專利名稱：抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種抗自適應(yīng)多速率編碼(AMR)第三代移動(dòng)通信端到端語音加密方法。 它主要適用于第三代移動(dòng)通信主流技術(shù)——寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， 基于抗AMR壓縮編碼語音加解密算法，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)芯片XC3S500E 為基礎(chǔ)平臺(tái)，是一種無線網(wǎng)絡(luò)終端的端到端安全通信方法。
背景技術(shù)：
隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)(3G)的長足發(fā)展，寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)作為 3G的主流技術(shù)之一，受到用戶越來越多的關(guān)注。用戶在關(guān)注WCDMA通信資費(fèi)、通信 速度等技術(shù)的同時(shí)，更關(guān)注其通信安全。雖然，WCDMA的安全性能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于全球 通系統(tǒng)(2G)，但是WCDMA的整個(gè)安全體系僅采用了無線信道的加密技術(shù)，只能保證 手機(jī)至基站間無線傳輸過程中語音信號(hào)的加密通信，語音信號(hào)在基站間的中繼傳輸 過程中仍是以明文形式進(jìn)行傳輸。因此WCDMA的安全體系無法保證用戶端到端的通 信安全。
在國夕卜，先后有德國、以色列、美國等國家的研究機(jī)構(gòu)和團(tuán)體對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)中手機(jī) 的端到端安全通信領(lǐng)域進(jìn)行了研究，并相繼推出了端到端2G通信網(wǎng)絡(luò)加密終端。其 中德國GSMK公司于2003年11月采用其開發(fā)的語音加密技術(shù)，發(fā)布了名為 Cryptophone的語音加密手機(jī)，該手機(jī)可使同類手機(jī)間以及安裝了專門軟件的電腦 間通話不被第三者竊聽；以色列Snapshield公司于2005年提出了一種基于GSM智 能手機(jī)的語音加密技術(shù)，并推出了與索尼愛立信T618相連的語音加密模塊 Sn即cell,該模塊能夠使手機(jī)提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的GSM安全通信;美國的TCC公司也于2006 年推出了采用語音加密技術(shù)的加密手機(jī)。然而，以上研究機(jī)構(gòu)或團(tuán)體的加密技術(shù)， 由于不具備抗RPE-LTP壓縮編碼能力，都只能通過2G網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行傳輸，這 類技術(shù)存在著明顯的缺陷第一，由于建立IP連接和運(yùn)用自動(dòng)重傳機(jī)制造成的延時(shí) 問題無法克服，其中建立連接延時(shí)可達(dá)20-30秒，處理延時(shí)0.5-l秒，因此嚴(yán)重影 響通話效果。第二，該類技術(shù)基于GSM數(shù)據(jù)通道，因此在通過不同運(yùn)營商及國際網(wǎng) 絡(luò)時(shí)存在互用性的問題，跨網(wǎng)不能互連互通。第三，不支持現(xiàn)有GSM的增值業(yè)務(wù)， 如數(shù)據(jù)通道的兩端不能使用現(xiàn)有的電話卡以及移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一些其他增值業(yè)務(wù)。
在國內(nèi)，也有一些研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)2G手機(jī)的端到端安全通信領(lǐng)域進(jìn)行了研究。如專 利申請(qǐng)?zhí)枮?00710019924.6的發(fā)明描述了抗長時(shí)預(yù)測(cè)規(guī)則脈沖激勵(lì)壓縮編碼全球通 手機(jī)語音加密方法，該方法是在全球通手機(jī)語音通信系統(tǒng)的模/數(shù)模塊和長時(shí)預(yù)測(cè)規(guī) 則脈沖激勵(lì)編解碼模塊之間，接入手機(jī)語音加/解密模塊，進(jìn)行語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音加/解密功能。該發(fā)明通過GSM網(wǎng)絡(luò)的語音通道進(jìn)行傳輸，具有抗RPE-LTP壓 縮編碼的能力，通話延遲小，能夠跨網(wǎng)互連互通，然而該發(fā)明僅針對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)端 到端安全通信，無法直接應(yīng)用于3G網(wǎng)絡(luò)。專利申請(qǐng)?zhí)?00710020992. 4的發(fā)明提出 了抗聲碼器壓縮的端到端語音加密裝置與方法，具備抗RPE-LTP壓縮編碼的能力， 可通過GSM網(wǎng)絡(luò)的語音通道進(jìn)行傳輸，但其無法克服基站濾波問題，不能實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng) 互通；并且該發(fā)明僅針對(duì)RPE-LTP壓縮編碼，無法應(yīng)用于3G網(wǎng)絡(luò)之中。
目前，針對(duì)3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中手機(jī)語音端到端安全通信的技術(shù)還未見報(bào)導(dǎo)，已有的 一些研究和專利都僅僅是針對(duì)2G網(wǎng)絡(luò)中手機(jī)的端到端安全通信。本發(fā)明描述的一種 抗自適應(yīng)多速率編碼的第三代移動(dòng)通信端到端語音加密方法，是一種全新的針對(duì)3G 網(wǎng)絡(luò)主流技術(shù)WCDMA的端到端語音加解密通信技術(shù)，其加密強(qiáng)度高，具有抗AMR壓 縮編碼的能力，語音可懂度高，語音質(zhì)量好，不存在網(wǎng)絡(luò)兼容性的問題；同時(shí)其實(shí) 現(xiàn)的語音加密過程延遲低；并且由于提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口，可接入任何WCDMA 手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口進(jìn)行端到端安全通信，具有普遍適應(yīng)性。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的在于提出一種直接在寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)網(wǎng)絡(luò) 上進(jìn)行語音信源加密和傳輸?shù)?抗自適應(yīng)多速率編碼(AMR)第三代移動(dòng)通信端到端 語音加密方法"，該方法具有抗AMR壓縮編碼的能力。采用本發(fā)明的技術(shù)，首先可以 提供WCDMA手機(jī)端到端的安全通信；其次可以大幅降低通話延遲(使延遲大概為0. 2 秒)；而且由于本發(fā)明不改變WCDMA通信系統(tǒng)語音通道的特性，跨網(wǎng)間可以互聯(lián)互通； 同時(shí)支持WCDMA通信網(wǎng)絡(luò)所有的增值業(yè)務(wù)；另外由于具有標(biāo)準(zhǔn)的語音輸入、輸出接 口，使本發(fā)明的適用性和通用性更強(qiáng)。
技術(shù)方案本發(fā)明的抗自適應(yīng)多速率編碼(AMR)第三代移動(dòng)通信端到端語音加 密方法，通過提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊與寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)手機(jī) 相連接，把WCDMA手機(jī)語音信號(hào)接入語音加解密軟、硬件模塊，進(jìn)行語音加解密運(yùn) 算，實(shí)現(xiàn)語音加解密功能。其中，所述的語音加解密硬件模塊是一個(gè)基于FPGA處理 平臺(tái)的最小硬件系統(tǒng)模塊，主要包括FPGA處理器模塊，PR0M模塊，電源模塊，A/D 模塊以及時(shí)鐘模塊五部分；所述的FPGA處理器模塊是基于FPGA芯片的硬件系統(tǒng)， 是整個(gè)語音加解密硬件模塊的核心，處理語音信號(hào)的加解密運(yùn)算；所述的PROM模塊 連接FPGA處理器模塊的數(shù)據(jù)下載接口，上電后，PR0M模塊將串行配置數(shù)據(jù)下載到 FPGA處理器模塊，完成對(duì)FPGA處理器模塊的初始化配置；所述的電源模塊連接FPGA 處理器模塊和A/D模塊的電源接口，負(fù)責(zé)供電；所述的A/D模塊連接FPGA處理器模 塊的10管腳，負(fù)責(zé)語音信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換，同時(shí)控制FPGA處理器模塊收發(fā)語音信號(hào)； 所述的時(shí)鐘模塊連接A/D模塊的時(shí)鐘接口，為A/D模塊提供脈沖振蕩波。所述的語 音加解密軟件模塊，是運(yùn)行于FPGA芯片上的軟件模塊，由語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法 模塊、語音加密/解密算法模塊、類語音合成/分解算法模塊以及語音信號(hào)同步算法 模塊四部分組成。所述的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊主要包括標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口，
