一種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于頻譜映射的端到端語音加密系統，包括LPC分析模塊，用于數字語音信號進行線性預測LPC分析得到LPC系數；LPC轉LSF模塊，用于將LPC系數轉換為線性譜頻率LSF系數；LSF映射模塊，用于對LSF系數按照給定的密鑰進行映射變換；LSF轉LPC模塊，用于將映射后的LSF系數轉換為LPC系數；LPC濾波模塊，用于將輸入的數字語音信號濾波得到預測殘差信號；LPC合成模塊，用于根據映射變換后的LPC系數構造合成濾波器，預測殘差信號通過構造的合成濾波器得到加密后的語音信號。保證了加密語音信號的語音特征，實現有效的語音加密。
【專利說明】
一種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統
技術領域
[0001] 本發明涉及一種語音加解密系統，具體地涉及一種基于線性預測編碼和頻譜映射 的語音加解密系統。
【背景技術】
[0002] 語音是人類獲取信息的重要手段，語音通信是現代通信中最有效最方便的手段之 一。隨著通信技術的發展，各種各樣的語音通信出現在人們的生活中。但是現實生活中的語 音通信難免地會受到安全威脅，如竊聽、電話跟蹤、電話劫持和拒絕服務等。因此，語音加密 對于保證語音的安全十分重要。語音加密的重要性表現在兩個方面:一方面，隨著人們保護 自己隱私權意識逐步上升，對語音加密的重視程度越來越高；另一方面，在軍事通信、商業 洽談、政治談判等特殊應用中，信息一旦被泄露，將會造成巨大損失，在這里語音加密十分 必要。
[0003] 然而，傳統的移動通信缺乏端到端的加密機制，移動網絡節點設備間傳輸的為經 過模數轉換的明文信息，被竊聽的風險極高。現有的移動通信過程一般經歷手機端語音信 號的模數轉化、編碼傳輸、基站解碼再編碼技術，手機端解碼數模轉換為語音信號等幾個過 程。而現有的加密手段多在編碼過程之后進行加密，再通過基站的解密解碼再編碼加密，這 種加密方式是建立在核心網絡部分安全可信的前提下，因為只考慮了無線信道部分的安 全，其明文信息對基站可見，導致系統不能為用戶提供端到端的安全通信。編碼后加密的方 式不可否認的具有加密數據少，占用信道小等優點，但其對基站透明的特點使得這種加密 方式仍存在被竊聽的風險。
[0004] 中國專利文獻CN201210055857公開了一種語音加密系統，提出了一種語音加密算 法，首先對語音信號按照設定長度分段進行時域到頻域的轉換，然后在頻域對語音信號頻 率分組置亂，最后將頻域轉換為時域形成加密后的語音信號。雖然可以在一定程度上降低 被竊聽的風險，但是，經過理論分析與實驗證明，該方法合成的加密語音信號對加解密兩端 的同步要求高，實用性較差，無法廣泛的應用。
【發明內容】
[0005] 為了解決現有技術存在的問題，本發明目的是:提供一種基于頻譜映射的端到端 語音加解密系統，基于線性預測編碼和頻譜映射，在加密端對數字語音信號進行線性預測 (LPC)分析得到LPC系數，然后將LPC系數轉換為線性譜頻率(LSF)系數，對LSF系數按照給定 的密鑰進行映射變換，再將映射后的LSF系數轉換為LPC系數，并構造出合成濾波器;另一方 面，原始語音通過線性預測，得到預測殘差信號，最后將預測殘差信號通過由映射變換后的 LPC系數所構造的合成濾波器得到加密后的語音信號，保證了加密語音信號的語音特征，實 現有效的語音加密。
[0006] 本發明的技術方案是：
[0007] -種基于頻譜映射的端到端語音加密系統，其特征在于，包括LPC分析模塊，用于 數字語音信號進行線性預測LPC分析得到LPC系數;LPC轉LSF模塊，用于將LPC系數轉換為線 性譜頻率LSF系數;LSF映射模塊，用于對LSF系數按照給定的密鑰進行映射變換;LSF轉LPC 模塊，用于將映射后的LSF系數轉換為LPC系數;LPC濾波模塊，用于將輸入的數字語音信號 濾波得到預測殘差信號;LPC合成模塊，用于根據映射變換后的LPC系數構造合成濾波器，預 測殘差信號通過構造的合成濾波器得到加密后的語音信號。
[0008] 優選的，LPC分析模塊通過以下步驟得到LPC系數：
[0009] 線性預測LPC為用過去p個樣點值s(n)來預測現在或未來樣點值愛㈨=Σ??Η - ?)? 預測誤差ε(η)為： Ρ
[0010] ε(?ι) = s(n) - S(it): = s(n) - ^ ajS(n - i) i=l
[0011 ]其中，ai為線性預測系數，n為自然數；
[0012] 線性預測LPC的Yule-Walker方程： 'Ψχχ?.^ Ψχχ?^) ·'·切;《(Ρ) 1「1 1 「erf.
