范 超，袁 瓊，孫 瑩，李曉峰

（1.北京電子科技學(xué)院，北京 100070；2.中安網(wǎng)脈（北京）技術(shù)股份有限公司，北京 100070)

0 引 言

隨著公共交換網(wǎng)絡(luò)（Public Switched Telephone Network，PSTN）網(wǎng)IP化和三網(wǎng)融合工程的推進，傳統(tǒng)的電話通信網(wǎng)已經(jīng)逐步由原有的電路交換向IP包交換網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致原有的一些通信保密技術(shù)逐漸無法適應(yīng)當(dāng)前的通信網(wǎng)絡(luò)，尤其對電話加密技術(shù)提出了重大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有的電話加密設(shè)備，大多采用基帶編碼加密結(jié)合高頻調(diào)制方式傳輸加密信號，即必須通過調(diào)制解調(diào)器建立載波通信后，方可傳輸加密信息。這種方式不符合IP包交換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的電氣特性和通信特性，因此通信失敗率極高。由于IP包交換網(wǎng)絡(luò)不再像電路交換那樣為通信雙方建立電路連接，而是采用解析封裝和轉(zhuǎn)發(fā)方式，因此信號的連續(xù)性被大大降低，且異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)封裝格式也各有所異，單一的載波信號很難通過異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)正常通信，因此傳統(tǒng)的加密方式在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中部署，必須在網(wǎng)絡(luò)邊界部署編碼轉(zhuǎn)換設(shè)備，這無疑增加了部署的難度和成本，使得電話加密通信更加困難。

針對上述問題，國內(nèi)一直研究利用非加密語音業(yè)務(wù)通道傳輸信息的方法，其主要問題是如何保證經(jīng)過聲碼器編解碼后能基本還原語音數(shù)據(jù)[1]。但是，其核心技術(shù)如具有加密功能的類語音調(diào)制解調(diào)算法研究還不成熟，具有很大的研究空間。

本文通過研究聲碼器信道模型幅頻特性，分析抗聲碼器傳輸調(diào)制解調(diào)特性，提出基于正交頻分復(fù) 用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）技術(shù)的類語音調(diào)制解調(diào)方法。該方法將加密后的語音數(shù)據(jù)調(diào)制成具有語音特征的類語音信號，使其通過聲碼器壓縮/解壓處理過程，得到較小的誤碼率，并在接收端解調(diào)回加密數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)還原。

1 系統(tǒng)描述

聲碼器的工作是基于人的聲音特征的，經(jīng)過加密處理后的數(shù)據(jù)具有隨機性，不滿足語音編解所需要的語音特征，易被聲碼器中的語音活動檢測（Voice Activity Detection，VAD）機制認為是噪音而被過濾掉[2]。所以加密處理后的具有隨機化的數(shù)據(jù)想要在語音信道中進行傳輸，必須將其調(diào)制成具有語音功能的類語音信號，同時，接收端要將接收到的數(shù)據(jù)解調(diào)回加密數(shù)據(jù)，這就要求必須采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)。

調(diào)制解調(diào)技術(shù)是將數(shù)字信號變換成另一種形式，以適應(yīng)信道傳輸。一般是改變正弦波信號，用載波的典型特征（包括振幅、頻率和相位）承載數(shù)字數(shù)據(jù)。語音編解碼的主要目的是減少表示語音所需的比特，同時保持合格的語音質(zhì)量[3]。這種方法在得到類似輸入語音的合成語音的同時，抽樣波形卻可能明顯不同，這使得調(diào)制解調(diào)器輸出的承載數(shù)據(jù)的特征發(fā)生畸變。因此，大部分調(diào)制解調(diào)器不能直接在使用語音編解碼的信道上工作，需要重新設(shè)計一種調(diào)制解調(diào)方案。

圖1是基于OFDM的類語音調(diào)制解調(diào)傳輸原理框圖，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過基于OFDM的類語音調(diào)制技術(shù)調(diào)制到類語音載波上，形成可以在語音信道中傳輸?shù)念愓Z音信號，然后通過聲碼器進行傳輸；接收端將類語音信號進行解調(diào)，還原得到原始數(shù)據(jù)；由于聲碼器多為壓縮編解碼，類語音信號通過聲碼器后會出現(xiàn)誤碼情況，故通過卷積糾錯減少輸出數(shù)據(jù)的誤碼情況，實現(xiàn)更好的抗聲碼器壓縮傳輸效果。

圖1 基于OFDM的類語音調(diào)制解調(diào)傳輸原理框圖

2 參數(shù)配置

設(shè)計使用基于OFDM的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)進行加密語音數(shù)據(jù)傳輸時，需要考慮多種因素，首先是調(diào)制后的語音幀格式。因為經(jīng)過調(diào)制后的語音信號經(jīng)過信道并在接收端進行重新對齊和解調(diào)，因此幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要重要。其次，需要考慮單個子載波調(diào)制方式的選擇，OFDM對于各路子載波的調(diào)制參數(shù)主要包括幅度和相位，不同的參數(shù)調(diào)節(jié)會影響到生成信號的信號以及解調(diào)的準(zhǔn)確性。本文中采用了QPSK的方法進行實驗，并對通過全球移動通信系統(tǒng)（Global System For Mobile Communications，GSM）全速率聲碼器的信號進行了解調(diào)、映射。最后是載波數(shù)量和位置的選擇，載波數(shù)量及位置會影響生成信號的頻率范圍，通過對GSM全速率聲碼器進行頻譜特性分析得知，GSM全速率聲碼器可以等效為一個帶通濾波器，其通過的頻率范圍為0.1～1.5 kHz，超過該頻率范圍的信號經(jīng)過聲碼器后畸變嚴重。