7標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口， WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口；所述的標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口連 接語音話筒，提供話筒語音信號(hào)輸入；所述的標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口，連接耳機(jī)，將最 后的解密語音經(jīng)耳機(jī)輸出；所述的WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口，用于連接 WCDMA手機(jī)，負(fù)責(zé)將加密語音送給手機(jī)射頻輸出和從手機(jī)接收加密語音。
語音加解密軟件模塊存于PROM模塊中，系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA模塊在主串模式下接 收來自外部PROM的語音加解密軟件模塊，完成FPGA處理器模塊和A/D模塊的初始 化。當(dāng)手機(jī)語音進(jìn)行加/解密通信時(shí)，語音加解密軟件模塊分別運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/ 發(fā)送算法模塊、語音加密/解密算法模塊、類語音合成/分解算法模塊以及語音信號(hào) 同步算法模塊，從而實(shí)現(xiàn)手機(jī)語音的加/解密通信，加解密軟件模塊運(yùn)行的具體過程 為
1) 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA在主串模式下接收來自外部PROM的串行配 置數(shù)據(jù)，完成FPGA的初始化配置，接著FPGA通過其IO管腳向外設(shè)A/D模塊發(fā)送寄 存器命令，初始化A/D模塊。
2) 加密數(shù)據(jù)當(dāng)核心FPGA處理器模塊從A/D模塊接收到語音信號(hào)后，首先運(yùn) 行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊，把串行輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù) 信號(hào)；接著運(yùn)行語音加/解密算法模塊，對(duì)語音數(shù)據(jù)信號(hào)按特定方式進(jìn)行加密；然后 運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊，對(duì)加密后的類語音進(jìn)行類語音映射變換；再運(yùn)行語 音信號(hào)同步算法模塊，對(duì)加密后的類語音信號(hào)加上特定的同步信號(hào)；最后運(yùn)行語音 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出。
3) 解密數(shù)據(jù)當(dāng)核心FPGA處理器模塊從A/D模塊接收到加密的語音信號(hào)時(shí)， 首先運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊，把串行輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng) 的數(shù)據(jù)信號(hào)；其次運(yùn)行語音信號(hào)同步算法模塊，判斷是否找到同步信號(hào)，若否，則 仍以原同步信號(hào)位置為準(zhǔn)，運(yùn)行后續(xù)模塊操作，若是，則首先更新同步信號(hào)位置， 然后運(yùn)行后續(xù)模塊；接著運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊，對(duì)同步后的類語音信號(hào)進(jìn) 行映射逆變換；然后運(yùn)行語音加/解密算法模塊，以特定方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解密；最后 運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行 輸出。
聽述的語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、串 并/并串轉(zhuǎn)換算法以及輸出等幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)語音的接收和發(fā)送，具體方法為-
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊 進(jìn)行運(yùn)算，
2) 發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用并串轉(zhuǎn) 換算法模塊，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出；
3) 接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)，首先對(duì)串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行緩存 輸入，然后采用串并轉(zhuǎn)換算法模塊，把輸入的串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的 數(shù)據(jù)信號(hào)并行輸出。
所述的語音加/解密算法模塊包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、力卩/解密參數(shù)確定、相位加/解密算法、頻率加/解密算法、幀置亂加/解密算法以及輸出等幾 個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)語音的加密和解密運(yùn)算，具體方法為
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音加/解密算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行加/ 解密運(yùn)算，
2) 加密數(shù)據(jù)加密語音時(shí)，首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位加密算法、頻率 加密算法、幀置亂加密算法的加密參數(shù)，接著依次采用相位加密算法、頻率加密算 法、幀置亂加密算法對(duì)原語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后輸出加密后的語音數(shù)據(jù)；
3) 解密數(shù)據(jù)解密語音時(shí)，首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位解密算法、頻率 解密算法、幀置亂解密算法的解密參數(shù)，接著依次采用幀置亂解密算法、頻率解密 算法、相位解密算法對(duì)加密的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的語音數(shù)據(jù)。
所述的類語音合成/分解算法模塊包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、類語 音映射變換/逆變換、語音增強(qiáng)以及輸出等幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)類語音的合成和分解運(yùn)算， 具體方法為
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn) 行類語音合成/分解，
2) 合成數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要合成時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著進(jìn)行類語音 映射變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出合成后的類語音數(shù)據(jù)；
3) 分解數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要分解時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著進(jìn)行類語音 映射逆變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。
