进一步地，所述幅度调制包括ASK调制。
本发明的有益效果：通过本发明提供的方法可以使各种信号高效无损通过声码器，从而实现对语音等信号的各种预处理应用，如语音加密处理等。以加密应用为例，本发明在不改变现有通信终端使用方式的情况下，在通信终端与用户间添加本发明的系统，且提供蓝牙、3.5mm耳机孔及TYPE-C或Lightning音频接口等多种连接方式与通信终端相连，实现了移动终端间的语音加密通话。
本发明直接作用在多种通信网络的各种通信终端上实现语音加密通信，不需要改变现有通信终端和通信系统的工作流程，同时大幅降低了系统的复杂度和成本。本发明的系统处理的加密语音数据没有残余可懂度；加密语音数据能够通过各种通信终端的语音通道；通过各种通信终端的语音通道时能获得较低的通信误码率；本系统无第三方木马非法攻击风险，明文语音全部掌握在用户手中；可以通过密码算法协处理器加载密码算法；可以使多种调制信号通过通信终端的语音信道。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，实施例1中的通信终端间进行语音加密通信系统示意图。
图2，现有的FSK系统调制的经过语音信道后的频谱瀑布图。
图3，现有的OFDM+PSK系统调制的经过语音信道后的频谱瀑布图。
图4，现有的FDM+PSK系统调制的经过语音信道后的频谱瀑布图。
图5，实施例1中的“阿”语音信号频谱瀑布图。
图6，实施例1中的“阿”语音信号对应的频谱图。
图7，数据调制的逻辑选项电路示意图。
图8，数据调制后的频谱瀑布图。
图9，数据调制后频谱瀑布图对应的频谱图
图10，经过信道传输的已调信号的频谱瀑布图。
图11，经过信道传输的已调信号的频谱图。
图12，数据解调的逻辑电路示意图。
图13，数字调制通过含声码器信道的方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种穿透声码器的方法，如图13，所述方法包括：
步骤一，对输入的语音数据进行采样，对采样的数字语音数据进行压缩；
步骤一，选取语音信号特征频率作为载波频率；
步骤二，对数字信号进行载波调制，得到调制后的信号；
步骤三，将调制后的信号进行D/A变换后送声码器。
具体地，步骤一选取的载波频率包含基频和倍频，其中基频为50Hz-500Hz，倍频为基频的整数倍。
具体地，所述倍频范围为300Hz-3400Hz。
具体地，所述载波调制包括相位调制和幅度调制。
具体地，所述相位调制包括PSK调制、QPSK调制、DPSK调制或DQPSK调制。
具体地，所述幅度调制包括ASK调制。
具体地，所述方法还可以包括加密，以及对应的解密，逆过程如下：
步骤五，将自语音通信系统接收的语音通过模数转换为数字语音信号；
步骤六，将数字语音信号使用与步骤三数据调制对应的数据解调得到基带信号，纠错计算出含有原始数字基带信号的密文；
步骤七，对密文数据进行解密得到原始数字基带信号，原始数字基带信号为被压缩数字语音数据；
数据八，对步骤七的被压缩数字语音数据进行逐帧解压缩，得到数字音频数据；
步骤九，将数字音频数据送往语音芯片或D/A转换器，在扬声器还原出语音数据。
本实施例所述的方法的具体实现可以通过一种通信终端间进行语音加密通信系统。如图1，移动终端具有蓝牙音频接口或3.5mm模拟音频接口或TYPE-C音频接口或Lightning音频接口等音频接口，语音加密通信系统设置于移动终端。其中，语音编码器(CODEC)A：将麦克风采集的模拟音频信号转换为音频数据流，编码后以I2S的接口方式将数据传输至应用处理器。通过I2S接口接收应用处理器发送来的音频数据流，解码后将音频数据流转换为模拟音频信号并送至扬声器播放。
语音编码器(CODEC)B：通过I2S接口接收调制后的数据流，对其解码变为模拟音频信号，将解码后的模拟信号送至通信终端。将从模拟通信终端接收的模拟信号编码量化通过I2S送至应用处理器进行后期处理。
蓝牙模块：提供HSP，A2DP等蓝牙连接协议，用于系统与移动终端通过蓝牙方式进行连接交换数据流。
降噪模块：对输入的音频数据流进行处理，降低环境噪音，使得人声更清晰。
语音特征提取合成模块：对降噪后的音频数据流通过线性预测编码进行数字语音压缩。使用解密后的低速率语音特征数据流合成人声语音。
加密解密模块：提供秘钥生成、秘钥交换、加密解密等算法。对压缩后的语音数据进行加密解密操作。移动语音终端间交换秘钥。
密码算法协处理器：扩展密码算法支持，可支持各种的密码算法。