[0013] Ψχχ^Χ) Ψχχ(.^) Ψχχ?Ρ ~ 1) ^ρ? _ 〇 -ψχχ(ρ) ψχχ(ρ ~ 1) - -^pp- - ο -
[0014] Levinson-Durbin 算法遞推公式為：
[001 6] Bki - 34-1，i+akkak-l，k-i，i - 1，2，…，k_l
[0017] σ| = (1 - |α^|2)σ1_!，σ〇 = φχχ(〇)
[0018] 由此可以求解出兩階線性預測的預測系數ai，i = l，2, . . .，p。
[0019] 優選的，所述LPC系數轉換為線性譜頻率LSF系數包括以下步驟：
[0020] ρ階線性預測濾波器函數為：
[0022] 定義，P(z)=A(z)+z-(p+1)A(z-(p+1)A(z-〇
[0023] 貝丨 J
[0024] 當階數ρ為偶數時有：
[0027] 當階數ρ為奇數時有：
[0028] ρ7 (ζ) =Ρ(ζ)
[0030] P' (z)和Q' (z)為對稱的偶次多項式，根為復值共輒對，只需確定位于上半圓的根 即可，設在上半圓K (z)和Qlz)的根為6>14 = 1，2，一，？，其線譜頻率為根的角頻率0<?1 <JT;
[0031] 當階數P為偶數時令
[0032] Μι = ρ/2,Μ2 = ρ/2
[0033] 當階數p為奇數時令
[0034] Μι=(ρ+1)/2,Μ2=(ρ-1)/2
[0035] 利用泰勒級數展開原理，將共輒零點對數分別為施和此對應的K (z)和V (z)展開， 有M1+M2 = p，用z = e#代入，并利用余弦定理轉換有：
[0036] Ρ/7( ω )=2cosMi〇+2P/ (l)cos(Mi-l) 〇+---+2?7 (Mi-1 )cos ω+P7 (Μι)
[0037] 〇^( ω )=2(3081^0+207 (l)cos(Mi-l) 0+...+2?7 (Mi-Dcosco+Q' (Μι)
[0038] 再令x = cos ω，將上式用Chebyshev多項式Tm(x) = cos(mx)展開有：
[0039] P//(x)=2Tmi(x)+2P/ (1)Τμι-ι(χ)+···+2Ρ/ (Mi-1 )Ti(x)+P/ (Mi)
[0040] Q//(x)=2Tmi(x)+2Q/ (1)Tmi-i(x)+---+2Q/ (Mi-1 )Ti(x)+Q/ (Mi)
[0041 ]第郵介義的Chebyshev多項式Tm(x)滿足遞推Tm(x) = 2xTk-i(x)_Tk-2(x)，初值 Tq(x) =1，Ti(x) = x，求x在[1，-l]區間內，搜索P〃（x) = 0和Q〃（x) = 0的根植{xi}，而對應的LSF的 參數值《1由wi = arccosxi來確定。
[0042] 優選的，所述LSF映射模塊的映射變換包括線性映射和非線性映射，其中線性映射 分為平移映射、旋轉映射、相似映射、反演映射，非線性映射即利用各類非線性算子實現映 射。
[0043] 優選的，所述LSF系數轉換為LPC系數，包括以下步驟：
[0044] 由LSF參數ω i逆向推導Chebyshev多項式來求解，LSF參數值叫，令xk = cos c〇k，k = 1,2,…，p得中間式
[0047] 按原推導過程對應關系，由P〃（x)逆推得Ρ'(ω)和Κ(ζ)，同樣由Q〃（x)逆推得Q (ω )和Q(z)進而逆推導可得P(z)和Q(z):
[0048] Ρ(ζ)=Ρ7 (ζ)*(1+ζ_1)
[0049] Q(z) =Q7 (z)*( 1-z-1)
[0050] 則有：
[0051] A(z) = (P(z)+Q(z))/2
[0052] 由 A(z)可得 LPC 參數 ai。