所述的語音信號(hào)同步算法模塊包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、同步波 形參數(shù)確定/同步相關(guān)運(yùn)算、力卩/去除同步信號(hào)以及輸出等幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同 步發(fā)送和接收端的解密恢復(fù)，具體方法為
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音信號(hào)同步算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊實(shí)現(xiàn)語 音信號(hào)的同步發(fā)送和接收端的解密恢復(fù)，
2) 加密數(shù)據(jù)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定同步波形的參數(shù)，然后加上 同步信號(hào)，最后輸出帶有同步信號(hào)的數(shù)據(jù)；
3) 解密數(shù)據(jù)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著進(jìn)行同步相關(guān)運(yùn)算確定同步波形 位置，然后去除同步信號(hào)，最后輸出純信號(hào)數(shù)據(jù)。
有益效果本發(fā)明一種抗自適應(yīng)多速率編碼(AMR)第三代移動(dòng)通信端到端語音 加密方法具有良好的功能特性實(shí)現(xiàn)了寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)手機(jī)端到端的安 全通信，加密強(qiáng)度不低于3DES;經(jīng)加解密后，語音信號(hào)的可懂度不受損失，音質(zhì)達(dá) 到WCDMA網(wǎng)絡(luò)的要求，通話可懂度》99%，滿足通信的實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)用于WCDMA網(wǎng) 絡(luò)無延遲，處理時(shí)延《200ms;支持跨網(wǎng)的互聯(lián)互通以及WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的所有增值業(yè) 務(wù)。


圖1是本發(fā)明方法在WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明方法的系統(tǒng)原理圖3是本發(fā)明方法的系統(tǒng)軟件和硬件結(jié)合示意圖4是本發(fā)明的電路原理系統(tǒng)圖5是本發(fā)明中FPGA處理器模塊和A/D模塊級(jí)聯(lián)電路原理圖(一)
圖6是本發(fā)明中FPGA處理器模塊和A/D模塊級(jí)聯(lián)電路原理圖(二)
圖7是本發(fā)明方法的系統(tǒng)軟件流程圖8是語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊流程圖9是語音加/解密算法模塊流程圖10是類語音合成/分解算法模塊流程圖11是語音信號(hào)同步模塊流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的抗自適應(yīng)多速率編碼(AMR)的第三代移動(dòng)通信端到端語音加密方法通 過提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊與寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)手機(jī)相連接，把 WCDMA手機(jī)語音信號(hào)接入語音加解密軟、硬件模塊，進(jìn)行語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音 加解密功能。其中
1. 本發(fā)明的語音加解密硬件模塊l主要包含以下幾個(gè)子模塊
1) FPGA處理器模塊4:以XC3S500E型號(hào)的FPGA芯片為核心，具有50萬個(gè) 可編程邏輯塊，用于加解密運(yùn)算。
2) PR0M模塊5:存儲(chǔ)語音加解密軟件模塊2，上電后，將語音加解密軟件 模塊2串行配置下載至FPGA處理器模塊4中。
3) 電源模塊6:提供1. 2V、 2. 5V、 3. 3V和5V電壓，為FPGA處理器模塊4、 A/D模塊7以及其他片上外設(shè)供電。
4) A/D模塊7:用于語音信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換。
5) 時(shí)鐘模塊8:向A/D模塊7提供脈沖振蕩波。
2. 本發(fā)明的語音加解密軟件模塊2包括
1) 語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9:接收時(shí)，將輸入的串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào) 轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)并行輸出；發(fā)送時(shí)，將輸入的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成
相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出。
2) 語音加/解密算法模塊10:對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行加/解密，確保加密強(qiáng)度達(dá)到 3DES的要求。
3) 類語音合成/分解算法模塊11:將加密后的信號(hào)合成符合AMR編碼要求 的信號(hào)，便于在接收端有效解碼。
4) 語音信號(hào)同歩模塊12:將加密后的信號(hào)加上同步信號(hào)輸出，便于在接收 端信號(hào)的同步接收和解密恢復(fù)。
3. 本發(fā)明提供的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊3，包括以下幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口 1)標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口提供話筒語音信號(hào)輸入。2) 標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口連接耳機(jī)，將最后的解密語音經(jīng)耳機(jī)輸出。
3) WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口用于連接WCDMA手機(jī)，負(fù)責(zé)將加密 語音送給手機(jī)射頻輸出和從手機(jī)接收加密語音。
以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明方法各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)和流程進(jìn)行詳細(xì)的說明。 具體方法為
本發(fā)明方法通過所提供的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊與寬帶碼分多址復(fù)用
(WCDMA)手機(jī)相連接，把WCDMA手機(jī)語音信號(hào)接入語音加解密軟、硬件模塊，進(jìn)行 語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音加解密功能。其中，所述的語音加解密硬件模塊1是一 個(gè)基于FPGA處理平臺(tái)的最小硬件系統(tǒng)模塊，主要包括FPGA處理器模塊4， PR0M 模塊5，電源模塊6， A/D模塊7以及時(shí)鐘模塊8;所述的FPGA處理器模塊4作為硬 件系統(tǒng)的核心，處理語音信號(hào)的加解密運(yùn)算；所述的PROM模塊5連接FPGA處理器 模塊4的數(shù)據(jù)下載接口 ，上電后，PR0M模塊5將串行配置數(shù)據(jù)下載到FPGA處理器模 塊4中，完成對(duì)FPGA處理器模塊4的初始化配置；所述的電源模塊6連接FPGA處 理器模塊4和A/D模塊7的電源接口 ，負(fù)責(zé)供電；所述的A/D模塊7連接FPGA處理 器模塊4的I0管腳，負(fù)責(zé)語音信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換，同時(shí)控制FPGA處理器模塊4收發(fā) 語音信號(hào)；所述的時(shí)鐘模塊8連接A/D模塊7的時(shí)鐘接口，為A/D模塊7提供脈沖 振蕩波。所述的語音加解密軟件模塊2，是運(yùn)行于FPGA芯片上的軟件模塊，由語音 標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9、語音加密/解密算法模塊10、類語音合成/分解算法模塊 11以及語音信號(hào)同步算法模塊12四部分組成。所述的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊 3主要包括標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口，標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口， WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接 口；所述的標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口連接語音話筒，提供話筒語音信號(hào)輸入；所述的標(biāo)準(zhǔn) 耳機(jī)輸出接口，連接耳機(jī)，將最后的解密語音經(jīng)耳機(jī)輸出。所述的WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn) 語音輸入輸出接口，用于連接WCDMA手機(jī)，負(fù)責(zé)將加密語音送給手機(jī)射頻輸出和從 手機(jī)接收加密語音。
