CN1707993A - 用于保密无线通信的通用传声器 - Google Patents

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Abstract

一种传声器单元，包括用于接收话音输入信号的话音输入端，用于从话音信号产生数字信号的模数转换器，用于从数字信号产生话音编码信号输出的话音编码装置，用于加密话音编码信号的加密装置，和用于产生能通过传声器输入端被提供给无线电设备的可传输信号的调制器。而且，传声器单元在接收加密信号时能执行相反的步骤。从无线电设备输出的接收信号被解调、解密、话音解码、从数字话音信号转换成模拟话音信号，并通过优选地装入传声器单元的扬声器输出。

Description

用于保密无线通信的通用传声器
技术领域
本发明涉及无线通信系统，尤其涉及一种用于保证无线电设备之间保密通信的方法和装置。
背景技术
保证无线通信中的保密性近来已经越来越受到关注。双向无线通信现在被大量用户所广泛使用。警务人员、救火人员、军队人员、商业团体、和普通市民全都经常使用双向无线电设备用于通信。传统上这样的通信并不保密，也就是具有在通信频率上的无线电设备或扫描器的任何人都可能接收和获知该通信。然而在如今的环境下，在先前不保密传输已足够的地区存在着对于保密通信的更大需求。
以前，保密通信系统在以前通常限于涉及高层国家安全的系统。为了实现保密传输，在高端系统中采用加密技术。这些技术包括在发送时加扰信号(数字或模拟)，以及随后在接收时解扰该信号。
然而对日常系统加密的需要提出了一系列新的要求。当前，为了实现通信保密，有两种选择是可用的。首先，一个完整的新系统可以被安装成包含建入每个无线电设备的加密技术，类似于以前在涉及国家安全的应用中所使用的高端系统。但是问题是这个方案需要更新所有的当前被使用的现有硬件。所有的现有系统和无线电设备将变成过时的。由于这个局限，该解决方案在很多情况下是非常昂贵且成本太高。
第二个也是并不常用的选择是在现有无线电设备中安装一个新的元件来提供加密。这个方案也有很大的局限。任何当前现有的加密元件已经设计成用于特定商标和型号的无线电设备。因此，这个新的方案局限在它能被应用的无线电设备的类型。而且，这个方案是昂贵的，其中即使是加密元件已经被购置之后，每个无线电设备还必须被拆下，加密元件被安装，无线电设备再被重新组装。因此，这个技术方案已经限制了实际的应用。
希望有一种系统提供在传统上不保密的环境下的保密传输。还希望以低成本的方式使用现有的无线电设备建立保密传输。本发明尤其满足了这些希望。
发明内容
本发明提供一种用于实现保密无线通信系统、方法和装置。本发明允许使用在现有通信系统中工作的现有无线电设备来实现将要获得的保密性。按照本发明，将一种加密功能并入能同现有无线电设备一起工作的传声器单元中。按照本发明的该传声器单元加密由用户的话音产生的信号并以无线电设备通常接收未加密话音信号相同的信号格式来将该信号提供给无线电设备。这样，能够使用现有无线电设备通过现有传声器输入来提供加密，因此节省了对昂贵的新系统或对现有系统的昂贵的更新的需要。
在一个优选实施例中，传声器用于接收话音信号，模拟数字转换器用于从话音信号产生数字信号，话音编码装置用于从数字信号产生话音编码信号，加密装置用于加密话音编码信号，调制器用于产生能通过传声器输入提供给无线电设备的可发射信号。
此外，传声器单元能够在接收到加密信号后执行相反的步骤。从无线电设备输出的接收信号被解调、解密、话音解码、从数字话音信号转换成模拟话音信号并通过扬声器输出，所述扬声器优选地被安装在传声器单元中。
附图说明
现在将通过参考附图的方式描述本发明，其中：
图1是示出在使用中的双向无线电设备的示例性环境的示意图。
图2a是示出按照本发明的用于发送保密通信的传声器单元的各个元件的框图。
