CN109347570B - 一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法 - Google Patents

一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，包括以下步骤：S1.对信号的幅度调制过程进行一般性建模，得到调幅波模型；S2.对音频电路进行建模，将其模型化为平方律非线性电路；S3.在发送端，将低频语音信号通过调幅波模型进行处理，得到高频声波；S4.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；接收端将接收到的信号输入音频电路中，根据输出信号，进行频谱分析，得到频率信息；S5.将得到的频率信息送入低通滤波器中还原出原始低频信号的频率成分，实现潜信道声波通信。本发明利用信号幅度调制，将语音信号变换为高频声波，通过对音频电路进行建模，低通滤波后向下还原原始信号，从而可利用冗余型潜信道对信号进行传输实现语音通信。

Description

一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域中语音安全通信信道，尤其是涉及一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法。
背景技术
随着通信技术的发展，各种通信新技术不断涌现，数字化语音通信越来越广泛地应用于军事、外交、经济、文化生活及科学研究等各领域。与此同时，语音通信的保密和安全也越来越重要。通信的信道是人们有意设计用来传输各种信号的通道，而潜信道，又名隐信道，它是由Simmons在1978年为了证明当时美国用于核查系统中的安全协议的基本缺陷而提出的。顾名思义，潜信道就是指普通人感觉不到又确实存在的信道，因此我们就可以利用这些感觉不到而又真实存在的信道来传送秘密信息，使得敌手无法感知信息的传输，实现信息的安全传输。潜信道的种类较多，有些潜信道是设计者有意打下的埋伏，有些潜信道则是无意之中构建的，在语音通信中，就可以利用冗余的频谱资源构建潜信道。
在信号的调幅理论中，对于幅度调制信号,在波形上,它的幅度随基带信号规律变化，在频谱结构上,它的频谱是基带信号频谱结构在频域内的搬移。已调信号通过音频电子器件的过程是一种非线性的变换过程，音频电路把声波转换成电信号。从本质上讲，在输入与输出信号传输特性中，可以粗略地将电路视为具有平方律非线性的电路。电子设备的非线性可以产生谐波，具有非线性的设备能够产生新的频率，并且通过一个经过加工的输入信号，它们可以向下转换信号，并恢复出基带信号。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，利用信号幅度调制，将语音信号变换为高频声波，通过对音频电路进行建模，低通滤波后向下还原原始信号，从而可利用冗余型潜信道对信号进行传输实现语音通信。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，包括以下步骤：
S1.对信号的幅度调制过程进行一般性建模，得到调幅波模型；
S2.对音频电路进行建模，将其模型化为平方律非线性电路；
S3.在发送端，将低频语音信号通过调幅波模型进行处理，即进行时域乘法运算，得到高频声波；
S4.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；接收端将接收到的信号输入音频电路中，并根据音频电路输出的信号，进行频谱分析，得到频率信息；
S5.将得到的频率信息送入低通滤波器中，利用低通滤波器对高频信号进行滤除，还原出原始低频信号的频率成分，实现潜信道声波通信。
进一步地，所述步骤S1包括：
对信号的幅度调制过程进行一般性建模：设调制信号与载波相乘，则一般性建模得到调幅波的模型为：
sAM(t)＝Km(t)cos(ωct+φ0)；
其中，m(t)为调幅波模型的输入信号，sAM(t)为调幅波模型的输出信号，Kcos(ωct+φ0)表示余弦载波信号，ωc为载波信号的角频率，φ0为载波信号的初始相位，K为载波信号的幅值。
进一步地，所述步骤S2包括：
S201.在输入与输出信号传输特性中，粗略地将音频电路视为具有平方律非线性的电路，用于将声波转换成电信号；
S202.对音频电路的非线性问题进行建模，将其模型化为：
sout(t)＝Asin(t)+Bsin 2(t)；
式中，sin(t)为音频电路模型的输入信号，sout(t)为音频电路模型的输出信号，A为一次项增益系数，B为二次项增益系数。
进一步地，所述步骤S3包括：
S301.在发送端产生人耳可听范围的低频语音信号；
S302.将低频语音信号作为输入信号m(t)，通过调幅波模型进行处理，得到高频声波：
sin(t)＝sAM(t)＝Km(t)cos(ωct+φ0)。
进一步地，所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；
S402.接收端将接收到的高频声波代入音频电路的模型中，得输出信号为：
Figure GDA0002450135900000021
S403.分析音频电路输出信号的频谱，即对该信号做傅里叶变换，得到：