所述的語音加解密軟件模塊2運(yùn)行的具體過程為-
1) 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA在主串模式下接收來自外部PROM的串行配 置數(shù)據(jù)，完成FPGA的初始化配置，接著FPGA通過其IO管腳向外設(shè)A/D模塊發(fā)送寄 存器命令，初始化A/D模塊。
2) 加密數(shù)據(jù)核心FPGA處理器模塊從A/D模塊接收到語音信號(hào)后，首先運(yùn)行 語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9，把串行輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù) 信號(hào)；接著運(yùn)行語音加/解密算法模塊10，對(duì)語音數(shù)據(jù)信號(hào)按特定方式進(jìn)行加密；然 后運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊11，對(duì)加密后的類語音進(jìn)行類語音映射變換；再運(yùn) 行語音信號(hào)同步算法模塊12，對(duì)加密后的類語音信號(hào)加上特定的同步信號(hào)；最后運(yùn) 行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊6,把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行 輸出。
3) 解密數(shù)據(jù)核心FPGA處理器模塊從A/D模塊接收到加密的語音信號(hào)時(shí)，首 先運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊6，把串行輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)
11的數(shù)據(jù)信號(hào)；其次運(yùn)行語音信號(hào)同歩算法模塊12，判斷是否找到同歩信號(hào)，若否， 則仍以原同步信號(hào)位置為準(zhǔn)，運(yùn)行后續(xù)模塊操作，若是，則首先更新同歩信號(hào)位置 后，然后運(yùn)行后續(xù)模塊；接著運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊11，對(duì)同歩后的類語音 信號(hào)進(jìn)行映射逆變換；然后運(yùn)行語音加/解密算法模塊10，以特定方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解 密；最后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊6，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù) 字信號(hào)串行輸出。
所述的FPGA處理器模塊4中的FPGA芯片的型號(hào)為XC3S500E，具有50萬個(gè)可編 程邏輯塊，用于加解密運(yùn)算。所述的電源模塊6輸入電壓為5V，輸出電壓3. 3V、 2. 5V 和1.2V;所述的A/D模塊7，正常初始化后，工作頻率為8KHZ，同時(shí)A/D模塊7控 制FPGA處理器模塊4收發(fā)語音信號(hào)，使FPGA處理器模塊4的收發(fā)語音信號(hào)頻率為 2. 048朋Z;所述的時(shí)鐘模塊8向A/D模塊7提供16. 384MHZ的時(shí)鐘。
所述的語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、 串并/并串轉(zhuǎn)換算法以及輸出等幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)語音的接收和發(fā)送，具體方法為
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊
進(jìn)行運(yùn)算，
2) 發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用并串轉(zhuǎn)
換算法模塊，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出；
3) 接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)時(shí)，首先對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行緩存輸入， 然后釆樣串并轉(zhuǎn)換算法模塊，把輸入的串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信 號(hào)并行輸出。
所述的語音加/解密算法模塊10包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、加/解 密參數(shù)確定、相位加/解密算法、頻率加/解密算法、幀置亂加/解密算法以及輸出等 幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)語音的加密和解密，具體方法為
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音加/解密算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行加/ 解密運(yùn)算，
2) 加密數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要加密時(shí)，首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位加密算法、 頻率加密算法、幀置亂加密算法的加密參數(shù)，接著依次采用相位加密算法、頻率加 密算法、幀置亂加密算法對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后輸出加密后的數(shù)據(jù)；
3) 解密數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要解密時(shí)，首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位解密算法、 頻率解密算法、幀置亂解密算法的解密參數(shù)，接著依次采用幀置亂解密算法、頻率 解密算法、相位解密算法對(duì)加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的數(shù)據(jù)。
所述的類語音合成/分解算法模塊11包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、 類語音映射變換/逆變換、語音增強(qiáng)以及輸出等幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)類語音的合成和分解， 具體方法為-
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn) 行類語音合成/分解，
2) 合成數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要合成時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出合成后的類語音數(shù)據(jù)；
3)分解數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要分解時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行
類語音映射逆變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。
所述的語音信號(hào)同歩算法模塊12包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、同歩