图2b是示出按照本发明的建立保密通信的方法的流程图。
图3a是示出按照本发明的用于接收保密通信的传声器单元的各个元件的框图。
图3b是示出按照本发明的接收保密通信的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出按照本发明的传声器单元能在其中工作的示例性环境。双向无线电设备以一种通常配置示出，即配置成由公共安全人员(例如，警察，救火人员)使用。衣领或肩部安装的传声器单元12佩带在使用者的肩部。传声器单元12通过线14连接到主无线电单元19，其典型地佩带在使用者的腰带上。通常由警务人员所常用的主无线电单元19是一种工作在UHF频带的双向无线电设备。但是可以理解本发明能结合多种类型的无线电设备而被使用，并且不限于在示例的实施中的无线电设备类型。
被示出在使用人员的肩部上的传声器单元12是典型地推讲(PTT)式单元。PTT按钮16位于传声器单元12上，使用人员为了在发送模式中启动传声器而按下该按钮。当PTT按钮16未按下时，传声器单元处于接收模式，由此呼入通信通过包含在传声器单元12中的扬声器18被广播。
肩部佩带的传声器单元12通过线17连接到主无线电单元19。主无线电单元19可以是能接收传声器输入的任何类型的双向无线电设备单元。
现在将参考图2a，2b，3a和3b详细描述按照本发明的传声器单元12。在图2a和3a中，框图用来示出能被用于实现按照本发明的创新技术方案的示例性的传声器单元12的各个元件。图2a示出用于发送加密信号的元件，而图3a示出用于接收加密信号的元件。但是应当理解在优选实施例中，某些元件能用于这两个处理过程。为清楚起见，在图2a和3a中示出独立的元件。
图2b和3b是示出按照本发明的由传声器单元执行的两个不同的处理过程的流程图。图3a描述了在呼出或发送阶段关于话音输入所执行的步骤。图3b描述了在呼入或接收阶段关于从模拟无线电设备接收的信号所执行的步骤。
参考图2a和2b，按照本发明由传声器单元12执行的发送阶段在用户对着传声器单元12讲话时开始(步骤22)。传声器单元12包括传声器21。传声器21用于从用户接收话音信号。传声器21包括任何标准的、商业上可用的传声器，其大多在现有技术中是已知的。
用户输入通过传声器22从可听见的话音信号转换成模拟话音信号，其从传声器22输出。然后模拟话音信号通过放大器电路23放大(步骤24)。模拟信号的放大是众所周知的处理过程，其使用任何数量的放大电路来实现。经放大的模拟话音信号接下来被转换成数字话音信号(步骤26)。从模拟信号到数字信号的转换用模数(A/D)转换器25来完成。将模拟信号转换成数字信号的标准A/D转换器是现有的。A/D转换器是广泛可获得的并在现有技术中公知的。
一旦输入信号已经转换成数字话音信号，使用话音编码器27进行处理来把数字话音信号转换成为话音编码数字话音信号(步骤28)。话音编码器设备执行如已知的话音编码的处理，由此数字化的话音信号被压缩成表示该话音输入的更低数据率信号。典型的数字话音信号要求在64kb/s和128kb/s之间。但是这些相对高的数据率不利于有效的数字传输。话音编码器用一系列的数字滤波器模仿人的声音系统以便以更加低的数据率来建立数字话音信号的数字表示。例如，典型的话音编码器输出仅仅要求在2.4kb/s和4.8kb/s之间。在优选的实施例中，一种多频带的主控振荡器话音编码器被使用，比如得到Westford，MA的数字话音系统有限公司许可的AMBE+高级多频带主控振荡器话音编码器。
通过话音编码器27输出的话音编码信号被加密(步骤30)。多种加密标准存在。高级加密标准(AES)当前在公共安全应用中广泛使用。因此，在优选实施例中，AES加密被应用。但是，可以理解其它已知的加密标准(例如DES，三倍DES)或任何将来发展的加密标准也可能被使用。在优选实施例中，使用在加密模块29内的编程软件进行加密，其将加密算法应用到话音编码信号。软件操作的该加密模块包括数字处理器，比如但不限于数字信号处理器、微处理器、编程通用计算机等等。该加密模块的部分功能或所有功能可通过模拟电路来实现也是可能的。