[0053] 優選的，還包括加窗分幀模塊，用于對輸入的數字語音信號加窗分幀處理，即用窗 函數w(n)乘以s(n)，使得加窗語音信號s w=s(n)*w(n)。
[0054] 本發明還公開了一種基于頻譜映射的端到端語音解密系統，其特征在于，包括LPC 分析模塊，用于對加密后的數字語音信號進行線性預測LPC分析得到LPC系數;LPC轉LSF模 塊，用于將LPC系數轉換為線性譜頻率LSF系數;LSF逆映射模塊，用于對LSF系數按照密鑰進 行逆映射變換;LSF轉LPC模塊，用于將逆映射后的LSF系數轉換為LPC系數;LPC濾波模塊，用 于將輸入的加密數字語音信號濾波得到預測殘差信號;LPC合成模塊，用于根據逆映射變換 后的LPC系數構造合成濾波器，預測殘差信號通過構造的合成濾波器得到原始的語音信號。
[0055]本發明有公開了一種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統，其特征在于，包括 將模擬信號轉換為數字信號的A/D轉化模塊，對數字信號進行加密的加密模塊，對加密后的 語音信號進行編碼的信源編碼模塊，對信源編碼信號加入前向糾錯碼進行前向糾錯編碼的 信道編碼模塊，對信道編碼后的信號進行調制的調制模塊，對加密的語音信號解調為基帶 信號的解調模塊，對基帶信號前向糾錯的信道解碼模塊，進行解碼的信源解碼模塊，對信號 進行解密的解密模塊，用于進行數模轉換的D/A轉換模塊;所述加密模塊為權利要求1所述 的語音加密系統，所述解密模塊為權利要求7所述的語音解密系統。
[0056] 優選的，還包括信號調理電路，所述信號調理電路包括RC低通濾波電路和穩壓電 路。
[0057]與現有技術相比，本發明的優點是：
[0058] 1、本發明是基于線性預測編碼和頻譜映射的語音加密系統，在加密端對數字語音 信號進行線性預測(LPC)分析得到LPC系數，然后將LPC系數轉換為線性譜頻率(LSF)系數， 對LSF系數按照給定的密鑰進行映射變換，再將映射后的LSF系數轉換為LPC系數，并構造出 合成濾波器;另一方面，原始語音通過線性預測，得到預測殘差信號，最后將預測殘差信號 通過由映射變換后的LPC系數所構造的合成濾波器得到加密后的語音信號，保證了加密語 音信號的語音特征，實現有效的語音加密。
[0059] 2、解密過程是加密過程的逆過程。解密端對加密后的數字語音信號線性預測 (LPC)得到加密信號的LPC系數，然后將LPC系數轉化為線性譜頻率(LSF)系數，對LSF系數按 照密鑰逆映射，再將逆映射后的LSF系數轉換為LPC系數，并構造出語音合成濾波器;與此同 時，加密語音通過線性預測，得到預測的殘差信號，最后將預測殘差信號通過由逆映射變化 后的LPC系數構造的合成濾波器得到原始語音信號，簡單而高效地恢復出原始信號。對加解 密兩端的同步要求低，實用性較好，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0060] 下面結合附圖及實施例對本發明作進一步描述：
[0061 ]圖1為本發明語音加密系統的原理框圖；
[0062] 圖2為本發明語音解密系統的原理框圖；
[0063] 圖3為本發明語音加解密系統的語音傳輸原理框圖；
[0064]圖4為本發明語音加解密系統的結構框圖；
[0065] 圖5為原始語音信號波形圖；
[0066] 圖6為加密語音信號波形圖；
[0067]圖7為解密語音信號波形圖。
【具體實施方式】