波形參數(shù)確定/同歩相關(guān)運(yùn)算、加/去除同歩信號(hào)以及輸出等幾個(gè)歩驟，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的
同步發(fā)送和接收端的解密恢復(fù)，具體方法為
1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音信號(hào)同步算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行信 號(hào)的同歩發(fā)送和接收端的解密恢復(fù)，
2) 加密數(shù)據(jù)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定同歩波形的參數(shù)，然后加上 同步信號(hào)，最后輸出帶有同步信號(hào)的數(shù)據(jù)；
3) 解密數(shù)據(jù)首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著進(jìn)行同步相關(guān)運(yùn)算，確定同步波 形位置，然后去除同步信號(hào)，最后輸出純粹的數(shù)據(jù)。
如圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，本發(fā)明方法通過提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模 塊與寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)手機(jī)相連接，把WCDMA手機(jī)語音信號(hào)接入語音加解 密軟、硬件模塊，進(jìn)行語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音加解密功能。應(yīng)用本發(fā)明專利方 法，語音從標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口輸入，經(jīng)語音加解密軟、硬件模塊加密處理后，通過 WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口送往WCDMA手機(jī)射頻輸出；相似的，加密語音首先 從WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口輸入，經(jīng)過語音加解密軟、硬件模塊解密后， 從標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口輸出。其中所述的語音加解密硬件模塊是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明方法的承
載平臺(tái)；所述的語音加解密軟件模塊是運(yùn)行于語音加解密硬件模塊上的軟件模塊。
如圖2本發(fā)明的系統(tǒng)原理圖所示，本發(fā)明方法通過提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接 口模塊與WCDMA手機(jī)相連接，把WCDMA手機(jī)語音信號(hào)接入語音加解密軟、硬件模塊， 進(jìn)行語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音加解密功能。其中所述的語音加解密硬件模塊1包 括FPGA處理器模塊4， PR0M模塊5，電源模塊6， A/D模塊7以及時(shí)鐘模塊8，；語 音加解密軟件模塊2則由語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9、語音加/解密算法模塊10、 類語音合成/分解算法模塊11以及語音信號(hào)同步算法模塊12組成；所述的標(biāo)準(zhǔn)語音 輸入、輸出接口模塊3主要包括標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口，標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口以及WCDMA 手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口。
初始化過程當(dāng)系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA處理器模塊4在主串模式下接收外部PR0M 模塊5的串行配置數(shù)據(jù)，完成其初始化配置，接著FPGA處理器模塊4向外設(shè)A/D模 塊7發(fā)送寄存器命令，初始化A/D模塊7。初始化過程結(jié)束后，進(jìn)行語音加解密通信。 加密過程語音從標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口輸入，經(jīng)A/D模塊7變換后輸入到FPGA處理器 模塊4進(jìn)行處理。FPGA處理器模塊4在A/D模塊7的時(shí)鐘信號(hào)的控制下調(diào)用語音標(biāo) 準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9接收語音數(shù)據(jù)，再依次調(diào)用語音加/解密算法模塊10、類語 音合成/分解算法模塊11以及語音信號(hào)同步算法模塊12，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加密，最 后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9向A/D模塊7發(fā)送加密語音。A/D模塊7接收 到加密語音后，先數(shù)/模轉(zhuǎn)換，再通過WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口將加密語音經(jīng)過WCDMA手機(jī)射頻輸出。語音解密過程加密語音從WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸 出接口輸入，經(jīng)A/D模塊7處理后，在A/D模塊7的時(shí)鐘信號(hào)的控制下，F(xiàn)PGA處理 器模塊4調(diào)用語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9接收語音數(shù)據(jù)，再依次調(diào)用語音信號(hào)同 步算法模塊12、類語音合成/分解算法模塊11以及語音加/解密算法模塊10，對(duì)加 密語音進(jìn)行解密，最后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9向A/D模塊7發(fā)送解密語 音。A/D模塊7在收到解密語音后，先進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，再通過標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口輸 出。
如圖3所示，本發(fā)明的FPGA處理器模塊4為整個(gè)系統(tǒng)的加解密運(yùn)算核心，而語 音加解密軟件模塊2的最后實(shí)現(xiàn)形式是作為固件的方式存儲(chǔ)于PR0M模塊5中。系統(tǒng) 上電后，F(xiàn)PGA處理器模塊4在主串模式下接收存儲(chǔ)于PR0M模塊5中的語音加解密軟 件模塊2，完成其初始化配置，接著FPGA處理器模塊4向外設(shè)A/D模塊7發(fā)送寄存 器命令，初始化A/D模塊7。此時(shí)，初始化結(jié)束，語音加解密軟件模塊2運(yùn)行于FPGA 處理器模塊4上，將通過FPGA處理器模塊4的10接口與外設(shè)A/D模塊7交互數(shù)據(jù)， 進(jìn)行加解密通信過程。
語音加密過程首先，F(xiàn)PGA處理器模塊4調(diào)入語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9 在A/D模塊7時(shí)序控制下從1/0接口接收語音數(shù)據(jù)，并且進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換; 接著，運(yùn)行語音加/解密算法模塊10，對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加密；然后，運(yùn)行類語音合成 /分解算法模塊11，對(duì)加密后的類語音進(jìn)行映射變換，再次，運(yùn)行語音信號(hào)同步模塊
12，對(duì)加密后的語音數(shù)據(jù)加上同步信號(hào)；最后，再運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊
9，將語音數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后，在A/D模塊的時(shí)鐘控制下通過I/0接口把語音數(shù)據(jù) 發(fā)送給A/D模塊。
