李佳益 袁 瓊 李曉峰

北京電子科技學院,北京市 100070

0 引言

隨著公共交換網絡(Public Switched Telephone Network,PSTN)推進,網絡互聯協議(Internet Protocol,IP)化和三網融合工程的發(fā)展,使得傳統(tǒng)電話通信網由電路交換轉變至IP包交換或網絡交換。 這種轉變給通信保密技術尤其是電話加密通信技術提出了新挑戰(zhàn)和問題:

(1)IP 網絡的語音數據包通過封裝進行轉發(fā),大幅度降低了信號的連續(xù)性,并且數據封裝格式也不盡相同,因此單一的載波信號在異構通信網絡中很難“無失真”通過。 傳統(tǒng)加密方式在異構網絡中存在高成本高難度的困難。

(2)現有電話加密設備需通過調制解調器建立載波通信后才能傳輸加密信息。 這種方式是不符合IP 包語音交換網絡設備的語音編碼特性和通信特性。

為解決以上問題,有研究者提出基于正交頻分復用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術的類語音調制解調方法[1]。 雖然這種方法能夠將加密后的亂置數據調制成具有語音特征的類語音信號,經過聲碼器傳輸并在接收端解調后得到較小誤碼率,但是無法滿足高調制速率下的誤碼率,同時由于加入了卷積碼和循環(huán)前綴會使得傳輸數據量增大,進而無法提高通話質量。

本文分析了多種多載波調制解調技術后,提出基于通用濾波多載波(Universal Filtered Multi-Carrier,UFMC)技術的類語音調制解調方法應用于移動通信網語音加密中。 UFMC 是5G 通信候選波形之一,結合了OFDM 和濾波器組多載波調制(Filter Bank Multicarrier, FBMC) 的優(yōu)點[2-4],能夠有效降低帶外泄露和提高頻譜利用率。 經該方法調制得到的類語音信號不僅能夠順利通過信道聲碼器編解碼,以低誤碼率實現數據還原,同時利用UFMC 技術特性可實現較高頻譜利用率,減少循環(huán)前綴的開銷和保證高調制速率,提高了傳輸吞吐率,進而提升了通話質量。

1 類語音調制技術背景

由于語音通信網絡中壓縮編碼機制和語音活動檢測(Voice Activity Detection,VAD)機制的存在,所以通過傳統(tǒng)調制解調器傳輸加密語音數據,調制后的信號不具備語音的特征形式,通過IP 語音網絡的聲碼器時,對調制信號進行了有損壓縮,故接收端難以正確恢復出語音[5-6]。 因此為了實現加密數據具有抗聲碼器壓縮編解碼傳輸能力,類語音調制解調技術需要將數據比特流轉換成類語音信號[7]。 總結現有類語音調制技術路線,將其歸為以下兩類:基于語音模型技術與基于信道模型技術。

基于語音模型的類語音調制解調技術主要思路是將加密信息隱藏于語音明文,將加密數據視為某種語音壓縮的獨段序列,根據語音合成模型調制成相應的類語音波形。

文獻[8]設計了一種基于碼本映射的帶糾錯類語音調制解調器,其內部存儲最優(yōu)碼本,通過基于模擬退火的映射關系建立波形映射,能夠以較低誤碼率實現加密數據在語音信道中的傳輸。

文獻[9]提出了一種適用于多種聲碼器算法的類語音調制算法,該方法采用基于語料庫的數據波形映射法,首先對TIMIT 語料庫進行預處理得到碼本搜索空間,再利用增量搜索算法對其進行優(yōu)化,最終生成最優(yōu)碼本。

基于信道模型的類語音調制解調技術主要思路是將聲碼器看成一個有損信道,然后使用數字帶通調制利用幅度、頻率和相位等調制參數將加密數據加載至幅頻特性較好的頻段。

文獻[10]利用OFDM 調制算法將數據調制到類語音信號上,利用OFDM 技術該算法能夠實現較高速率的安全傳輸。

文獻[1]同樣設計了基于OFDM 技術的類語音調制解調技術,其將加密后的語音數據承載到調制信號上,該信號的頻率被限制在GSM 聲碼器帶通頻率范圍內,能以較小的失真通過GSM 聲碼器信道,從而實現數據抗聲碼器壓縮傳輸。

