（通信与信息系统专业论文）高误码率信道中的语音纠错加密新方法.pdf

论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 师签名日期： ， 渺i 。i 矽 摘要 当通信处在工厂附近，重型机器周围、矿井或战场时，环境充满多种多样的强噪声，高 强度并且复杂的噪声使得信号在这样的环境中传输时比特误码率极高。论文针对语音信号需 在高误码率场合进行保密通信的应用背景设计了一种适用于这一特殊信道，并且将纠错与加 密融为一体的纠错加密新方法。纠错码与密码的结合一直都受到国内外通信理论研究人员的 重视，本文便是通过改进基于哈达码变换的随机校- 验编码( r a n d o mp a r i t yc o d i n g ) 实现其由纠 错编码向纠错密码的转化 论文结合语音压缩编码等内容设计了一系列高误码率信道中的语音纠错加密仿真实验， 且通过c ，m a l l a b 混合编程实现了基于哈达码变换的r p c 以及对其生成子的改进，最后论 文改写了h w k 公司提供的低速率语音压缩的部分代码用于实验的前期数据压缩。实验结果 证明了这一纠错加密方法的可行性，论文还对这种方法的纠错及加密性能进行了研究。 关键词；随机校验编码，哈达码变换，线性预测编码 a b s t r a c t c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l si nc h a u e n g i n ge n v i r o n m e n t ss u c ha si nf a c t o r i e s ， a r o u n dh e a v ym a c h i n e r ya n dm i n e ，o nt h eb a t t l e f i e l d ，0 f t e nf u l lw i t haw i d er a n g eo f e n v i r o n m e l i t a ln o i s e h i g h i n t e n s i t yn o i s ei ns u c hac o m p l e xe n v i r o n m e n tl e a dt oh i g h b i te r r o rr a t e an e wm e t h o dt h a ti m e g r a t e de r r o rc o r r e c t i o na n de n c r y p t i o nh a sb e e n d e s i g n e dt or e a l i z et h es p e e c he n c r y p t i o nc o m m b n i c a t i o ni nt h o s es p e c i a lc h a n n e l s e r r o rc o r r e c t i o na n de n c r y p t i o ni nh i g hb i te r r o rr a t ec h a n n e l sa r ec o m p l e t e db y i m p r o v i n gr p c ( r a n d o mp a r i t yc o d i n 曲t h a tb a s e do i lh a d n m a r dt r a n s f o r i b t h e c o m b i n a t i o no ne r r o rc o n t r o lc o d i n ga n dc r y p t o g r a p h yh a sb e e na “r a c t e da t t e n t i o n o fm a n yd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s r p ci sd e s i g n e d 器ae r r o r - c o r r e c t i n g c o d i n ga g a i n s tt h eh i g he r r o rr a t ea tf i r s t w h i l e t h ei m p r o v i n gr p cf u s e dt h e e r r o r - c o r r e c t i n ga n de n c r y p t i o nb yc h a r t g i n gt h ep r o j e c t o r s s e v e r a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e r i t sw h i