語音解密過程首先，F(xiàn)PGA處理器模塊4調(diào)入語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9 在A/D模塊7的時(shí)鐘控制下從I/0接口接收加密的語音數(shù)據(jù)，然后，分別依次運(yùn)行 語音信號(hào)同步模塊12、類語音合成/分解算法模塊11、語音加/解密算法模塊10，對(duì) 加密后的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行解密處理，最后，再運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9，將 解密后的語音數(shù)據(jù)進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換后，通過I/O接口把解密語音輸出至A/D模塊7。
本發(fā)明方法中所述的語音加/解密算法模塊10,分別采用相位加/解密算法、頻 域加/解密算法、幀置亂加/解密算法對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；所述的類語音合成/分解 算法模塊ll，釆用類語音映射變換、語音增強(qiáng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)抗AMR的語音加密；所 述的語音信號(hào)同步算法模塊12，用于為加密后的語音提供同步，通過選取一定形式 的正弦波，頻率在100-4000HZ之間，使得接收端能夠同步接收信號(hào)。
如圖4本發(fā)明的總電路原理圖所示，系統(tǒng)上電后，PROM模塊通過TDO (數(shù)據(jù)輸 出)、TMS (模式選擇)、TCK (時(shí)鐘)將系統(tǒng)程序下載到FPGA處理器模塊的程序下載 口。 FPGA處理器模塊接收到系統(tǒng)程序后，完成其初始化配置，接著在SCLK (時(shí)鐘同 步)、FS (幀同步)的作用下，從Dout (數(shù)據(jù)輸出)管腳向A/D模塊發(fā)送寄存器命令， 初始化外設(shè)的兩塊A/D芯片。其中，A/D模塊初始化后，工作頻率為8KHZ。 A/D模塊 不僅負(fù)責(zé)對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模的變換，同時(shí)向FPGA處理器模塊提供SCLK (時(shí)鐘同
14步)、FS (幀同步)信號(hào)，從而控制FPGA處理器模塊接收和發(fā)送語音數(shù)據(jù)。語音加 解密實(shí)現(xiàn)過程如下
語音信號(hào)上行部分語音從標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口輸入至上行A/D模塊，經(jīng)上行A/D 模塊采樣量化后，語音信號(hào)流在SCLK (時(shí)鐘同歩)、FS (幀同步)的作用下，從Din
(數(shù)據(jù)輸入)管腳輸入至FPGA處理器模塊的I/O管腳。在FPGA處理器模塊中進(jìn)行 如圖3所描述的語音標(biāo)準(zhǔn)接收后，進(jìn)行加密、類語音合成、加同歩信號(hào)，最后語音 標(biāo)準(zhǔn)輸出。加密的語音信號(hào)流在SCLK (時(shí)鐘同步)、FS (幀同歩)的作用下，從Dout
(數(shù)據(jù)輸出)管腳輸至上行A/D模塊進(jìn)行數(shù)/模變換，最后從WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸 入輸出接口輸出。
語音信號(hào)下行部分加密語音從WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口輸入至下行 A/D模塊，經(jīng)下行A/D模塊采樣量化后，語音信號(hào)流在SCLK (時(shí)鐘同步)、FS (幀同 步)的作用下，從Din (數(shù)據(jù)輸入)管腳輸入至FPGA處理器模塊的I/O管腳。在FPGA 處理器模塊中進(jìn)行如圖3所描述的語音標(biāo)準(zhǔn)接收后，進(jìn)行同步算法運(yùn)算、類語音分 解、解密運(yùn)算，最后語音標(biāo)準(zhǔn)輸出。解密后的語音信號(hào)流在SCLK (時(shí)鐘同步)、FS (幀同步)的作用下，從Dout (數(shù)據(jù)輸出)管腳輸出至下行A/D模塊進(jìn)行數(shù)/模變換， 最后從標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口輸出。
如圖5和圖6，為本發(fā)明的FPGA處理器模塊和A/D模塊級(jí)聯(lián)的電路原理圖。語 音信號(hào)上行部分語音信號(hào)從標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口輸入，先經(jīng)語音接收電路接收，再 經(jīng)放大電路信號(hào)放大后，通過混頻濾波電路輸入至上行A/D芯片。上行A/D芯片模 數(shù)變換后，語音信號(hào)再輸入到FPGA處理器模塊進(jìn)行加密處理。接著，加密語音信號(hào) 經(jīng)A/D芯片處理后再經(jīng)放大電路放大，通過WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口經(jīng) WCDMA手機(jī)射頻輸出。語音信號(hào)下行部分加密語音首先從WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入 輸出接口輸入，然后經(jīng)放大電路信號(hào)放大后經(jīng)混頻濾波電路輸入至下行A/D芯片。 經(jīng)下行A/D芯片變換后，加密語音信號(hào)輸入到FPGA處理器模塊進(jìn)行解密處理。解密 后的語音信號(hào)經(jīng)A/D芯片變換后再經(jīng)放大電路信號(hào)放大，最后通過標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接 口輸出。
如圖7，本發(fā)明技術(shù)的系統(tǒng)軟件運(yùn)行流程如下，系統(tǒng)在上電后執(zhí)行初始化程序， 首先完成FPGA處理器模塊和外設(shè)A/D模塊的初始化配置，然后開始正常的加解密通 信。語音加密過程時(shí)，首先運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9，接收輸入的二進(jìn)制 數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)并行輸出；接著運(yùn)行語音加/解密算法模塊10， 對(duì)語音信號(hào)按特定方式進(jìn)行加密；然后運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊11，對(duì)加密后 的類語音進(jìn)行映射變換；其次運(yùn)行語音信號(hào)同步模塊9，對(duì)加密語音信號(hào)加上特定的 同步信號(hào)；最后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9，將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的二 進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出。語音解密語音時(shí)，首先運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊9， 接收輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)并行輸出；接著運(yùn)行語音信 號(hào)同步模塊9，判斷是否獲得信號(hào)同步，若否，則不更新同步信號(hào)位置，繼續(xù)進(jìn)行后 續(xù)模塊的運(yùn)算，若是，首先更新同步信號(hào)位置，然后運(yùn)行后續(xù)模塊；接著運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊U，對(duì)同歩后的信號(hào)進(jìn)行類語音逆映射變換；再運(yùn)行語音加/ 解密算法模塊10，以特定方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行解密；最后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模 塊9，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出。如圖8，本發(fā)明技術(shù)的語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊流程所示模塊接收數(shù)據(jù)時(shí)， 首先串行數(shù)據(jù)接收，然后緩存輸入，接著采樣串并轉(zhuǎn)換算法模塊，把輸入的串行二 進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，最后并行數(shù)據(jù)輸出；模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首 先并行數(shù)據(jù)接收，然后緩存輸入，接著采樣串并轉(zhuǎn)換算法模塊，把輸入的串行二進(jìn) 制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)，最后并行輸出。