基于語音模型的類語音調制解調技術能夠實現加密數據的低誤碼率傳輸,但是其發(fā)射機和接收機結構復雜度高、算法開銷較大;基于信道模型的類語音調制解調技術目前主要采用OFDM 作為調制基礎,利用OFDM 技術和卷積糾錯碼來保證信號的正確傳輸,但是基于OFDM的調制技術無法保證高速率下的低誤碼率傳輸。

2 基于UFMC 類語音調制解調技術

基于UFMC 的類語音調制解調技術主要是利用UFMC 技術優(yōu)點以及相關調制參數實現加密數據以語音形式在語音信道中實現高速率低誤碼率傳輸。 對比基于OFDM 技術的調制方法,擁有更低誤碼率,生成類語音信號有著更高的頻譜利用率;對比基于語音模型的調制方法,系統(tǒng)復雜度低,算法開銷小。

2.1 通用濾波多載波技術

UFMC 技術是一種基于濾波器的多載波傳輸方案,將整個帶寬分為多個子載帶,再對每組連續(xù)的子載波進行濾波處理[11]。 UFMC 可以視作正交頻分復用和濾波器組多載波[12-14]的結合,其保留了OFDM 和FBMC 的優(yōu)點又避免了各自的缺點,從而達到性能的優(yōu)化。 與FBMC 相比,許多子載波同時進行濾波使得UFMC 的濾波器長度大大降低,時域符號間沒有重疊,UFMC 可以和正交振幅調制( Quadrature Amplitude Modulation,QAM)技術結合,具有較好的兼容性;與OFDM 相比,UFMC 在時間受限和頻帶受限的通信中有更好的波形頻譜效率,在碎片化頻譜資源應用場景下能取得更好的頻譜效率。

UFMC 系統(tǒng)模型圖如圖1 所示,UFMC 系統(tǒng)將發(fā)送端數據載波上的傳輸信號分為若干個不重疊的子帶[S1,S2,S3…Sn],對每個子帶進行N點快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)處理,并經過子帶濾波器濾波處理,得到若干連續(xù)的子載波,最后將調制后各子帶上的數據疊加在一起形成UFMC 信號。 接收端將接收信號進行2N 點快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT),進行信道均衡以及濾波器均衡處理,恢復出原始的發(fā)送數據。

圖1 UFMC 系統(tǒng)模型圖

2.2 系統(tǒng)設計說明

基于UFMC 類語音調制解調語音加密通信的原理圖如圖2 所示,語音信號經過語音編碼后,進行加密處理,加密數據經過UFMC 類語音調制技術轉換成可以在語音信道中傳輸的類語音信號,隨后經過該信道原有的聲碼器壓縮編解碼后在通信網傳輸。 接收端將類語音信號進行解調,進行解密后,通過語音解碼后還原對方的語音。

圖2 基于UFMC 類語音調制語音加密通信原理圖

為了能夠將UFMC 技術應用于語音加密通信中,調制信號不僅需要具備語音特征同時還應順利通過信道聲碼器編解碼與VAD 檢測,才能在接收端順利解碼從而獲取正確數據。 本文主要研究適用于VoIP(Voice over Internet Protocol)信道下G.729 聲碼器,根據其特點,設計了UFMC 調制解調傳輸系統(tǒng)模塊和UFMC 發(fā)射接收機參數結構。

圖3 是傳輸系統(tǒng)模塊圖,首先對加密數據流進行卷積編碼操作,然后通過UFMC 調制模塊轉換為類語音信號,經過G.729 語音壓縮編碼后在信道中傳輸,接收端經過G.729 解壓縮解碼后通過UFMC 解調模塊,然后通過卷積解碼操作恢復出原始數據。

圖3 傳輸系模塊圖

(1)卷積編譯碼模塊

加入卷積編譯碼模塊目的是為了降低類語音信號在語音信道中傳輸時受到信道干擾和聲碼器壓縮編解碼的影響。 卷積碼是一種非分組碼,每個碼段的監(jiān)督碼元不僅與本組的信息碼元有關,而且與前段的信息碼元有關,因此卷積碼是有記憶的編碼。 由于卷積碼充分利用了各碼組之間的相關性,在編碼器復雜度相同的情況下,性能優(yōu)于分組碼,在語音通信中得到廣泛應用。