[0068] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明了，下面結合【具體實施方式】并參 照附圖，對本發明進一步詳細說明。應該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本發 明的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本 發明的概念。
[0069] 實施例：
[0070] 如圖1所示，待加密的信號為數字語音信號，根據語音信號的短時平穩性能，為了 便于對語音信號特征參數的分析，需要對語音信號進行分幀，此處采用的分幀方法為加窗 分幀技術。與此同時，幀與幀之間平滑過渡，保證語音信號的連續性，分幀后的信號為S(n)。
[0071] 首先對語音信號幀s(n)作線性預測(LPC)分析，其p階線性預測系數&1*Ι^ν?η 8〇η Durbin算法利用自相關函數求出。考慮到線性譜頻率LSF系數具有良好的量化特性和插值 特性，并且線性譜頻率LSF可以很好地與頻譜保留的共振峰的位置和帶寬相對應，因此在語 音處理中常常直接對LSF進行控制和處理，因此本文是直接對LSF系數映射轉換。本文利用 Chebyshev法將求出的LPC系數轉為線譜對LSF參數。按照給定的密鑰選擇合適的映射方式 對LSF系數映射，此處是語音加密的主要實現部分。最后將映射后的LSF轉換為LPC系數，構 成合成濾波器，用于合成加密后的語音信號。
[0072] 另一方面，原始語音通過線性預測，得到預測殘差信號e(n)，最后將預測殘差信號 e(n)通過由映射變換后的LPC系數所構造的合成濾波器得到加密后的語音信號。至此，實現 了原始語音信號的加密。
[0073] 如圖2所示，解密過程是加密過程的逆過程。解密端對加密后的數字語音信號線性 預測(LPC)分析，得到加密信號的LPC系數，然后將LPC系數轉化為線性譜頻率(LSF)系數，按 照提供的密鑰對LSF系數逆映射，恢復出原始語音信號的LSF系數。為合成原始語音信號，需 要再將LSF系數轉換為LPC系數，并構造出語音合成濾波器;與此同時，加密語音通過線性 預測，得到預測的殘差信號，最后將預測殘差信號通過由逆映射變化后的LPC系數構造的合 成濾波器得到原始語音信號，簡單而高效地恢復出原始信號。
[0074]具體實現方法：
[0075] 由于語音信號的短時平穩性，為了避免截斷效應的產生，通常需要對輸入的語音 信號加窗分幀處理，同時也需要保證語音信號幀與幀之間的連續性。
[0076] 分幀是用可以動的有限長度窗口進行加權的方法來實現的，即用窗函數w(n)乘以 s(n)，使得加窗語音信號sw=s(n)*w(n) ·
[0077] 語音信號數字處理中常用的窗函數時矩形窗和漢明窗，表達式如下：
[0078] 矩形窗： _9] =其他值(1)
[0080] 漢明窗： r〇. 54 - 0.46 cos[2un/(N - 1)], 0 < n < (N - 1) 剛-Η 〇,η =其他值 ⑴
[0082]其中，N為幀長，η為自然數。
[0083] (1)線性預測分析
[0084] 線性預測的基本思想是用過去p個樣點值s(n)來預測現在或未來樣點值:S(M)::
[0085] s(n) - ΣΓ=1 diS(n - ?) (3)
[0086] 預測誤差ε(η)為：
[0087] ε(η) = 5(n) - s(n) = s(n) - YFi=1 di.s(n - i) (4)
[0088] 其中，ai，i = 1，2，…，p為線性預測系數，可由Levinson-Durbin算法求出， Levinson-Durbin算法利用自相關矩陣的對稱性和Toepltz性質提出了高效的遞推算法。
[0089] 線性預測的Yule-Walker方程 Ψχχ(?)…1 1 ?σ?