如圖9，本發(fā)明技術(shù)的語音加密/解密算法模塊流程所示加密數(shù)據(jù)時(shí)，首先緩 存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位加密算法、頻率加密算法、幀置亂加密算法的加密參數(shù)， 接著依次采用相位加密算法、頻率加密算法、幀置亂加密算法對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行加密， 最后輸出加密后的數(shù)據(jù)；解密數(shù)據(jù)時(shí)，首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位解密算法、 頻率解密算法、幀置亂解密算法的解密參數(shù)，接著依次采用幀置亂解密算法、頻率 解密算法、相位解密算法對(duì)加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的數(shù)據(jù)。如圖10，本發(fā)明技術(shù)的類語音合成/分解算法模塊流程所示合成數(shù)據(jù)時(shí)，首先 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行類語音映射變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸 出合成后的類語音數(shù)據(jù)；分解數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 類語音映射逆變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。如圖ll，本發(fā)明技術(shù)的語音信號(hào)同步算法模塊流程所示加密數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì) 數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定同步波形的參數(shù)，然后加上同步信號(hào)，最后輸出帶有 同步信號(hào)的數(shù)據(jù)；解密數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著進(jìn)行同步相關(guān)運(yùn)算， 確定同步波形位置，然后去除同步信號(hào)，最后輸出純粹的數(shù)據(jù)。應(yīng)當(dāng)理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的較佳實(shí)施 例以及其技術(shù)構(gòu)思做出的各種可能的改善或是替換，而所有這些改變或是替換都應(yīng) 屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密方法，其特征在于通過提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊與寬帶碼分多址復(fù)用手機(jī)相連接，將寬帶碼分多址復(fù)用手機(jī)語音信號(hào)接入語音加解密軟、硬件模塊，進(jìn)行語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音加解密功能；其中，所述的語音加解密硬件模塊(1)是一個(gè)基于FPGA處理平臺(tái)的最小硬件系統(tǒng)模塊，主要包括FPGA處理器模塊(4)，PROM模塊(5)，電源模塊(6)，A/D模塊(7)以及時(shí)鐘模塊(8)；所述的FPGA處理器模塊(4)作為硬件系統(tǒng)的核心，處理語音信號(hào)的加解密運(yùn)算；所述的PROM模塊(5)連接FPGA處理器模塊(4)的數(shù)據(jù)下載接口，上電后，PROM模塊(5)將串行配置數(shù)據(jù)下載到FPGA處理器模塊(4)；所述的電源模塊(6)連接FPGA處理器模塊(4)和A/D模塊(7)的電源接口，負(fù)責(zé)供電；所述的A/D模塊(7)連接FPGA處理器模塊(4)的IO管腳，負(fù)責(zé)語音信號(hào)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換，同時(shí)控制FPGA處理器模塊(4)收發(fā)語音信號(hào)；所述的時(shí)鐘模塊(8)連接A/D模塊(7)的時(shí)鐘接口，為A/D模塊(7)提供脈沖震蕩波；所述的語音加解密軟件模塊(2)，是運(yùn)行于FPGA芯片上的軟件模塊，由語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊(9)、語音加密/解密算法模塊(10)、類語音合成/分解算法模塊(11)以及語音信號(hào)同步算法模塊(12)四部分組成；所述的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊(3)包括標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口，標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口以及WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口；所述的標(biāo)準(zhǔn)話筒輸入接口連接語音話筒，提供話筒語音信號(hào)輸入；標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口連接耳機(jī)，將最后的解密語音經(jīng)耳機(jī)輸出；WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口，用于連接WCDMA手機(jī)，負(fù)責(zé)將加密語音送給手機(jī)射頻輸出和從手機(jī)接收加密語音。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于語音加解密軟件模塊(2)接入語音時(shí)，語音加解密軟件模塊(2) 分別運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊(9)、語音加/解密算法模塊(10)、類語音合 成/分解算法模塊(11)以及語音信號(hào)同步算法模塊(12)，實(shí)現(xiàn)WCDMA手機(jī)語音 的加解密通信，具體方法為1)系統(tǒng)初始化系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA在主串模式下接收來自外部PROM的串行 配置數(shù)據(jù)，完成FPGA的初始化配置，接著FPGA通過其IO管腳向外設(shè)A/D模塊 發(fā)送寄存器命令，初始化A/D模塊，2) 加密數(shù)據(jù)核心FPGA處理器模塊從A/D模塊接收到語音信號(hào)后，首先運(yùn) 行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊(9)，把串行輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的 數(shù)據(jù)信號(hào)；接著運(yùn)行語音加/解密算法模塊(10)，對(duì)語音數(shù)據(jù)信號(hào)按特定方式進(jìn)行 加密；然后運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊(11)，對(duì)加密后的類語音進(jìn)行類語音映射 變換；再運(yùn)行語音信號(hào)同歩算法模塊(12)，對(duì)加密后的類語音信號(hào)加上特定的同步 信號(hào)；最后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊(9)，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn) 制數(shù)字信號(hào)串行輸出，3) 解密數(shù)據(jù)核心FPGA處理器模塊從A/D模塊接收到加密的語音信號(hào)時(shí)， 首先運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊(9)，把串行輸入的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)；其次運(yùn)行語音信號(hào)同步算法模塊(12)，判斷是否找到同步信號(hào)， 若否，則仍以原同步信號(hào)位置為準(zhǔn)，運(yùn)行后續(xù)模塊操作，若是，則首先更新同步信 號(hào)位置，然后運(yùn)行后續(xù)模塊；接著運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊(11),對(duì)同步后的 類語音信號(hào)進(jìn)行映射逆變換；然后運(yùn)行語音加/解密算法模塊(10)，以特定方式對(duì) 信號(hào)進(jìn)行解密；最后運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)發(fā)送/接收算法模塊(9)，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì) 應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于所述的FPGA處理器模塊(4)以XC3S500E型號(hào)的FPGA芯片為 加解密運(yùn)算核心；所述的電源模塊(6)輸入的電壓為5V，經(jīng)過該電源芯片的轉(zhuǎn)換 輸出電壓3.3V、 2.5V和1.2V，電源模塊(6)對(duì)FPGA處理器模塊(4)提供3.3V、 2.5V和1,2V的電壓，同時(shí)對(duì)A/D模塊(7)提供5V和3.3V的電壓；所述的時(shí)鐘模 塊(8)向A/D模塊(7)提供的時(shí)鐘頻率為16.384MHZ。