c hp r o g r a m m e db vc m a t i a bh a db e e n d e s i g n e dt os i m u l a t et h es p e e c he n c r y p t i o na n de r r o r - c o r r e c t i n gc o m m u n i c a t i o ni n h i 曲b i te r r o rr a t ee l l a r m e l s ，s o m eo ft h ec o d ep r o v i d eb vh w kh a db e e nr e w r i t t e nf o r t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s e x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h i sn e w m e t h o d ，t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e dt h ee r r o rc o r r e c t i o na n de n c r y p t i o np e r f o r m a n c eo f t h i sn e wm e t h o d k e yw o r d s ：r a n d o mp a r i t yc o d i n g , h a d a m a r dt r a n s f o r m ，l i n e a rp r e d i c t i v ec o d i n g 2 第章绪论 第一章绪论 语音加密是语音通信安全中的一个核心的单元，它在社会的发展中发挥着越来越重要的 作用，这主要表现在两个方面：一方面，在军事通信、商务联络、政治商谈等特殊应用中， 信息一旦泄漏，将会带来巨大的损失，在这里语音加密必不可少；另一方面，随着人们保护 自己隐私权意识的提高，对语音加密的重视程度也会越来越高，使其在日常生活中的应用也 逐渐增多起来。 1 1 语音加密技术的发展 语音保密装置的研究始于1 8 8 1 年，到目前为止，语音通信保密已经经历了物理保密、 信息内容保密这样两个阶段“1 。 物理保密技术又称为线路保密技术，其研究的重点是如何不让敌对方收到本方的通信信 号。线路保密属于隐蔽式的保密通信，它使敌对方不能从本方通信线路( 包括有线和无线线 路) 上直接获取信号，或者说以不为敌对方所觉察的方式来进行通信。例如无线通信中的定 向发射、窄向发射等通信技术，就是属于这种方式。实际上，单靠线路保密技术，是很难防 止敌对方窃密的，为了最大限度地确保通信的安全，必须结合信息保密技术。 现代通信的保密，主要是依靠信息保密技术来实现。信息保密技术研究的重点是不让敌 对方译出本方的通信信息，即研究如何对传送的信号进行变换和加密、解密。这样在通信过 程中，敌对方虽然可通过各种方式窃收到本方的信号，但却解不出信号的真实内容。当前流 行的语音加密装置大多都属于信息内容保密设备，即对语音信号进行加密传输。语音保密是 在发送端把能直接听懂的语音信号搅乱，变成不能直接听憧的信号传出去，在接收端则应用 相反的变换过程，把接收到的不能直接听懂的信号再恢复成原来的语音信号。 众所周知，现代通信可分为模拟通信与数字通信。它们的主要区别在于前者是用无限个 连续值的信号来代表信息；而后者则是用有限个离散值的信号来表达信息。所以语音保密机 也可分为三类”1 ，即模拟式保密机、数字式保密机和模一数一模式保密机。模拟式保密机的 加密方式是将模拟语音信号用模拟的方法进行置乱，而经过加密的信号以模拟的形式传输出 去。数字式保密机是在发送端将模拟语音信号进行数字化，再对其进行加密，然后将这个加 密的数字信号送到线路上传输，而在接收端对这个数字信号进行相反的变换，再恢复成模拟 3 第一章绪论 的语音信号。模一数一模式保密机是将模拟语音信号变成数字信号进行加密，然后再将其恢 复成模拟信号，以模拟的形式传输出去，简单的说，就是用数字加密技术来适应模拟信道的 传输。 在模拟技术占据主导的时代，人们提出这样的方法：将语音信号以频域、时域、振幅、 二维等方法加窗、置乱、然后发送出去。实践证明，这种方法的保密性较低，语音信号剩余 理解度较高，达不到保密要求，并且对线路质量要求高。随着数字技术的发展，数字通信保 密技术逐渐取代模拟保密技术，两者相比，前者具有如下的一些特点： 由于数字通信中首先要对模拟信号进行数字化。使得信号的加密解密更容易，其加 密强度容易做得更高，对语音质量的影响较小 数字加密采用比特连续加密等算法，加密速度快，对信号的加密时延较小； 加密后的密文信号已无语音信号的基本特征。