CN112420060A - 一种基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法。该方法包括：时频变换模块，频域交织和加密模块，时频反变换模块。其中：时频变换模块通过MIC采集的模拟语音信号经采样/量化获得PCM数字语音信号，对PCM信号做时频变换；频域交织和加密模块通过对频域信号采用连续N帧语音信号做频域处理，对N帧频域信号在低、中、高频域区采取不等分分组方案，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号独立进行数据交织，在频域内进行交织达到加密；时频反变换模块，通过对交织后的20ms*N长度频域语音信号做IFFT变换，即获得加密语音信号。经过信源编码、调制后通过无线通信系统发送到对端，从而完成对通信网络的端到端语音加密。
Description
技术领域
本发明涉及语音信号加密领域，具体地，涉及一基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，更为具体地，涉及语音信号不等分分组方法和根据用户时变参量获得交织图案方法。
背景技术
由于在移动通信应用中的语音业务中，目前所有移动通信系统的安全机制都是从网络侧角度考虑，在进入信道前仍都是明文形式传输，并未实现端到端的语音加密。某些伪装设备(如伪基站)或不法机构仍然有技术手段接入移动通信网络骗取用户通话的鉴权/加密等关键信息从而达到截获用户间通话信息的可能。这也使得个人隐私、企业商业机密、政府重要信息甚至国家军事机密都可能遭到泄漏，给个人、企业及国家可能造成不可估量的损失及不可预期的威胁。
因此迫切需要独立于移动通信网络的端到端语音加密技术，真正实现保密通信。
由于语音编码算法都是有损压缩编码，对信源本身进行加密将破坏语音波形导致信源编码后的数据无法准确恢复为原始语音，目前针对该问题，国内外尚无有效对抗话音信源有损压缩编码的语音加密技术，特别是适用于多码率的AMR信源编解码技术。常规的频域加密算法存在加密后语音可懂度不高、AMR编解码后解密的语音音质较差的问题，无法用于实际工程中。
为实现独立于通信网络的端到端语音加密，本发明将研究重点集中在基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法上。
本文基于AMR语音编解码原理及PCM话音波形编码技术特征，提出一种基于频域交织的方法，在不破坏时域PCM波形包络的情况下，可有效对抗AMR有损压缩编码，能够较好的还原话音，真正实现独立于通信网络的端到端语音加密。此外，为进一步加强端到端保密性能，利用用户时变信息作为生成交织图案的参量，使得破解活动变得非常困难。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的是提供一种基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法。
根据本发明提供的一种基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，包括：
时频变换模块：通过MIC采集的模拟语音信号经采样/量化获得PCM数字语音信号，对PCM信号做时频变换；
频域交织和加密模块：通过对频域信号采用连续N帧语音信号做频域处理，对N帧频域信号在低、中、高频域区采取不等分分组方案，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号独立进行数据交织，在频域内进行交织达到加密；
时频反变换模块：通过对交织后的20ms*N长度频域语音信号做IFFT变换，即获得加密语音信号。
优选地，所述频域交织和加密模块模块包括：将连续N帧语音信号在低、中、高频域区采取不等分分组(即低频区做高密度分组，高频区做低密度分组，共M个不等分的频域语音切片)，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，从而实现对M组语音信号独立进行数据交织加密。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过通过对信号在频域进行独立数据交织后可以有效解决话音信源有损压缩编码的语音加密技术；
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密过程示意图；
图2为原始话音频谱图及声谱图示意图；
图3为频域交织加密算法处理流程图示意图；
图4为交织加密前后及经AMR编解码后的语音时域波形对比；
图5为交织加密前后及经AMR编解码后的语音频域波形对比；
图6为频域交织加密算法处理流程图；
图7为交织加密前后及经AMR编解码后的语音时域波形对比；
图8为交织加密前后及经AMR编解码后的语音频域波形对比。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