[0090] 'Ρλ·χ(〇) ΨχχΧΡ ~ 1) -Ψχχ?Ρ) Ψχχ(Ρ - 1) ·*· Ψχχ(〇') \iapp\ U-
[0091 ]從方程中可以看出，它共有ρ+1個方程，當k = 0，l，2,…，已知時，可以 解得aPk[k= 1，2，…，p]以及樣P+1個未知量。Levinson-Durbin算法遞推公式為：
L〇〇93」 aki = ak-i，i+akkak-i，k-i，i = l，2，···，k_l (7)
[0094] σ| = (1 - \a.kk\2 = φχχ(〇)(8)
[0095] 由此可以求解出兩階線性預測的預測系數ai，i = 1，2，…，p，式中1為中間變量。
[0096] (2)LPC系數轉換為LSF系數
[0097] 本文思想是將LPC系數轉換為LSF系數，對LSF系數進行加密，再將加密后的LSF系 數轉化為LPC系數，合成加密后的語音信號，保證合成后的加密語音信號包含有語音特性， 所以需要將LPC系數轉換為LSF系數。
[0098] 第i階線性預測誤差濾波器傳遞函數的遞推關系為：
[0099] Ai(z)=Ai_1(z)-kiZ_1A i_1(z_1) (9)
[0100] 則有P階線性預測濾波器函數為：
[0101] 4〇) = 1 - = 1,2,…p (10)
[0102] 定義：
[0103] P(z) =A(z)+z-(p+1)A(z-4 (ll)Q(z)=A(z)_z- (p+1)A(z-工）
[0104] 所以：
[0106] 可以證明，當A(z)的零點在Z平面單位圓內時，P(z)和Q(z)的零點都在單位圓上， 并且P(z)和Q(z)有共輒復根和零點沿著單位圓隨ω的增加交替出現。P( z)必定有一個根z =-1( ω =jt)，Q(z)必定有一個根z = _l。
[0107] 設P(z)的零點的零點為e#01，由于P(z)和Q(z)的零點都在單位圓上， 所以這些零點可以直接用頻率來表示：
[0108] 〇< ω?<θ?<···< Wp/2<0p/2<jT (13)
[0109] ?，"，成對出現，反映了譜的特性，所以稱之為線譜對(LSP)，由于LSF參數是頻域 參數，所以它和語音信號譜包絡的峰有更緊密的聯系。
[0110]當階數p為偶數時有
[0113] (14)
[0114] 當階數p為奇數時有
[0115] P7 (z)=P(z)
[0117] (15)
[0118] P'(z)和Q'(z)為對稱的偶次多項式，根為復值共輒對，只需確定位于上半圓的根 即可。設在上半圓K (z)和Qlz)的根為6>14 = 1，2，一，？，其線譜頻率為根的角頻率0<?1 <π0
[0119] 當階數ρ為偶數時令
[0120] Mi = p/2，M2 = p/2 (16)
[0121] 當階數ρ為奇數時令
[0122] Mi=(p+l)/2，M2=(p-l)/2 (17)
[0123] 利用泰勒級數展開原理，將共輒零點對數分別為施和此對應的Κ (ζ)和V (ζ)展開， 有Μ1+Μ2 = ρ。用z = e#代入，并利用余弦定理轉換有
[0124] Ρ/7( ω )=2cosMi〇+2P/ (l)cos(Mi-l) 〇+---+2?7 (Mi-1 )cos ω+P7 (Μι)
[0125] 〇^( ω )=2(3081^0+207 (l)cos(Mi-l) 0+...+2?7 (Mi-Dcosco+Q' (Μι)