由于GSM全速率聲碼器采用的編碼方式為RPE-LTP，其對語音信號的處理是8K采樣，分幀處理，每20 ms為一幀，因此，本文中生成的語音幀長度也以20 ms為單位，子載波間隔為50 Hz。由于信號可以通過的頻率范圍為0.1～1.5 kHz，即子載波的最高頻率為1.5 kHz，并且每個正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）子載波能承載2 bit的信息，因此我們可以得到最高調(diào)制速率（即子載波頻率上限）在3 000 bit左右。子載波數(shù)量乘以子載波的間隔即為子載波的最高上限，因此，在最高調(diào)制速率3 000 bit下，子載波數(shù)量最多 為30。

上述分析只是限制了最高子載波數(shù)和最高調(diào)制速率的大致范圍，本文使用的子載波數(shù)量為24，這些子載波成為有效子載波，為了能使用快速傅里葉變換（Fast Fourier Transformation，F(xiàn)FT），對映射后的數(shù)據(jù)，還需要通過補零的方式將其擴展成2的次冪數(shù)量，補零的子載波稱之為虛擬子載波[4]。具體的參數(shù)設(shè)計和載波分配方式如表1和圖2所示。

表1 參數(shù)選擇

圖2 QPSK方式下子載波選擇和分配

分配時，根據(jù)快速傅里葉逆變換（Inverse Fast Fourier Transform，IFFT）的性質(zhì)，為了得到實信號方便進行傳輸，在完成比特的映射之后還需在后面填補其共軛對稱部分，從而使經(jīng)過IFFT生成的信號為實信號。在實際傳輸語音幀是需要在數(shù)據(jù)前加入循環(huán)前綴和幀頭，循環(huán)前綴是將數(shù)據(jù)的最后一部分添加到數(shù)據(jù)前段，從而使接收端即使存在延時的情況下[5]，仍然可以取得完整的周期數(shù)據(jù)。在有效數(shù)據(jù)前添加幀頭的目的是為了為符號同步留下足夠的空間。在8 kHz的采樣率下，20 ms長的一幀數(shù)據(jù)點數(shù)為160，本文使用的幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 QPSK調(diào)制下的幀結(jié)構(gòu)

3 實驗結(jié)果分析

為了方便考慮，本次仿真實驗省略了導(dǎo)頻的插入，此外，在輸入端使用隨機二進制數(shù)（加密后的數(shù)據(jù)具有隨機性）作為傳輸數(shù)據(jù)。調(diào)制后得到的語音波形和頻譜圖如圖4和圖5所示。從圖5中可以看出，該信號的頻率范圍在0.1～1.5 kHz之間，基本滿足通過GSM聲碼器的頻譜要求。

圖4 類語音調(diào)制得到的語音信號波形

圖5 類語音調(diào)制得到的語音信號頻譜圖

將調(diào)制信號經(jīng)過聲碼器信道進行傳輸，得到的接收端信號如圖6所示。

圖6 接收端語音信號波形

首先通過對調(diào)制語音信號和接收端語音信號的時域波形進行直接觀察，可以發(fā)現(xiàn)總體上波形具有很高的相似性，可見信號在傳輸后保持了完整性，沒有被VAD機制所過濾，保證數(shù)據(jù)不被丟失。將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過判決映射表示成比特的形式得到比特流，與原始的隨機二進制數(shù)進行對比并計算得到誤碼率。經(jīng)計算，QPSK下的平均誤碼率為0.5%，之后采用卷積碼進行糾錯，誤碼率為0。

通過不斷測試，得到不同調(diào)制速率下的誤碼率情況，統(tǒng)計得到圖7所示的誤碼率波形圖。

圖7 不同調(diào)制速率下誤碼率

從圖7可以看到，隨著調(diào)制速率的提高，誤碼率也在提高。調(diào)制速率低于2 700 bit時，可以通過卷積碼進行糾正，最終得到誤碼率為0。這由于調(diào)制速率的提高是通過增加有效子載波的個數(shù)來實現(xiàn)，而子載波個數(shù)增加后，會占用更多的頻帶資源，當(dāng)最高頻率超出GSM聲碼器的最高頻率時，誤碼率會急劇上升。因此不能同時得到高調(diào)制速率和低誤碼率。

4 結(jié) 語

實驗結(jié)果表明，本文提出的類語音調(diào)制解調(diào)算法具有很好的抗聲碼器壓縮性能，能保證調(diào)制語音信號通過聲碼器后保持較高的調(diào)制速率和低誤碼率。但是本實驗是在理想環(huán)境下進行的仿真，在實際信道中情況會更加復(fù)雜，有待進一步研究。