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于所述的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊(3)以及標(biāo)準(zhǔn)耳機(jī)輸出接口 都采用標(biāo)準(zhǔn)3.5mm立體聲音頻連接口 ；所述的WCDMA手機(jī)標(biāo)準(zhǔn)語音輸入輸出接口 采用標(biāo)準(zhǔn)2.5mm立體聲音頻連接口 。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于語音加解密軟件模塊(2)中，所述的語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模 塊(9)包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、串并/并串轉(zhuǎn)換算法以及輸出等幾 個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)語音的接收和發(fā)送，具體方法為1)主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音標(biāo)準(zhǔn)接收/發(fā)送算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行運(yùn)算，2) 發(fā)送數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采用并串轉(zhuǎn) 換算法模塊，把數(shù)據(jù)信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)串行輸出；3) 接收數(shù)據(jù)當(dāng)接收到數(shù)據(jù)信號(hào)后，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，然后采樣串并 轉(zhuǎn)換算法模塊，把輸入的串行二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)變換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)并行輸出。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于語音加解密軟件模塊(2)中，所述的語音加/解密算法模塊(10) 包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、加/解密參數(shù)確定、相位加/解密算法、頻率 加/解密算法、幀置亂加/解密算法以及輸出等幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)語音的加密和解密，具 體方法為-1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音加/解密算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行加/ 解密運(yùn)算，2) 加密數(shù)據(jù)首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位加密算法、頻率加密算法、幀 置亂加密算法的加密參數(shù)，接著依次采用相位加密算法、頻率加密算法、幀置亂加 密算法對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，最后輸出加密后的數(shù)據(jù)；3) 解密數(shù)據(jù)首先緩存輸入數(shù)據(jù)，其次確定相位解密算法、頻率解密算法、幀 置亂解密算法的解密參數(shù)，接著依次釆用幀置亂解密算法、頻率解密算法、相位解 密算法對(duì)加密的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密，最后輸出解密后的數(shù)據(jù)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于語音加解密軟件模塊(2)中，所述的類語音合成/分解算法模塊(11)包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、類語音映射變換/逆變換、語音增強(qiáng) 以及輸出幾個(gè)步驟，實(shí)現(xiàn)類語音的合成和分解，具體方法為1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行類語音合成/分解算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn) 行類語音合成/分解，2) 合成數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要合成時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 類語音映射變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出合成后的類語音數(shù)據(jù)；3) 分解數(shù)據(jù)當(dāng)數(shù)據(jù)需要分解時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 類語音映射逆變換，再進(jìn)行語音增強(qiáng)，最后輸出分解后的語音數(shù)據(jù)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密 方法，其特征在于語音加解密軟件模塊(2)中，所述的語音信號(hào)同步算法模塊(12)包含主程序調(diào)用、接收數(shù)據(jù)、緩存輸入、同歩波形參數(shù)確定/同步相關(guān)運(yùn)算、加/去除 同歩信號(hào)以及輸出等幾個(gè)歩驟，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步發(fā)送和接收端的解密恢復(fù)，具體方 法為1) 主程序調(diào)用系統(tǒng)運(yùn)行語音信號(hào)同步算法模塊時(shí)，主程序調(diào)用該模塊進(jìn)行信 號(hào)的同步發(fā)送和接收端的解密恢復(fù)，2) 加密數(shù)據(jù)需要加密數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著確定同步波形 的參數(shù)，然后加上同步信號(hào)，最后輸出帶有同步信號(hào)的數(shù)據(jù)；3) 解密數(shù)據(jù)解密時(shí)，首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存輸入，接著進(jìn)行同步相關(guān)運(yùn)算，確 定同步波形位置，然后去除同步信號(hào)，最后輸出純粹的數(shù)據(jù)。
全文摘要
抗自適應(yīng)多速率編碼第三代移動(dòng)通信端到端語音加密方法是一種全新的針對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)主流技術(shù)寬帶碼分多址復(fù)用(WCDMA)的端到端語音加密方法。該加密方法通過提供標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊與WCDMA手機(jī)相連接，把WCDMA手機(jī)語音信號(hào)接入語音加/解密軟、硬件模塊，進(jìn)行語音加解密運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)語音加/解密功能。其中，所述的語音加解密硬件模塊(1)是一個(gè)基于FPGA處理平臺(tái)的最小硬件系統(tǒng)模塊；所述的語音加解密軟件模塊(2)，是運(yùn)行于FPGA芯片的軟件模塊，對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密；所述的標(biāo)準(zhǔn)語音輸入、輸出接口模塊(3)負(fù)責(zé)提供標(biāo)準(zhǔn)的耳麥和WCDMA手機(jī)的連接口。
文檔編號(hào)H04W12/02GK101631304SQ20091018323
公開日2010年1月20日 申請(qǐng)日期2009年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月23日
發(fā)明者張卓立, 方頡翔, 睿 蔣 申請(qǐng)人:東南大學(xué)