[0126] (18)
[0127] 再令x = cos ω，將上式用Chebyshev多項式Tm(x) = cos(mx)展開有
[0128] P//(x)=2Tmi(x)+2P/ (1)Τμι-ι(χ)+···+2Ρ/ (Mi-1 )Ti(x)+P/ (Mi)
[0129] Q//(x)=2Tmi(x)+2Q/ (1)Tmi-i(x)+---+2Q/ (Mi-1 )Ti(x)+Q/ (Mi)
[0130] (19)
[0131 ]第郵介義的Chebyshev多項式Tm(x)滿足遞推Tm(x) =2xTk-i(x)_Tk-2(x)，初值To(x)= 1，Ti(x)=x，利用搜索法求出LSF參數值。以上Chebyshev多項式解法實質是求x在[1，-l]區 間內，搜索P〃（X) =〇和Q〃（X) =〇的根植{xi}，而對應的LSF的值即可由ω i = arccosxi來確 定。
[0132] LSF分析是用P個離散頻率來表示語音信號頻譜特性的一種方法，LSF系數偏差只 對該頻率附近的語音頻譜產生影響，而對其他頻率上的LSF語音頻譜影響不大。
[0133] (3)LSF映射變換
[0134] 根據提供的密鑰對LSF系數映射變換即為加密的主要過程。數據映射包括線性映 射和非線性映射，其中線性映射可以分為平移映射、旋轉映射、相似映射、反演映射等。
[0135] 本文主要根據對LSF系數ω 1的映射實現線譜頻率的映射變換過程，其中密鑰為映 射因子。由于LSF系數〇^在〇~π范圍內，所以本文采用的是旋轉映射，根據提供的密鑰實現 對LSF系數的映射變換。
[0136] (4)LSF系數轉化為LPC系數
[0137] 對于LSF轉換成LPC，由LSF參數ω!和0!逆向推倒Chebyshev多項式來求解，LSF參數 值《k，令xk = cos C0k，k=l，2,…，p得中間式：
[0140]按原推導過程對應關系，可以由P〃（x)逆推得Κ(ω)和Κ(ζ)，同樣由Q〃（x)逆推得 Q( ω )和Q(z)進而按方程(11)逆推導可得P(z)和Q(z)，而有：
[0141] P(z) =P'（z)*( 1+z-"
[0142] q(z)=q'（z)*(i-z-i) (22)
[0143] 則有：
[0144] A(z) = (P(z)+Q(z))/2 (23)
[0145] 則由A(z)可得LPC參數ai和ki。
[0146] 如圖3所示，在實際應用中，語音加解密系統包括發送端和接收端。
[0147] 發送端發送的語音信號為模擬信號，需要經過A/D采樣將模擬信號轉換為數字信 號，對數字語音信號進行加密，然后對加密后的語音信號進行編碼，加入前向糾錯碼(FEC)， 再對帶發送的基帶語音信號經過調制模塊方可進入信道進行傳輸。
[0148] 接收端收到的是由信道傳來的加密語音模擬信號。首先需要對收到的加密語音信 號解調為基帶信號，對基帶信號前向檢錯(FED)，再經過解碼模塊做相應解碼，最后經過解 密模塊恢復出原始數字語音信號，對數字語音信號經過D/A轉換模塊進行數模轉換，還原原 始語音信號。
[0149] 語音加解密系統的硬件設計的結構如圖4所示，采用中央處理器實現加密模塊與 解密模塊、編碼模塊與解碼模塊、調制模塊與解調模塊等。