在加密无线电系统中所遇到的一个问题是一旦具有加密性能的一个单元丢失或被窃，系统的保密性将受到损害。例如，即使按照本发明一个人得到一个传声器单元，他或她也将可能截取和获知想要保密的通信。因此，能够修改密码或密钥是重要的，以便保证可能已丢失或被窃的未授权单元不能够再获知正在系统中发送的通信。通过使用存储在加密模块29内的存储器31中的软件密钥，不需要单元为了这么做而从该区域中删除而容易地和有效地改变加密密钥是可能的。例如，按照本发明传声器单元能与键盘安装在一起，通过它用户能够通过输入一个已经提供给所有授权用户的新的密钥来手动地重新编程密钥。替换地，传声器单元能通过从系统内的基站广播一个新的密钥来自动地重新编程。以这种方式重新编程该密钥已在题为Secure GroupSecret Distribution(序列号10/280,354)和Secure Encryption Key Distribution(序列号10/228,747)的共同申请的专利申请中全部公开，其在此结合作为参考。以这种方式重新编程该密钥的一个例子是指示新密钥的授权的接受者在特定时间调整到特定信道以接收新密钥传输，而未授权单元的用户将无法获知在哪儿或何时调整，因此将无法接收到该新密钥。
一旦经话音编码的话音信号已经加密，其被调制到一个载波信号上(步骤32)而产生一个能被提供到标准模拟无线电设备的模拟输出。来自传声器单元12的该模拟输出与通常通过模拟无线电设备从现有技术中的传声器接收的信号类型相同。公知的调制电路，优选体现为调制器集成电路33，用于执行调制处理。经调制的输出信号现在能根据关于多数无线电设备的传声器输入插座标准提供给任何标准的模拟无线电设备(步骤34)，或替换地，通过硬连接(hardwiring)按照本发明的传声器单元12代替现有无线电设备的传声器。在这两种情况下，对于使用现有无线电设备来发送加密传输，需要最小的或不需要改动。
为了完成通信的操作过程，加密传输必须由操作具有解密所传输信号能力的无线电设备的用户来接收。该过程能通过任何与按照本发明的传声器单元联合操作的标准模拟无线电设备来实现。
参考图3a和3b，通信的接收阶段被示出。通过标准模拟无线电设备接收为模拟无线电信号的加密信号(步骤36)。该加密信号以与无线电设备通常输出一个未加密信号相同的方式从该无线电设备输出到扬声器单元(例如，包含在如图1所示结构中的佩带在警务人员肩部上的现有技术的传声器单元中的小型扬声器)。该加密模拟信号通过传声器单元12接收并使用公知的解调电路来解调(步骤38)，解调电路优选示例为集成电路37。解调过程从模拟载波信号恢复出加密数字信号。
一旦信号已被解调，所得到的信号包括加密数字信号，或加密比特流。该加密比特流需要被解密。由解密模块39对信号执行解密处理(步骤40)，该解密模块优选地包括存储在传声器单元12中的软件。相应于所选加密标准(例如DES、三倍DES、AES等等)的解密算法应用于比特流，以使用包含在解密模块39内的存储器41中的保密密钥来解除加密。所得信号是表示在加密和发送之前的声码输入信号的话音编码或声码信号。
话音编码信号被施加于话音解码器43，其优选地被包含在用于发送阶段的信号压缩的同一声码器芯片中，用来将话音编码信号扩展成表示通过输入传声器单元产生的数字话音信号的数字信号(步骤42)。
此时，可由数模(D/A)转换器45将数字信号转换成模拟信号(步骤44)。所得到的模拟信号是话音信号，其随后由放大器电路47放大(步骤46)并提供给扬声器49，作为可听信号输出到用户(步骤48)。