而模拟加密体制即使加密后的密文仍 然残存有语音信号的部分特征，对于经过特殊训练的人员可能从中获得有用的信息 ( 多数字加密的独立密钥量在理论上可以做到无限大。而模拟加密体制由于受到语音恢 复和解密后的语音可懂度等条件的限制，其密钥量不可能做得很大 ( 参由于数字信号处理技术和微电子技术的发展，使得数字加密设备易于实现，并且小 型化： ( d 数字加密体制易于实现通信网络加密。在密钥管理方面，可以实现密钥的自动分配。 把语音信号转化为数字信号加密后，通过网络传输，在另一端解密，就可以实现安全电话通 信。 随着人们对信息保密的研究，加密算法发展成为了三种体制，即序列密码体制、分组密 码体制和公开密钥密码体制。1 。而序列密码体制由于其对信号加密的低时延，无误码扩散等 特点，被广泛应用于数字语音通信保密系统中。现已公布的序列密码生成算法有很多种，并 且正在向混沌加密和信息隐藏的方向发展“1 。 4 第一章绪论 ( 1 ) 混沌加密在语音加密中的应用 近年来国际上相继提出了将混沌同步理论应用于保密通信领域的若干方法，其中主要 包括混沌掩盖、混沌参数调制、混沌键控( c s 目和混沌数字码分多址( c d m a ) 等同。混沌加 密基于混沌系统所具有的独特性质即对初值极端敏感性和具有高度的随机性。 混沌加密的原理与序列密码的原理相似，不同在于：一般的序列密码是利用移位寄存器 为基础的电路来产生伪随机序列作为密钥序列，而混沌加密是利用混沌系统产生混沌序列作 为密钥序列，利用该序列对明文加密，密文经信道传输，接收方用混沌同步的方法将明文信 号提取出来实现解密。 混沌序列加密是指明文数据与“乱数流”叠加产生密文，称该“乱数流”为加密序列， 它由一个密钥产生“。序列加密的数学模型如图卜1 ： 明文序列： x ”- ( x o ，x 1 ，一) ，x fe g f 国) “乱数流”： k 。一( k o ，蜀，) ，k i ( f 国) 由明文序列与“乱数流”可产生密文序列： y 。一，x ，一) ，ke g f ( q ) 其中 誓一x f + 墨，i 一啦2 ， 密钥 明文】【i ( 密文y i 图1 - 1 混沌序列加密原理 密文y i ( 明文x j ) ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) ( 卜3 ) ( 1 - 4 ) 混沌伪随机序列加解密算法目前在国内外都是研究热点“”，国内已经在d s p 芯片上实现了多 种加密算法。其中c p r s ( 单向耦合环状迭代系统) 混沌伪随机序列加解密算法效果较好。 5 第一章绪论 ( 2 ) 信息隐藏在语音加密通信中的应用 原始载体攻击者 图卜2 信息隐藏基本模型 如图卜2 整个隐藏系统主要由嵌入和提取模块构成，由密钥生成器产生伪随机序列，对 密文信息进行预加密。混合载体是指原始载体嵌入秘密信息后形成的数据流。攻击者并不知 道获得的数据中是否隐藏了信息。信息加密、隐藏技术将密语音息巧妙的隐藏在明载体语 音中，在被窃听者窃听电话时只能昕到近似于正常通话的公开的载体语音信号，无法判断其 中是否具有密文信息，达到了麻痹窃听者的目的，具有较强的隐蔽性和安全性。目前国际 上已经有利用公共电话网( 即p s t n ) ，将信息隐藏和密码等技术有机结合形成的保密通信系 统“”，其特点是设备简单，易于实现和应用。 1 2 本论文的主要研究内容及其意义 语音保密通信所牵涉的内容相当广泛，本文主要研究的是一种适用于高误码率信道中的 语音纠错加密方法，此研究在整个语音保密通信的体系中所处的位置如图1 - 3 所示。 混沌加密，信息隐藏等语音加密方法都有其突出的优点，但当加密信息需要在工厂机器 周围、矿井或在被敌军蓄意干扰的特殊强噪声高误码率信道中通信时就不得不借助特殊的差 错控制编码来消除由于强噪声或敌人其它类型的攻击所引起的高误码率。这样一来整个系统 复杂度和成本会随之增加。 6 第一章绪论 图1 - 3 语音保密通信及本文研究内容关系图 为了让纠错编码与加密相结合，1 9 7 8 年b e r l e k a m p 等人证明了一般线性分组码的译码 问题是一个n p c 问题，从而为纠错码在加密中的应用打开了大门，同年，m a c e l i e c e 利用g o p p a 码构造了第一个基于线性分组码的公钥密码体制“”。从此以后国内外很多学者利用纠错码的 特点和理论构造了各种公钥密码体制、数字签名方案、数据加密方案等，纠错码和密钥相结 合的研究得到了迅速的发展。国内也有很多学者一直致力与纠错码和密码相结合的研究，他 们也取得了一系列研究成果，如x i n m e i 数字签名方案便我国学者完成的第一个基于纠错码 的数字签名方案。 