Figure GDA0002450135900000031
式中，ωm表示低频语音信号角频率；
S404.根据傅里叶变换后的频谱成分，得到如下的角频率：
(ωm-ωc),(ωm+ωc),(ωm-2ωc),(ωm+2ωc),(ωm)；
S405.根据
Figure GDA0002450135900000032
将得到的角频率信息变换为如下频率信息：
fm,(fc-fm),(fc+fm),2fc+fm,2fc-fm；
其中，fm表示低频语音信号的频率，fc表示载波信号的频率。
优选地，所述低频语音信号产生的方式包括但不限于录音、合成和TTS转换。在所述步骤S4中，利用冗余型潜信道进行信号传输，潜信道就是指普通人感觉不到又确实存在的信道。对于任何通信系统，只要它允许冗余信息的存在就一定会有潜信道的存在。在本申请中，利用语音通信时冗余的频谱资源进行潜信道通信。
优选地，所述步骤S5中，利用低通滤波器对高频信号进行滤除的方式，包括但不限于巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器，在仿真中可以用数学的方法在频域中用信号乘以矩形函数得到，也可以在时域与sinc函数作卷积得到。
本发明的有益效果是：(1)本发明提出了基于声波的冗余型潜信道通信理论，针对语音通信的特点，实现了声音的频谱资源的有效利用。(2)本发明对音频电路的非线性效应相关理论进行数学建模并分析，具有更高的可信度。(3)本发明利用潜信道实现语音通信，在保证信息完整性传输的同时又保证了信息的可靠性。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为调制过程建模的验证仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，包括以下步骤：
S1.对信号的幅度调制过程进行一般性建模，得到调幅波模型；
S2.对音频电路进行建模，将其模型化为平方律非线性电路；
S3.在发送端，将低频语音信号通过调幅波模型进行处理，即进行时域乘法运算，得到高频声波；
S4.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；接收端将接收到的信号输入音频电路中，并根据音频电路输出的信号，进行频谱分析，得到频率信息；
S5.将得到的频率信息送入低通滤波器中，利用低通滤波器对高频信号进行滤除，还原出原始低频信号的频率成分，实现潜信道声波通信。
具体地，所述步骤S1包括：
对信号的幅度调制过程进行一般性建模：设调制信号与载波相乘，则一般性建模得到调幅波的模型为：
sAM(t)＝Km(t)cos(ωct+φ0)；
其中，m(t)为调幅波模型的输入信号，sAM(t)为调幅波模型的输出信号，Kcos(ωct+φ0)表示余弦载波信号，ωc为载波信号的角频率，φ0为载波信号的初始相位，K为载波信号的幅值。
具体地，所述步骤S2包括：
S201.在输入与输出信号传输特性中，粗略地将音频电路视为具有平方律非线性的电路，用于将声波转换成电信号；
S202.对音频电路的非线性问题进行建模，将其模型化为：
sout(t)＝Asin(t)+Bsin 2(t)；
式中，sin(t)为音频电路模型的输入信号，sout(t)为音频电路模型的输出信号，A为一次项增益系数，B为二次项增益系数。
具体地，所述步骤S3包括：
S301.在发送端产生人耳可听范围的低频语音信号；
S302.将低频语音信号作为输入信号m(t)，通过调幅波模型进行处理，得到高频声波：
sin(t)＝sAM(t)＝Km(t)cos(ωct+φ0)。
具体地，所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；
S402.接收端将接收到的高频声波代入音频电路的模型中，得输出信号为：
Figure GDA0002450135900000051
S403.分析音频电路输出信号的频谱，即对该信号做傅里叶变换，得到：
Figure GDA0002450135900000052
式中，ωm表示低频语音信号角频率；
S404.根据傅里叶变换后的频谱成分，得到如下的角频率：
(ωm-ωc),(ωm+ωc),(ωm-2ωc),(ωm+2ωc),(ωm)；
S405.根据
Figure GDA0002450135900000053
将得到的角频率信息变换为如下频率信息：
fm,(fc-fm),(fc+fm),2fc+fm,2fc-fm；
其中，fm表示低频语音信号的频率，fc表示载波信号的频率。
由于载波信号一般为高频信号，通过步骤S5中的低通滤波器后，可以滤除包含fc的高频频率成分，还原原始低频信号的fm频率成分，从而实现了潜信道声波通信。
所述低频语音信号产生的方式包括但不限于录音、合成和TTS转换，在所述步骤S4利用冗余型潜信道进行信号传输，潜信道就是指普通人感觉不到又确实存在的信道。对于任何通信系统，只要它允许冗余信息的存在就一定会有潜信道的存在。在本申请的方案中，利用语音通信时冗余的频谱资源进行潜信道通信。
在本申请的实施例中，所述步骤S5中的利用低通滤波器对高频信号进行滤除，方法包括但不限于巴特沃斯滤波器,切比雪夫滤波器,在仿真中可以用数学的方法在频域中用信号乘以矩形函数得到，也可以在时域与sinc函数作卷积得到。