一种基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，它是属于语音信号加密分类，该方法主要基于已知的PCM数字语音信号，通过对频域信号采用连续N帧语音信号做频域处理，对N帧频域信号在低、中、高频域区采取不等分分组，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号在频域内进行交织达到加密过程。所述的该方法包括：
时频变换模块：通过MIC采集的模拟语音信号经采样/量化获得PCM数字语音信号，对PCM信号做时频变换。
频域交织和加密模块：通过对频域信号采用连续N帧语音信号做频域处理，对N帧频域信号在低、中、高频域区采取不等分分组方案，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号独立进行数据交织，在频域内进行交织达到加密。
时频反变换模块：通过对交织后的20ms*N长度频域语音信号做IFFT变换，即获得加密语音信号。
具体地，如图2所示为原始话音信号，原始窄带语音信号是8KHz采样、20ms帧长、16-bit PCM量化编码，加密操作的最小数据单元就是一个语音帧，即20ms*8KHz＝160个数据。原始话音信号通过时频变换模块得到音频信号的频域信号如图3所示，将所得到的频域信号采用连续N帧语音信号做频域处理，对N帧频域信号在低、中、高频域区采取不等分分组，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号独立进行数据交织，交织加密后的语音信号的频域信号如图4所示(加密算法采用的各个参数取值为：N＝4；M＝32；低中高频域分别为0～1KHz、1KHz～2KHz、2KHz～4KHz(4Khz～8Khz做对称处理即可)；低频区分16组，中高频区都为8组，组内做等分分组；通过当前连接帧号产生不同长度的交织序列。实验语音数据为余光中的《乡愁》朗诵音频片段。)。
将采集到的数据进行时频变换，得到加密后的语音信号的时域数据，如图5所示。
在收端经过无线信道传输到对端进行上述反操作，整个加密解密过程如图6所示，最终恢复为人耳可辨识的模拟语音信号。
恢复后的语音信号与原始语音信号的时域和频域对比如图7，图8。
从图7，8频谱图可以看出，经过本发明所述的频域交织加密处理后，语音时域及频域的谱能量分布变化不大，这可以确保处理后的数据经AMR压缩编码后带来的损伤最小；密文语音无论是时域还是频域，相比原始语音信号在谱包络上有明显差异，这可以确保处理后的语音数据可懂度最低；还原后的语音信号与原始语音信号在时域及频域的谱特征一致性很高。评价语音信号质量常用方法是ITU提出的一种PESQ方法，通过该方法比较原始语音信号与经过一定处理后恢复的语音信号进行比较，获得一个MOS分值，通过分值的高低即可判断语音信号质量的好坏。将上面处理的几组数据进行MOS值测量，加密语音MOS平均值在0.6～0.9之间，说明密文可懂性较差，从而保证了加密语音的安全性；恢复信号的MOS平均值在2.0～3.3之间，增加后续语音增强处理后的语音信号MOS值可提高0.5作用，说明本文提出的频域交织加密方法在端到端语音加密方面的性能良好，基本可以满足端到端保密通信需求。
Claims (4)
1.一种基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，其特征在于包括：
时频变换模块：通过MIC采集的模拟语音信号经采样/量化获得PCM数字语音信号，对PCM信号做时频变换；
频域交织和加密模块：通过对频域信号采用连续N帧语音信号做频域处理，对N帧频域信号在低、中、高频域区采取不等分分组方案，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号独立进行数据交织，在频域内进行交织达到加密；
时频反变换模块：通过对交织后的20ms*N长度频域语音信号做IFFT变换，即获得加密语音信号。
2.根据权利要求1所述的基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，其特征在于，该算法包括快速傅里叶变换(FFT)，对PCM信号做时频变换。
3.根据权利要求1所述的基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，其特征在于，所述端到端语音加密是指将连续N帧语音信号在低、中、高频域区采取不等分分组(即低频区做高密度分组，高频区做低密度分组，共M个不等分的频域语音切片)，并根据用户时变参量分别获得M组交织图案，对M组语音信号独立进行数据交织加密。
4.根据权利要求1所述的基于频域交织的独立于通信网络的端到端语音加密方法，其特征在于，所述对交织加密后的频域语音信号做IFFT变换等。
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