本文特别针对语音信息需要在高误码率场合进行加密通信这特殊应用背景。提出了一 种适用于高误码率信道的语音纠错加密方案，此方案中的核心编码算法一改进的基于哈达 码变换的r p c 1 兼有数据加密和纠错双重功能，而高误码率信道中的语音加密和差错控制两 7 第一章绪论 个过程合二为一也有效的简化了通信设备及通信过程。 图1 - 4 和图1 - 5 是一般的强噪声高误码率信道中的保密通信流程及应用改进的r p c 进 行纠错加密的保密通信流程的比较。 图1 - 4 通常强噪声信道中的语音保密通信基本框 图 图1 - 5 用改进的r p c 加密和差错控制的保密通信基本框图 1 3 论文的工作及结构安排 此次论文主要完成的研究内容有以下几点： ( 1 ) 使用c m a t l a b 混合编程实现了基于哈达码变换的r p c ，同时通过提出两种改进 编码生成子的方法使得改进的r p c 由单独的纠错码转换化为一种纠错加密编码。 8 第一章绪论 ( 2 ) 对研究中需要用到的语音信号进行采集、滤波、数字化并通过l p c 、c e l p 等语音 压缩算法进行压缩以供后续研究使用。 ( 3 ) 使用改进的基于哈达码变换的r p c 对压缩的语音信号进行随机校验编码实现加密和 纠错编码。然后让码流通过高误码率信道模型，接着再通过解码和解压缩算法恢复和重建出 语音信号。 ( 4 ) 对原始语音和解密出的语音进行比较，并对改进的基于哈达码变换的r p c 的加密性 能和抗噪声性能以及编解码算法复杂度进行研究。 论文的结构安排如下：论文第一章简要介绍了语音保密通信的重要性、发展现状以及本 文的主要研究内容；第二章介绍了论文研究所牵涉的基础理论包括沃尔什一哈达码变换及其 快速算法、预处理所用到的低速率语音压缩编码算法以及密码学基本知识；论文第三章详细 介绍了r p c 的编解码具体过程以及如何通过改进其生成子算法来融入数据加密功能；第四 章给出了这种适用于高误码率信道的语音纠错加密方法的仿真设计方案，并通过 c m a t l a b 混合编程实现了仿真，同时论文还分析了这种纠错加密方法的主要性能包括在 高误码率信道中的纠错性能、改进后生成子的加密性能、平均加密及解密时间算法复杂度等； 第五章对论文进行了简要的总结，并展望了论文的后续工作以及未来可以进行的提高和改 进。 本文提出的针对高误码率信道中语音纠错加密方法简单易行且便于应用和维护，具有一 定的理论研究和实际应用价值。 9 第二章理论基础 第二章理论基础 本章将对论文研究所涉及的基本理论加以介绍，由于基础理论内容广泛，这里主要针对 沃尔什2 哈达码变换及本次实验用到的快速算法、低速率语音压缩编码、密码学基本概念进 行介绍。 2 1 沃尔什一哈达码变换 2 1 1 沃尔什函数与哈达玛矩阵 沃尔什函数是一种非正弦的完备正交函数系。它仅有可能的取值：+ 1 和1 ( 0 和1 ) ，比 较适合于用来表达和处理数字信号。沃尔什函数具有理想的互相关特性。在沃尔什函数族中， 两两之间的互相关函数为。0 ”，即它们之间是正交的。 沃尔什函数w a l ( k ，0 有4 个参数，它们是时基、起始时间、振幅和列率【。 时基： 即为沃尔什函数正交区间的长度t = 【k ，u ，a p t t ，u 。 起始时问：在正交区间【k 州中，k 就是起始时间。 振幅：沃尔什函数经过归一化后只取l 两个值。 列率k ：把沃尔什函数在时基t 内( 以秒计算) 平均符号变更数目( 或通过零点) 的一半，定 义为列率。k = 0 12 哈达玛矩阵h 是由+ 1 和1 ( 或0 和1 ) 元素构成的正交方阵。把行( 或列) 看作一个函数， 这些函数都是互相正交的。具体地说，任意两行( 或两列) 的对应位相乘之和等于零，即互相 关函数为零【”。通常，2 阶哈达玛矩阵h 2 为 盼e申h ：。阳 ， 2 n 阶与n 阶哈达玛矩阵的递推关系式为 1 0 第二章理论基础 h n + 1 一 由式( 2 2 ) 可得出高阶的哈达玛矩阵。 日w 如1 【h 日一j ( 2 2 ) 沃尔什函数在【0 ，1 】区间内的取值特性和正交性，结合哈达码矩阵的结构特性，沃尔什函 数可用哈达码( h a d a m a r d ) 矩阵h 的行或列表示，利用哈达码矩阵的递推关系很容易构成沃尔 什函数序列族。 2 1 2 沃尔什哈达码变换 给定信号f ( x ) ，e o ，1 】区间上给出其采样序列妈) ，j = o 1 ，n ，即把信号f ( x ) 在区间 l i t 2 * , 0 + 1 ) 2 4 】上的值用它的采样值e 代替。设沃尔什函数w a l ( k ，x ) = w a l k ( x ) ，w a l k ( x ) 以抽样值 w k j f f , 替【1 8 】，则“x ) 的离散沃尔什变换系数a k 可以近似地表示为 24 1 a k | j 苫。