通过应用按照本发明的传声器单元，能向标准模拟无线电系统加入加密。这消除了用新的能够加密的无线电设备替换现有无线电设备或通过将加密硬件安装到无线电单元中来改装现有无线电设备的需要。仅仅是传声器单元需要被替换。而且，通过本发明提供端到端加密。这意味着信号从第一个用户的发送端到第二个用户的接收端保持被加密，因此可防止未授权的截取。无线电系统通常在发送信号的第一个用户和接收信号的第二个用户之间包含多个中间级。例如，信号可由工作在系统中的基站或一个或多个移动中继单元中继。这些中间单元使无线电系统的工作范围扩展到远远超过任何单个无线电设备的范围。由于通过与按照本发明的传声器联合操作的无线电设备发送的加密信号作为标准模拟无线电信号呈现给中间单元，中间单元可在任何时候都不需解密该信号的情况下放大并中继传输。因此，信号从其始发端保持加密直到其到达最终目的端。
在优选实施例中，按照本发明的传声器单元将允许用户在加密传输或保密模式，以及未加密传输或透明模式(clear mode)之间手动选择。这允许用户在其中用户想要与没有装备接收保密模式传输能力的其它无线电设备通信的情况下关闭保密模式。在优选实施例中，在传声器单元的一侧提供一个开关，其允许传声器单元输出被直接连接到传声器输出，因此旁路传声器中的其余元件而允许透明模式传输。
按照本发明的传声器单元的使用提供了一种用于现有无线电系统的有效、完整的保密系统。保密被实现而防止个人企图在通信中用扫描器和/或(丢失的或被盗的)无线电设备来偷听。所有这些特性通过使用按照本发明的简单而低成本的传声器单元来实现。鉴于当前世界上不断提高的对保密性的关注，本发明提供了一种对现有技术的不保密系统的重大改进。
应当理解前述内容是示例性而不是限制性的，本领域技术人员在不脱离本发明的精神的情况下可以进行明显的修改。因此，说明书意为覆盖可以包括在如所附权利要求所定义的本发明的精神和范围内的此类替换、修改和等效变换。

Claims (24)

1、一种传声器单元，包括：
用于接收可听见的输入并将所述可听见的输入转换成电信号的传声器；
用于加密所述电信号的装置，其中所述装置产生能由双向无线电设备接收的加密模拟信号；和
用于提供能由双向无线电设备接收的加密模拟信号的输出。
2、如权利要求1所述的传声器单元，其中用于加密所述电信号的所述装置，其中所述装置产生能由双向无线电设备接收的加密模拟信号，所述装置进一步包括：
连接到所述传声器的数字转换器，用于从所述电信号中产生数字信号；
连接到所述数字转换器的话音编码装置，用于从所述数字信号中产生话音编码信号；
连接来接收所述话音编码信号的加密模块，用于加密所述话音编码信号以产生加密信号；和
连接来接收所述加密信号的调制器，用于产生能由双向无线电设备接收的输出信号。
3、如权利要求2所述的传声器单元，还包括在所述传声器和所述数字转换器之间连接的放大器电路，用于放大所述电信号并提供所放大的电信号给所述数字转换器。
4、如权利要求1所述的传声器单元，其中所述双向无线电设备是模拟双向无线电设备。
5、如权利要求1所述的传声器单元，其中所述双向无线电设备通过标准传声器插座输入接收所述输出信号。
6、如权利要求2所述的传声器单元，其中所述加密模块包括用于加密所述话音编码信号的软件。
7、如权利要求6所述的传声器单元，其中所述加密模块还包括用于存储加密密钥的存储器。
8、如权利要求2所述的传声器单元，其中所述话音编码装置是AMBE+声码器。
9、如权利要求1所述的传声器单元，其中所述加密是AES加密。
10、如权利要求1所述的传声器单元，还包括：
用于从模拟无线电设备接收输出信号并将所述信号解调成话音编码信号的解调器；
连接到所述解调器的用于解密所述话音编码信号来产生解密的话音编码信号的解密装置；
连接到所述解密装置的用于从所述解密的话音编码信号来产生数字话音信号的话音解码装置；
连接到所述话音解码装置用于将所述数字话音信号转换成模拟话音信号的数模转换器；和