调制解调模块：用于对压缩后或加密后的数据流进行调制解调等操作。调制后的数据流可以穿越2G/3G/4G语音信道。
本实施例具体是以浊音的基频及基频的谐波为载波的多载波传输，数字信号经本系统处理后产生的调制信号具有语音特征，可以使多种调制方式在各种通信终端间的语音通道上进行传输。
系统的通信过程分为发送过程和接收过程。其中，发送过程：用户话音经麦克风及ADC采样后变为采样率为8000Hz采样深度为16bit明文话音数据流，语音数据经过语音特征提取变为低速率数据流，此时已经语音已经完全数据化，数据流不再有语音特征。数据流经过支持国家规范的加密模块后变为加密数据流，此时数据的频谱特征类似变成白噪声。将加密数据送入特殊设计的调制模块后，白噪声特征的加密数据流变为具有语音特征的可穿越声码器的加密数据流，此时采样率为8000Hz采样深度为16bit。经过数字音频或模拟音频接口送入通信话音终端(如：座机、手机、卫星电话等)以话音的方式进行发送。
接收过程：通信话音终端(如：座机、手机、卫星电话等)接收到的加密数据流通过数字音频或模拟音频接口进入本系统，此时数据流为采样率为8000Hz采样深度为16bit。具有语音特征的加密数据流进入特殊设计的解调模块后，变为白噪声特征的加密数据流。加密数据流经过解密模块，变为低比特速率数据流，数据流经过语音合成，变为采样率为8000Hz采样深度为16bit的明文话音数据流。最后经过扬声器播放。
系统数据处理过程中，对于发射端：输入设备采集话音，语音经语音模数转换(芯片或A/D采等样)转换为原始数字语音信号，采样率8kHz(低带宽)/16kHz(高带宽)。对数字语音数据进行压缩，可以压缩至700bit/s、1000bit/s、1300bit/s等不同比特率，使之能通过话音通道传输。可以将40ms语音数据(8kHz采样率、16bit采样深度的320个采样点)压缩为一帧28bit的数据。
将压缩后的数据用AES、SM4等算法加密，在加密前将多组数字语音数据保存组成一帧然后逐帧加密。本实施例用AES256加密，将N帧未加密的语音进行AES加密。
第一帧：[A1_1A1_2A1_3…A1_28[E1E2E3…E28
第二帧：A2_1A2_2A2_3…A2_28->E2E2E3…E28
…加密…
第n帧：An_1An_2An_3…An_28]E2E2E3…E28]
将压缩后数据用纠错码编码后用选取的一组频率将密文进行调制从而能通过语音通信系统。
例如调制方式选用DQPSK，每帧所传输数据量为载波数(10)×载波上调制方式每帧数据传输量(DQPSK为2bit)＝20bit。
将加密后的数据再次分为28bit每份，加入纠错后用40bit/帧的FDM-DQPSK调制出波形，冗余的bit位可以填充同步位供解码时找到加密头帧，40bit数据分两帧传输。
每一帧结构：
[28位密文E 11位纠错G 1位同步F]
第一帧：[E1_1E1_2E1_3…E1_28][E1_1E1_2E1_3…E1_28G1G2G3…G11F]
第二帧：[E2_1E2_2E2_3…E2_28]->[E2_1E2_2E2_3…E2_28G1G2G3…G11F]
……
第n帧：[En_1En_2En_3…En_28][En_1En_2En_3…En_28G1G2G3…G11F]
将已调信号送往语音通信系统。
接收端：将接收到的语音用模数转换(语音芯片或A/D采样等)转换为数字语音数据(8kHz采样率、16bit采样深度)。
将数字语音信号进行解调得到基带信号，经纠错后得到原始数字基带信号，利用同步位找到加密的第一帧，将得到的n帧拼接为一个完整的密文。同时间片内n路基带转换为一帧，如表1。
表1
对数据进行解密得到被压缩的数字语音数据。对收到的音频数据逐帧解压缩得到数字音频数据。将数字音频数据送往语音芯片D/A转换器，在扬声器还原出语音。
本实例在在不改变现有通信终端使用方式的情况下，在通信终端与用户间添加此系统，且提供蓝牙、3.5mm耳机孔及TYPE-C或Lightning音频接口等多种连接方式与通信终端相连，实现了移动终端间的语音加密通话。
图2、图3、图4为现有调制解调技术中调制后通过通信终端语音通道的频谱瀑布图，可以看出现有技术在通过信道后信号受到不同程度的削弱或切断传输。
调制解调模块中的系统调制过程如下：