在本申请的实施例中，在步骤S1中对调幅过程进行一般性建模，并采用实验数据对该模型进行验证，其过程显示在图2中，其中的数据已进行归一化。由图2可知，该调幅模型实现了一般信号的AM调制，将低频语音信号的频谱搬移到了高频载波附近，已调信号的包络完整显示了低频信号的信息，通过解调后，还原了原始的低频信号。在该图中，已经显示了各个过程的频谱结构。该调幅过程一般性模型完整实现了低频语音信号的频谱搬移。
在本申请的实施例中，所述步骤S3实际使用的调幅波模型，采用双边带AM调制，幅度为1V，调制深度为100％，频率为25KHZ。并采用TTS软件生成语音控制指令：语速设为40，语调设为60，音量设为100。该语音信号频率范围为500-3000HZ。实验结果为，TSS软件生成了较为清晰洪亮的人声，符合人的应用听力范围；在符合上述实验参数设置下，由信号发生器生成高频载波，通过调制后，实现了语音信号的不可听性；而利用高频声波的信道进行信号传输，达到了正常语音通信信道的不可察觉性。在该实验中，本发明的方法利用了冗余型的潜信道实现了语音信号的安全保密传输。
综上，本发明提出了基于声波的冗余型潜信道通信理论，针对语音通信的特点，实现了声音的频谱资源的有效利用；通过对音频电路的非线性效应相关理论进行数学建模并分析，具有更高的可信度；同时，利用潜信道实现语音隐蔽安全通信，在保证信息不为敌方发现能安全传输的同时又保证了信息的可靠传输。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.对信号的幅度调制过程进行一般性建模，得到调幅波模型；
S2.对音频电路进行建模，将其模型化为平方律非线性电路；
S3.在发送端，将低频语音信号通过调幅波模型进行处理，即进行时域乘法运算，得到高频声波；
S4.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；接收端将接收到的信号输入音频电路中，并根据音频电路输出的信号，进行频谱分析，得到频率信息；
S5.将得到的频率信息送入低通滤波器中，利用低通滤波器对高频信号进行滤除，还原出原始低频信号的频率成分，实现潜信道声波通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：所述步骤S1包括：
对信号的幅度调制过程进行一般性建模：设调制信号与载波相乘，则一般性建模得到调幅波的模型为：
sAM(t)＝Km(t)cos(ωct+φ0)；
其中，m(t)为调幅波模型的输入信号，sAM(t)为调幅波模型的输出信号，Kcos(ωct+φ0)表示余弦载波信号，ωc为载波信号的角频率，φ0为载波信号的初始相位，K为载波信号的幅值。
3.根据权利要求2所述的一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：所述步骤S2包括：
S201.在输入与输出信号传输特性中，粗略地将音频电路视为具有平方律非线性的电路，用于将声波转换成电信号；
S202.对音频电路的非线性问题进行建模，将其模型化为：
sout(t)＝Asin(t)+Bsin 2(t)；
式中，sin(t)为音频电路模型的输入信号，sout(t)为音频电路模型的输出信号，A为一次项增益系数，B为二次项增益系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：所述步骤S3包括：
S301.在发送端产生人耳可听范围的低频语音信号；
S302.将低频语音信号作为输入信号m(t)，通过调幅波模型进行处理，得到高频声波：
sin(t)＝sAM(t)＝Km(t)cos(ωct+φ0)。
5.根据权利要求4所述的一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：所述低频语音信号产生的方式包括录音、合成和文本语音转换。
6.根据权利要求3所述的一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：所述步骤S4包括以下子步骤：
S401.发送端通过冗余型潜信道将高频声波发送给接收端；
S402.接收端将接收到的高频声波代入音频电路的模型中，得输出信号为：
Figure FDA0002598379930000021
S403.分析音频电路输出信号的频谱，即对该信号做傅里叶变换，得到：
Figure FDA0002598379930000022
式中，ωm表示低频语音信号角频率；
S404.根据傅里叶变换后的频谱成分，得到如下的角频率：
(ωm-ωc),(ωm+ωc),(ωm-2ωc),(ωm+2ωc),(ωm)；
S405.根据
Figure FDA0002598379930000023
将得到的角频率信息变换为如下频率信息：
fm,(fc-fm),(fc+fm),2fc+fm,2fc-fm；
其中，fm表示低频语音信号的频率，fc表示载波信号的频率。
7.根据权利要求1所述的一种基于声波的潜信道隐蔽安全通信方法，其特征在于：所述步骤S5中，利用低通滤波器对高频信号进行滤除时，采用巴特沃斯滤波器或切比雪夫滤波器。
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