(2)G.729 編譯碼模塊

G.729 語音編碼標準是國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)于1996年3 月制定的電話帶寬的語音編碼標準,是可用于PSTN 網絡的第四代語音編碼標準。 由于G.729 編解碼器具有很高的語音質量和很低的延時,而且在有隨機比特誤碼、發(fā)生幀丟失和多次轉接等情況下有很好的穩(wěn)定性[13-14],被廣泛應用在數據通信的各個領域,特別是在VoIP 語音通話技術中。 G.729 編碼方案對輸入語音性質的模擬信號使用8KHz 采樣,算法幀長為10ms,每幀包含80 個數據采樣點。 在仿真實驗,本文使用ITU 官網提供CodeC 源碼進行編譯得到G.729 編解碼器。 同時,使用CoolEdit 軟件將類語音信號轉換為8KHz 采樣,16 比特線性編碼的PCM 信號進行編解碼傳輸。

(3)UFMC 調制解調模塊

由于使用類語音調制后的語音幀格式需要在接收端對齊和解調,所以本文生成語音幀長度為10ms 且?guī)L度與UFMC 符號長度對應。 根據UFMC 符號長度計算公式(1)可知:UFMC 符號長度與UFMC 系統(tǒng)IFFT 點數與子帶濾波器長度之和有關;根據公式2 可知:UFMC 系統(tǒng)IFFT點數應該大于子帶長度與子帶數的乘積(即子載波長度)。 又因為UFMC 系統(tǒng)IFFT 點數應該為2 的冪次,根據公式(1)、公式(2)且為了調制更多有效子載波,本文設置UFMC 符號長度LenUFMC= 80, UFMC 系統(tǒng)IFFT 點數NumIFFT=64,子帶濾波器長度Lenfilter= 17。

設子帶數為n,子帶長度為m,載波頻率間隔為f,數據傳輸速率為Rb,UFMC 符號周期(符號長度)為TUFMC=10ms,載波調制方式為QAM,每個子載波可以調制k 比特數據。 G.729 聲碼器能夠處理的語音頻段300～3400Hz[15],即頻率上限Fm= 3.4KHz。 根據公式(3)在4-QAM 調制方式(每個子載波能承載2bits信息,k=2)下可得最高有效子載波速率應在6800bps左右,使用16-QAM 或64-QAM 調制方式則可以獲得更高的調制速率。

根據公式(4)、公式(5)可得在最高調制速率下子載波數應取32(＜34)。

根據子載波數量,設置子帶數Numsubband=4,子帶長度Sizesubband= 8,子帶濾波器采用切比雪夫濾波器,所以經設計的UFMC 發(fā)射機和接收機參數如表1 所示。

表1 參數選擇

3 仿真實驗分析

在仿真實驗中采用UFMC 和OFDM 兩種類語音調制方法,設置10s加密語音作為原始的輸入數據,由于加密數據亂置隨機特性,即為1000(幀)二進制隨機數,UFMC 調制參數依據表1 進行設置。 下面將從調制波形、頻譜分析、誤碼率、吞吐率四個方面對仿真實驗結果進行分析說明。

3.1 調制波形分析

圖4(左)是將加密語音數據經過UFMC 調制算法得到的類語音波形圖。 從圖中可以看出,調制后數據波形具有較好類語音特性。 為了驗證調制信號的傳輸特性,將此調制信號經過G.729 聲碼器進行壓縮編碼和解碼,得到接收端波形如圖4(右)所示。 對比發(fā)送端調制信號和接收端解調信號,其時域波形總體上呈相似分布,由此結果可知調制信號能夠順利通過聲碼器壓縮編碼和VAD 檢測,從而保證語音數據完整地傳輸到接收端進行正確解密。 調制信號具有語音信號的基本特征,盡管“聽起來”類似噪聲,但實際上與噪聲信號形式是完全不同的。 噪聲化的加密信號雖然能夠保證安全性,但是無法透過聲碼器,所以滿足端到端通信的要求,而經過UFMC 類語音調制后信號則可以實現加密語音傳輸過程中的端到端通信。

圖4 UFMC 類語音調制生成的語音信號波形(左) ,UFMC 類語音信號經信道壓縮后的語音信號波形(右)