连接到所述数模转换器用于输出所述模拟话音信号的扬声器。
11、一种传声器单元，包括：
用于从双向无线电设备接收加密模拟信号的输入；
用于解密所述加密模拟信号的装置，其中所述装置产生能通过扬声器被输出的解密模拟电信号；和
用于输出所述模拟电信号的扬声器。
12、如权利要求11所述的传声器单元，其中用于解密所述加密模拟信号的装置，其中所述装置产生能通过扬声器被输出的解密模拟信号，进一步包括：
用于从模拟无线电设备接收所述加密模拟信号并将所述信号解调成话音编码信号的解调器；
连接到所述解调器的用于解密所述话音编码信号来产生解密的话音编码信号的解密装置；
连接到所述解密装置的用于从所述解密的话音编码信号来产生数字话音信号的话音解码装置；和
连接到所述话音解码装置的用于将所述数字话音信号转换成所述模拟电信号的数模转换器。
13、如权利要求12所述的传声器单元，还包括在所述数模转换器和所述扬声器之间连接的放大器电路，用于放大所述模拟电信号并提供所放大的电信号给所述扬声器。
14、如权利要求11所述的传声器单元，其中所述双向无线电设备是模拟双向无线电设备。
15、如权利要求11所述的传声器单元，其中所述双向无线电设备通过标准传声器插座输出提供所述加密模拟信号。
16、如权利要求12所述的传声器单元，其中所述解密模块包括用于解密所述话音编码信号的软件。
17、如权利要求12所述的传声器单元，其中所述解密模块还包括用于存储解密密钥的存储器。
18、如权利要求12所述的传声器单元，其中所述话音解码装置是AMBE+声码器。
19、如权利要求11所述的传声器单元，其中所述解密是AES解密。
20、一种用于提供输入到双向模拟无线电设备的保密音频信号的方法，包括步骤：
提供话音输入给包含在传声器单元中的传声器来产生模拟电信号；
数字化所述传声器单元中的所述模拟电信号来产生数字话音信号；
话音编码所述数字话音信号来产生话音编码信号；
加密所述话音编码信号来产生加密信号；和
调制所述加密信号来产生输出信号，其中所述输出信号能通过包含在所述无线电设备内的传声器输入端由双向无线电设备接收。
21、如权利要求20所述的方法，还包括步骤：
在所述数字化步骤之前放大所述模拟电信号。
22、一种用于从双向模拟无线电设备接收保密信号并将所述信号转换成可接听话音的方法，包括步骤：
从所述模拟无线电设备解调所述保密信号来产生加密话音编码信号；
解密所述加密话音编码信号来产生数字话音编码信号；
话音解码所述数字话音编码信号来产生解码话音信号；
将所述解码的话音信号转换成模拟话音信号；
经扬声器输出所述模拟话音信号。
23、如权利要求18所述的方法，还包括步骤：
在经所述扬声器输出之前放大所述模拟话音信号。
24、一种用于模拟双向无线电设备间保密通信的方法，包括步骤：
提供话音输入给包含在传声器单元中的传声器来产生模拟电信号；
数字化所述传声器单元中的所述模拟电信号来产生数字话音信号；
话音编码所述数字话音信号来产生话音编码信号；
加密所述话音编码信号来产生加密信号；和
调制所述加密信号来产生第一输出信号，其中所述第一输出信号能通过包含在所述无线电设备内的传声器输入端由双向无线电设备接收；
提供所述输出信号给第一双向模拟无线电设备；
通过所述第一双向无线电设备发送广播信号；
通过第二双向无线电设备接收所述广播信号并输出表示所述广播信号的第二输出信号；
提供所述第二输出信号给第二传声器单元；
解调所述第二输出信号来产生加密话音编码信号；
解密所述加密话音编码信号来产生数字话音编码信号；
话音解码所述数字话音编码信号来产生解码话音信号；
将所述解码的话音信号转换成模拟话音信号；和
经扬声器输出端输出所述模拟话音信号。
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