语音信号特征频率选取：以中文发音“阿”的语音信号为例，其频域特征如图5所示，频谱瀑布图横坐标为时间轴，纵坐标为频率轴，颜色深度表示信号能量的强弱。图6位中文发音“阿”的语音信号的频谱图，横坐标为频率，单位Hz，纵坐标为信号能量，单位dB。
其基频为160Hz(本实施例是可以在50Hz-500Hz内任选)，对应谐波为基频的整数倍，采用160Hz基频的系统可选频率有160Hz,320Hz,480Hz,540Hz,800Hz,960Hz,1120Hz，1280Hz，1440Hz，1600Hz，1760Hz，1920Hz，2080Hz，2240Hz…，谐波作为传输载波的频率需在人耳朵能够听到的频率范围内，即20Hz-20kHz，最优为300Hz-3400Hz。但是本实施例为了具备较高的信噪比，选取基频谐波能量较大部分(即谐振峰附近400-2000Hz之间)的特征频率作为系统数据的传输载波(载波数量根据传输速率调整，8K采样率时频率范围50-3400Hz，16K采样率时频率范围50-7000Hz)。
根据前述选定的频率进行数据调制，调制方式可以使用相位调制(如：PSK、QPSK、DPSK、DQPSK等)、幅度调制(如：ASK等)、QAM调制等。本实施例具体以DQPSK调制为例，其余调制方式原理为现有的技术，不在赘述，类似。
如图7，将20bit数据分为10组每组2bit，每一组的2bit数据作为一个逻辑选项电路的输入信号，选择载波发生器的相位，产生一个载波的调制信号。
对10组信号分别调制到不同频率的载波后送入信道传输。调制后的信号频谱特征如图8所示，横坐标为时间轴，纵坐标为频率轴，颜色深度表示信号能量的强弱；如图9为对应的频谱图，横坐标为频率(单位Hz)，纵坐标为信号能量(单位dB)。
对数据进行解调，经过信道传输的已调信号的频谱瀑布图如图10所示，横坐标为时间轴，纵坐标为频率轴，颜色深度表示信号能量的强弱；对应的频谱图如图11所示，横坐标为频率(单位Hz)，纵坐标为信号能量(单位dB)。
从发送端和接收端的频谱特征可以看出，本实施例系统信号经过通信终端话音通道后，接收信号只被叠加了信道噪声，没有被削弱或切断，保持了良好的解调信噪比。
根据选定的频率对数据进行解调(解调方式与调制方式对于，包含但不限于：相位调制(如：PSK、QPSK、DPSK、DQPSK等)、幅度调制(如：ASK等)、QAM调制等)，本实施例以DQPSK调制对应的解调进行说明。
如图12，将数字语音信号分别经过10个不同中心频率的低通滤波器分离出各个载波，然后分别对各个载波进行下变频，将其降低到基带频率，然后经过带通滤波再经判决得到各路基带信号，将各路基带进行并串转换组成完整的数字基带信号。对10个载波进行解调后得到发送端传输的20bit数据，完成解调过程。
本系统中提供了一种以浊音的基频及其谐波为载波的多载波传输系统；选取的调制载波频率分布符合语音信号的特征，即以多载波系统中的载波间隔必须使被选取语音信号的基频频率；载波中心频率在语音信号谐振峰附近；各子载波上可采用多种调制方式传输数据(包含但不限于：相位调制(如：PSK、QPSK、DPSK、DQPSK等)、幅度调制(如：ASK等)、QAM调制等)；经由实施例的系统调制后的信号能通过现有通信系统(包含但不限于：座机、手机、卫星电话等)的语音通道；本实施例的系统可通过外置加密协处理器支持各种加密方式对数据进行加密。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种穿透声码器的方法，其特征在于：所述方法包括
步骤一，选取语音信号特征频率作为载波频率；
步骤二，对数字信号进行载波调制，得到调制后的信号；
步骤三，将调制后的信号进行D/A变换后送声码器。
2.根据权利要求1所述的穿透声码器的方法，其特征在于：步骤一选取的载波频率包含基频和倍频，其中基频为50Hz-500Hz，倍频为基频的整数倍，倍频为人耳能听到的声音信号的频率范围内。
3.根据权利要求2所述的穿透声码器的方法，其特征在于：所述倍频为100Hz-3400Hz或者100Hz-7000Hz。
4.根据权利要求1所述的穿透声码器的方法，其特征在于：所述载波调制包括相位调制和幅度调制。
5.根据权利要求4所述的穿透声码器的方法，其特征在于：所述相位调制包括PSK调制、QPSK调制、DPSK调制或DQPSK调制。
6.根据权利要求4所述的穿透声码器的方法，其特征在于：所述幅度调制包括ASK调制。
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