3.2 頻譜對比分析

本文采用同樣的密文輸入數據,分析對比了基于UFMC 類語音調制技術生成信號頻譜圖(圖5 左)和基于OFDM 類語音調制技術生成信號頻譜圖[1](圖5 右)。 從圖5(左)中可以看出,該信號的頻率范圍在500Hz～2000Hz之間,符合G.729 聲碼器的頻率范圍(300Hz～3400Hz,超過該頻率范圍的信號經過聲碼器后畸變嚴重)。使用本文設計UFMC 類語音調制技術得到的信號頻率范圍具有普遍廣泛性,且語音信號頻譜圖的頻率分布集中且穩(wěn)定,更加符合G.729 聲碼器頻率選擇范圍,頻譜帶外泄露明顯降低。

圖5 UFMC 語音信號頻譜圖(左),OFDM 語音信號頻譜圖(右)

3.3 誤碼率分析對比

在G.729 聲碼器壓縮編碼仿真實驗中,將解調數據與輸入數據對比計算在4QAM 調制方式下的平均誤碼率為5.23%。 通過測試基于UFMC 的類語音調制解調算法和基于OFDM 的類語音調制解調算法的誤碼率,誤碼率對比情況如表2 所示。

表2 UFMC 和OFDM 誤碼率對比表

從表2 可以看到,無論在何種調制方式下,基于UFMC 的類語音調制解調方式都比基于OFDM 的類語音調制解調方式有著較小的誤碼率,有著明顯的優(yōu)勢。 同時兩種方式的誤碼率都隨著子載波攜帶數據增加而增大,這是因為調制速率的提高是通過增加有效子載波的個數來實現,當子載波個數增加超出G.729 聲碼器限制范圍時就會導致誤碼率增加。

為了進一步驗證基于UFMC 類語音調制解調技術的抗聲碼器壓縮傳輸能力,本文還對AMR 聲碼器做了仿真測試。 其誤碼率對比情況如表3 所示。

表3 AMR 聲碼器誤碼率對比表

根據仿真實驗結果,基于UFMC 的類語音調制解調技術能夠抗多種聲碼器壓縮編解碼,同時能夠以更低誤碼率進行傳輸,誤碼率對比結果如圖6 所示。

圖6 誤碼率對比圖

3.4 吞吐率分析

通過仿真實驗,本文計算了理論情況下基于UFMC 類語音調制解調算法的有效吞吐率,UFMC系統(tǒng)參數按表1 設置,根據吞吐率的計算公式:

仿真實驗結果如表4 所示。

表4 UFMC 系統(tǒng)吞吐率

從表4 可知,本文設計的基于UFMC 的類語音調制解調系統(tǒng)具有良好吞吐率,且隨著調制方式的改變(即比特率的增加),吞吐率也隨之增加。 同時需要注意的是,對比表4 和表2,系統(tǒng)吞吐率增加會導致系統(tǒng)誤碼率增加,所以在實際系統(tǒng)中需要綜合考慮誤碼率和吞吐率相關情況。

所有實驗結果表明,基于UFMC 的類語音調制解調技術具有很好的抗聲碼器壓縮性能,能保證調制語音信號通過聲碼器后保持較高的調制速率和低誤碼率。 同時對比基于OFDM 的類語音調制解調算法,本文提出的算法有著低誤碼率,調制信號能夠有更小的帶外功率泄露和更高的頻帶利用率。

4 結論

IP 軟交換及網絡交換技術在電話通信網的廣泛應用,使得傳統(tǒng)語音加密技術無法適用于此類電話通信網絡。 目前主要研究集中于將加密數據通過類語音調制技術轉變成語音波形在非加密語音業(yè)務通道上以明文語音形式傳輸,從而實現語音加密通信的需求。 本文設計了一種基于UFMC 的類語音調制解調技術,利用UFMC技術,將加密數據調制成具有語音特征的類語音信號并能夠通過語音信道聲碼器壓縮編解碼和VAD 檢測,從而能夠滿足語音加密通信的需求。仿真實驗結果表明,基于UFMC 的類語音調制解調技術在傳輸誤碼率、頻譜利用率等方面有著較好特性。 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雜,有待進一步研究。