f j w 埘，k 艏曩1 称上式为离散信号岛，f l ，5 - 1 的有限沃尔什变换 定义2 0 维列向量 x 军 】| 【d x 1 弩- 1 其哈达玛变换定义为： y = h h l o h 2 一一1 o h 0 1 h 1 1 h 2 一i 1 h o 2 。一1 h 1 2 。一1 x 0 x 1 ： x 2 4 一l ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 1 1 第二章理论基础 哈达玛变换也有专门设计的快速算法，可节省原变换中的重复运算，提高计算的速度。 2 1 2 哈达码变换快速算法 当哈达码矩阵阶数较高时，进行哈达码变换所花费的计算量会相当惊人，n 阶哈达码变 换的算法复杂度为d ( 2 “) ，当需要实时计算或对计算时间有要求时这么高的算法复杂度是 无法接受的。 下面简单介绍一下本文所用到的快速哈达码变换。首先对哈达码矩阵进行分解 y = h i i = 其中一一 11 o 0 ： o 0 11 00 ： o 0 o 0 11 ： o 0o 11 ： o 00 00 ： 011 00 00 00 o11 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 这是一种非常有用的分解，因为通过这种分解原来的变换式h n x 便可以改写成下式 h 。x = ( a 似( 血) ) ) ( 2 8 ) 这种形式的计算显著的减少了哈达码变换的计算量，它使得原来复杂度为d ( 2 “) 的直 接计算降低为复杂度为o ( n 2 ”) 的快速变换“”，这一改变所减少的计算量会随着n 的增加变 得非常明显。 在这种情况下要想实现风工的快速哈达码交换只要遵循下面三步便可以 ( 1 ) 构造一个少行n + l 列的全零矩阵，将z 写在第一列； 第二章理论基础 ( 2 ) 从第一列开始，将矩阵第k 列的第一，二行相加作为七+ 1 列的第一行元素，第三、 四行相加作为k + l 列的第二行元素直到完成第k 列的所有元素，再将矩阵第k 列的第一、 二行相减作为k + l 列的第少1 + 1 行元素，第三、四行相加作为k + l 列的第? 1 + 2 行元 素直到完成第k 列的所有元素。如此循环往复直到完成所有，l + 1 列为止。 ( 3 ) 提取第，l + 1 列的所有系数，这就是哈达码变换的结果。 下面举一具体实例说明这一快速变换： 工= ( 1 ，4 ，2 ，3 ，0 ，1 41 ) 7 直接哈达码变换的结果为 y = h n x = ( 1 0 ，4 2 4 ，2 ，一1 2 ，6 ，踟r 而快速算法的过程见下表 表2 - 1 快速哈达码变换举例 x 第一步 第二步第三步( 完成) 1561 0 4 l 4 - 4 - 2l一82 334- 4 0342 l- 5- 2- 1 2 4- 126 - 15 - 68 2 2 语音压缩编码 2 2 1 语音压缩编简介 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 由于在对语音进行加密之前需要对语音进行压缩以减小传输带宽，故以下简要介绍一下 语音压缩编码的发展现状。 1 3 第二章理论基础 语音的压缩编码方法归纳起来可以分为三大类：波形编码、参数编码和混合编码。波形 编码比较简单，失真最小，方法简单，但数码率比较高。参数编码的编码速率可以很低，但 音质较差，只能达到合成语音质量，其次是复杂度高。混合编码吸收了波形编码和参数编码 的优点，从而在较低的比特率上获得较高的语音质量，当前受到人们较大的关注。 自从1 9 3 7 年a f l r e e v e s 提出脉冲编码i 同制( p c m ) 以来，语音编码技术已有6 0 余年的发 展历史口”。尤其近2 0 年随着计算机和微电子技术的发展，语音编码技术得到飞速发展。 c c i t t 于1 9 7 2 年确定6 4 k b s p c m 语音编码g 7 1 1 建议，它已广泛的应用于数字通信， 数字交换机等领域，至今，6 4 k b s 的标准p c m 系统仍占统治地位。这种编码方法可以获得 较好的语音质量但占用带宽较多，在带宽资源有限的情况下不宜采用。c c i t y 于8 0 年代初 着手研究低于6 4 k b s 的非p c m 编码算法，并于1 9 8 4 年通过了3 2 k p c m 语音编码g 7 2 1 建议，它不仅可以达到p c m 相同的语音质量而且具有更优良的抗误码性能，广泛应用于卫 星，海缆及数字语音插空设备以及可变速率编码器中。