[0150] 在語音加解密過程中，由模擬語音信號輸入經A/D轉換模塊采樣之后，利用中央處 理器的串口通訊模塊獲取采樣后的數字信號。利用加密模塊對輸入的信號進行加密。為了 降低傳輸帶寬，需要對加密后的數字語音信號壓縮編碼。最后進過調制模塊發送到信道中。 圖5為原始語音信號的波形圖，使用本發明加密方法進行加密處理后得到的波形圖如圖6所 不。
[0151] 在語音解密過程中，其過程與加密相反。利用中央處理器對收到的語音信號解調 為基帶信號，做相應解碼，根據密鑰對解碼后的信號解密，將數字信號通過串口由D/A輸出 為解密后的模擬語音信號。解密語音信號的波形圖如圖7所示。與圖5對比可知，這段語音在 解密之后，其中包含的語音信息能被完整的恢復出來了。
[0152] 本系統要求實現對輸入語音信號的加密功能，為使輸入信號適合信號隔離模塊的 輸入，必須對輸入信號進行調理，使其滿足隔離電路使用的TTL電平。
[0153] 為消除輸入信號的高頻抖動，系統采用數字濾波和模擬濾波兩種方式進行去抖 動，在信號調理模塊主要采用RC低通濾波電路來實現。因此本系統中的信號調理電路采用 RC低通濾波電路和穩壓電路組成，具有過流保護、浪涌保護、對輸入信號濾波去毛刺干擾、 調整信號幅度滿足后端電路處理等功能。
[0154] 本語音加解密系統選擇專用芯片實現方式中，可以選擇DSP作為主處理器，實現語 音加密、編碼、調制、解調、解碼、解密等功能。
[0155] 應當理解的是，本發明的上述【具體實施方式】僅僅用于示例性說明或解釋本發明的 原理，而不構成對本發明的限制。因此，在不偏離本發明的精神和范圍的情況下所做的任何 修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。此外，本發明所附權利要求旨 在涵蓋落入所附權利要求范圍和邊界、或者這種范圍和邊界的等同形式內的全部變化和修 改例。
【主權項】
1. 一種基于頻譜映射的端到端語音加密系統，其特征在于，包括LPC分析模塊，用于數 字語音信號進行線性預測LPC分析得到LPC系數;LPC轉LSF模塊，用于將LPC系數轉換為線性 譜頻率LSF系數;LSF映射模塊，用于對LSF系數按照給定的密鑰進行映射變換;LSF轉LPC模 塊，用于將映射后的LSF系數轉換為LPC系數;LPC濾波模塊，用于將輸入的數字語音信號濾 波得到預測殘差信號;LPC合成模塊，用于根據映射變換后的LPC系數構造合成濾波器，預測 殘差信號通過構造的合成濾波器得到加密后的語音信號。2. 根據權利要求1所述的語音加密系統，其特征在于，LPC分析模塊通過W下步驟得到 LPC系數： 線性預^ULPC為用過去P個樣點值s(n)來預巧廁在或未來樣點值S'(n)二巧 =1聽-巧， 預測誤差ε(η)為：其中，a功線性預測系數，η為自然數； 線性預測LPC的化le-^dker方程：由此可W求解出兩階線性預測的預測系數ai，i = l，2,…，P。3. 根據權利要求1所述的語音加密系統，其特征在于，所述LPC系數轉換為線性譜頻率 LSF系數包括W下步驟： P階線性預測濾波器函數為：當階數P為奇數時有：P' (Z)和Q' (z)為對稱的偶次多項式，根為復值共輛對，只需確定位于上半圓的根即可， 設在上半圓P/ (Z)和分（Z)的根為e^i，i = 1，2，…，P，其線譜頻率為根的角頻率0< ω lOi; 當階數P為偶數時令 Mi = p/2,M2 = p/2 當階數P為奇數時令 Mi= (P+1)/2,M2= (p-l)/2 