随后，于1 9 9 2 年公布1 6 k b s 低延 迟码激励线性预测( l d - c e l p ) 的g 7 2 8 建议。它以其较小的延迟，较低的速率、较高的性 能在实际中得到广泛的应用，例如：可视电话伴音、无绳电话机、单路单载波卫星和海事卫 星通信、数字插空设备、存储和转发系统、语音信息录音、数字移动无线系统、分组化语音 等。 共轭代数码激励线性预测( c s a c e l p ) 的8 k b s 语音编码g 7 2 9 建议已在1 9 9 5 年1 1 月 i t u - t s g l 5 全会上通过，并于1 9 9 6 年6 月r r u - t s g l 5 会议上通过( 2 7 2 9 附件a 减少复杂 度的8 k b ，s c s 砌l p 语音编解码器，正式成为国际标准。这种编码方法延迟小，与传统p c m 相比节省8 7 5 的带宽，可以提供与3 2 k b s 的a d p c m 相同的语音质量，其音质是同档次 码速率中最优的，而且在噪声较大的环境中也会有较好多语音质量。广泛应用于个人移动通 信、低c n 数字卫星通信、高质量移动无线通信、存储艟索、分组语音和数字租用信道等 领域。其它一些国际组织或国家也积极制定自己的标准【“。 语音压缩编码技术的发展是十分迅速的，c e l p 的编码速率较低，但复杂度较高嘲，可 以在4 8 k b s 左右的码速率上获得较高质量的语音，是当今中低速率语音编码技术的主流技 术之一，许多国际标准化组织及机构纷纷将这一编码方案作为语音编码标准。在对其改善质 量、降低复杂度、减少编码延迟等方面都提出了不少新的方法，使c e l 2 在实践中得到广泛 1 4 第二章理论基础 应用。随着d s p 技术的发展，c e l p 技术还具有一定的潜力嘲，例如将g 7 2 9 扩展到6 a k b s ， 用于t d m a c d m a 移动无线系统。 目前，语音压缩编码技术主要有两个努力方向：一个是中低速率的语音编码的实用化； 另一个是如何进一步地降低其编码速率，目前已能在5 k b s - 6 k b s 的速率上获得高质量的重 建语音，下一个目标则是要在4 k b s 的速率上获得短延时、高质量的重建语音。特别是对中 长延时编码，人们正在研究其更低速率( 如4 0 0 b s - 1 2 0 0 b s ) 的编码算法，在这个过程中当 编码速率降至2 4 k b s 速率以下时阳，c e l p 算法即使应用更高效的量化技术也无法达到预 期的指标，需要其它一些更符合低速率编码要求的算法，目前比较好的算法还有正弦变换编 码( s i c ) 、混合激励线性预测编码( m e l p c ) 、时频域插值编码( t f i ) 、基音同步激励线 性预测编码( p s e l p ) 等鲫，同时还要求引入新的分析技术，如非线性预测，多精度时频分 析技术( 包括子波变换技术) 、高阶统计分析技术等，这些技术更能挖掘人耳听觉掩蔽等感 知机理，更能以类似人耳的特性作语音的分析与合成，使语音编码系统更接近于人类听觉器 官的处理方式工作，从而在低速率语音编码的研究上取得突破闭。 下面重点介绍本文保密通信方案中所使用到的两种语音压缩方法。 2 2 2l 肛编码 近年来的语音编码算法研究集中在参数编码以及混合编码方式，而线性预测分析技术则 是这两种编码算法的基础。参数编码和混合编码是基于语音产生模型的编码方法，它以尽可 能恢复重建语音的可懂度为目的，主观感觉上则努力与原始语音保持一致。l p c 是针对低速 率语音保密通信的参数编码算法，利用该算法可以合成可懂度和清晰度较高的语音t z 9 l 。 ( 1 ) l p c 线性预测分析 在语音信号分析中，可以应用信号模型化的方法。通过一个数字滤波器h ( z ) ，用有限个 参数来逼近信号模型。常用的为自回归信号模型( a r 模型) ，此时h ( z ) 为只含递归结构的全 极点模型： 酬z ) i 恚。甭g 1 一艺叩。邓 ( 2 1 1 ) 第二章理论基础 其中a ( z ) 称为逆滤波器彳( z ) 暑1 - 2 。 设逆滤波器a ( z ) 的输入和输出为s ( n ) 和e ( n ) ，则有： p o ) - s o ) 一。o ) s ( n ) 一酗置。一) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 从上式可以看出，设计一个预测滤波器系数，就是求解预测系数a 。，使得均方预测误差 e e 2 ( n ) 最小。可将e e 2 ( n ) 对各个系数求偏导，并令结果为零： o e = _ e z ( 一n ) 。o ，1 s fs p d a ； ( 2 1 4 ) 线性预测分析的过程即为求解满足上式的 a t j ，通常有2 种线性预测的解法是自相关法 和协方差法p q 。 ( 2 ) l p c 声码器 e v 0 1 ) 图2 1u c 声码器经典模 利用l p c 分析的知识可以构造出l p c 算法的声码器，语音信号的产生模型如图2 - 1 所示。当 语音为浊音时，产生以该帧语音基音周期为周期的脉冲信号e j n ) ，当语音为清音时，产生随 机噪声“n ) 。增益计算来自于信号的短时能量【3 1 1 。由图2 - 1 可以看出，构造一个声码器需要 有以下参数： ( 1 ) 基音周期。基音周期是发浊音时通过声带振动产生的脉冲串的周期。基音频率 1 6 第二章理论基础 是基音周期的倒数，在很大程度上反映了说话人的特征。一般基音频率分布在5 0 4 5 0 1 1 z 的 范围内。对应于8 0 0 0 h z 的采样，基音周期约为1 8 1 6 0 个样点。 ( 2 ) 清浊音判决。 ( 3 ) 增益跚s 。增益可以通过下式计算 觥- ( 4 ) 声道模型参数 a 1 ) 。可以用自相关法等求解得到。 2 2 3c e l p 编码 ( 2 1 4 ) 码激励线性预测( c e l p ) 使用了线性预测编码( l p c ) ，残差矢量量化，基于合成的分析 ( a n a l y s i s - b y - s y n t h e s i s ，a b s ) 以及感觉加权( p e r c e p t u a lw e i g h t i n g ) 误差等主要基本技术 3 2 1 ，它是一大类语音压缩编码算法的总称。由于它所具有的优良的性质，目前已成为中低 速率语音编码的主要算法。 图2 2 和图2 3 分别是c e l p 编码的分析原理图和合成原理图。原始语音信号先经过预 处理t 预处理主要去除直流信号。然后进行分帧，再对信号帧进行经典的线性预测分析，获 取l p 参数和l p 分析残差信号。残差信号使用特殊的矢量量化来编码，称为码激励i ，3 】。 1 7 第二章理论基础 l p c 参数 图2 - 2c e l p 编码原理框图 码书的搜索以子帧为单位进行，一般分为两级搜索过程，这不是最优过程，但算法较联 合搜索更可行。先做自适应码书搜索，这又称为基音分析。基音分析一般先做基音周期初估 计，然后在基音初估计值周围用a b s 方法闭环搜索自适应码书，本质就是获取信号的精细基 音周期和基音激励增益，其所谓的码本索引就是基音周期眇3 哪。通过闭环搜索获得最优的自 适应码矢后激励l p 合成滤波器，产生信号与原始语音的差再进行固定码书搜索。 第二章理论基础 k t 图2 - 3c e l p 解码原理图 固定码书是相对自适应码书不断更新变动而得名的，码本库是随机方法建立的，在代 数码激励中，由于码本库的特殊结构，固定码本又被称为代数码本。 固定码书搜索是在固定码书库中用与自适应码书搜索相同的a b s 方法搜索最佳固定码 矢量，上述分析获得的l p c 参数，自适应码矢的索引，自适应码矢增益，固定码矢的索引， 固定码矢增益等参数经过比特编码就完成了c e l p 的编码端算法过程。 在解码端，根据比特解码获得的固定码本索引k 以及增益g 、固定码矢激励，根据自适 应码本索引t ( p i t c h 周期) 和过去的激励信号以及增益g p ，可以获得自适应码矢激励。两 者相加，获得混合的激励，一方面用于激励l p 合成滤波器，另一方面用来更新自适应码本 库【哪。l p 合成滤波器产生输出后，再通过用l p 参数控制的后置自适应谱增强滤波展终获 得合成语音。 2 3 密码学基本概念 密码学定义了非常多的名词术语。下面简要介绍一些在保密通信中经常用到的密码学概 念和术语。 明文：发送方将要发送的消息 密文：明文被变换成看似无意义的随机消息 1 9 第二章理论基础 加密：明文到密文的变换过程 解密：由密文恢复出原来明文的过程 加密算法：对明文进行加密时所采用的一组规则 解密算法：对密文进行解密时所采用的一组规则 加密密钥：控制加密算法操作的密钥； 解密密钥：控制解密算法操作的密钥 截收者： 在信息传输和处理系统中，除了预定的接收者外，通过各种方法( 如搭线窃 听、电磁监听等) 来窃取机密消息的非授权者； 密码分析：在不( 完全) 知道保密通信系统所用密钥的条件下，通过分析从截获的密文 推断出原来明文或密钥的过程。 根据攻击者( 截收者) 获取的信息量划分，密码攻击( 密码分析) 主要有以下三种类型。 ( 1 ) 惟密文攻击 惟密文攻击假设攻击者已掌握了加密算法，并截获了部分密文，但未获取密钥。 ( 2 ) 已知明文攻击 在已知明文攻击下，假设攻击者不但掌握了加密算法，截获了部分密文，一个或多个明 文密文对( 即明文及其对应的密文) ，但未获取密钥。显然，攻击者在已知明文攻击条件下获 取的信息比在惟密文攻击条件下获取的信息要多。