利用泰勒級數展開原理，將共輛零點對數分別為化和M2對應的P/ (z)和皆（z)展開，有Ml +M2 = p，用z = e^w代入，并利用余弦定理轉換有：第m階X的Qiebyshev多項式Tm(x)滿足遞推Tm(x) = 2xTk-i(x)-Tk-2(x)，初值Τ〇(χ) = 1，Ti (x)=x，求X在[1，-1]區間內，捜索P"(x) = 0和Q"(x) = 0的根植{xi}，而對應的LSF的參數值 ω i由ω i =曰rccosxi來確定。4. 根據權利要求1所述的語音加密系統，其特征在于，所述LSF映射模塊的映射變換包 括線性映射和非線性映射，其中線性映射分為平移映射、旋轉映射、相似映射、反演映射，非 線性映射即利用各類非線性算子實現映射。5. 根據權利要求3所述的語音加密系統，其特征在于，所述LSF系數轉換為LPC系數，包 括W下步驟： 由LSF參數ω i逆向推導化ebyshev多項式來求解，LSF參數值ω k，令xk=cos ω k,k= 1， 2,…，p得中間式按原推導過程對應關系，由P" (X)逆推得P/ ( ω )和p/ (z)，同樣由Q" (X)逆推得Q( ω )和Q (z)進而逆推導可得P(z)和Q(z): P(z)=P' (z)*(l+z_i) Q(z)=Q'(z)*(l-z-i) 則有： A(z) = (P(z)+Q(z))/2 由A (z)可得LPC參數ai。6. 根據權利要求1所述的語音加密系統，其特征在于，還包括加窗分帖模塊，用于對輸 入的數字語音信號加窗分帖處理，即用窗函數w(n)乘Ws(n)，使得加窗語音信號sw=s(n)* w(n) ο7. -種基于頻譜映射的端到端語音解密系統，其特征在于，包括LPC分析模塊，用于對 加密后的數字語音信號進行線性預測LPC分析得到LPC系數;LPC轉LSF模塊，用于將LPC系數 轉換為線性譜頻率LSF系數;LSF逆映射模塊，用于對LSF系數按照密鑰進行逆映射變換;LSF 轉LP對莫塊，用于將逆映射后的LSF系數轉換為LPC系數;LPC濾波模塊，用于將輸入的加密數 字語音信號濾波得到預測殘差信號;LPC合成模塊，用于根據逆映射變換后的LPC系數構造 合成濾波器，預測殘差信號通過構造的合成濾波器得到原始的語音信號。8. -種基于頻譜映射的端到端語音加解密系統，其特征在于，包括將模擬信號轉換為 數字信號的A/D轉化模塊，對數字信號進行加密的加密模塊，對加密后的語音信號進行編碼 的信源編碼模塊，對信源編碼信號加入前向糾錯碼進行前向糾錯編碼的信道編碼模塊，對 信道編碼后的信號進行調制的調制模塊，對加密的語音信號解調為基帶信號的解調模塊， 對基帶信號前向糾錯的信道解碼模塊，進行解碼的信源解碼模塊，對信號進行解密的解密 模塊，用于進行數模轉換的D/A轉換模塊;所述加密模塊為權利要求1所述的語音加密系統， 所述解密模塊為權利要求7所述的語音解密系統。9. 根據權利要求8所述的語音加解密系統，其特征在于，還包括信號調理電路，所述信 號調理電路包括RC低通濾波電路和穩壓電路。
【文檔編號】G10L19/13GK106098073SQ201610343796
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月23日
【發明人】胡劍凌, 李楊, 張霞, 陳建榮, 張強慶, 方健
【申請人】蘇州大學