因此，其攻击强度高于惟密文攻击。 ( 3 ) 选择明文攻击 在选择明文攻击下，攻击者除了己知加密算法，截获了部分密文之外，还能够在加密系 统中选择特定的明文，并获取其相应的密文，这将为攻击者提供更多有关密钥的信息。因此， 选择明文攻击比己知明文攻击更加有力| 4 1 4 3 2 0 第二章理论基础 比较上述三种密码攻击类型可知，在惟密文攻击下，攻击者知道的信息量最少，因此攻 击起来最为困难h 】。这时的攻击手段一般是穷举搜索攻击( 又称强力攻击) ，即对截获的密 文依次用所有可能的密钥试译。直到得到有意义的明文。只要有足够长的计算时间和存储容 量，原则上穷举搜索法总是可以成功的。但是，任何一种能够保障安全要求的密码系统都会 使这一攻击在实际上不可行。 理想情况下，一个加密系统应该是无条件安全的。也就是说，加密算法产生的密文不能 给出惟一决定相应明文的足够信息。若没有密钥，则无论攻击者截获多少密文，花费多少时 间，都不能解密密文。然而，s h a n n o n 指出，仅当密钥至少和明文一样长时，一个加密方法 才能达到无条件安全。这样，在目前的所有加密方法中，只有一次一密加密方案( o n e t i m e p a d s ) 是无条件安全的悯。一次一密是1 9 1 7 年由m a u b o r g n e 和b e r n 提出的理想文本加密方 案，因每一个密钥字符只使用一次去加密一个明文字符而得名 4 “r l 。该方案的密钥字符必须 完全随机不重复，并且与明文一样长。这会使得密钥的生成和管理变得比较困难。因此，现 有的数据加密方法一般均使用定长密钥( 如6 4 比特、1 2 8 比特等) 而力求达到计算上安全，即 要么使破译密文的代价超过被加密信息的代价，要么使破译密文所花的时间超过信息的有用 期。 第三章基于哈达码变换的r p c 及改进 第三章基于哈达码变换的r p c 及改进 3 1 基于哈达码变换的r p c 的提出 无线通信所处的环境充满多种多样的噪声，如高斯噪声、冲击噪声等。当无线信道处在 矿井内部，工厂附近、重型机器周围或战场时，噪声源会更加复杂而且强度也将非常大，从 而使得信号在这样的环境中传输时比特误码率极高。许多的差错控制编码很难在这样恶劣的 信道中准确的传输信息。重复码有时会被作为信息在高误码率信道中传输时的信道编码。然 而，重复码不具有保密性，而且若信息量较大，则时间延迟非常严重，甚至不可接受。基于 哈达码变换的r p c ( r a n d o m p a r i t y c o d i n g ) 就是在这样的背景下提出的，它可以有效降低 在含有强干扰的信道中传输信息的比特误码率，同时又能具有一定的传信能力。 r p c 的生成子具有一定的随机性，这一特征使得r p c 编码有可能在抵抗高误码率的同 时也具有了一定的数据加密的能力，但过去r p c 的加密功能并不能得到充分发挥，因为一 直以来人们都是使用一个固定的伪随机矩阵充当生成子进行编解码，这种方法限制了其生成 子随机特性的发挥进而影响了其加密功能的实现。 论文从改变生成子的产生方法入手，提出了两种针对生成子的改进，使得生成子的随机 性这一特点得到更大的发挥，进而使得r p c 编码具备了数据加密的功能。下面介绍r p c 编 解码的流程以及论文提出的两种针对生成子的改进。 3 2 基于哈达玛变换的r p c 简介 3 2 1 哈达玛矩阵与p , p c 的编解码思想 将哈达玛矩阵h n 和- h , 组合，并且将其中的1 变成0 ，1 变成1 ，可表示k + 1 比特的 信息字对应的2 k + 1 个码字，该码的码长为2 k 比特，最小距离为2 “。如利用h 3 可得到如表 3 1 所示的编码 哪，- - 种( 8 ，4 ) 码，d w = 4 ；而( 7 4 ) h a m m i n g d m = 3 。 解码可以通过哈达玛变换实现：先将0 转换为1 ，1 转换为一1 ，然后和哈达玛矩阵h 。 相乘( 即哈达码变换) 找出变换后列矢量的最大元素的地址。就是该码字的地址，即对应的 第三章基于哈达码变换的r p c 及改进 输出信息字。这种编码利用哈达玛变换后的地址信息来解码。 表3 - 1l a s 与h 8 组合表示的编码 信息字码字 0o0000000 1 o1o10101 2o0110o11 3011o0110 40o00l111 5010110l0 600 l111oo 7ol101o01 8111111l1 91010101o 1 011001l0 0 1 11o0110o1 1 211110o0 0 1 3lo1o0101 1 4l10000ll 1 510010110 例如：选取信息字“5 ”的码字“0 1 0 1 1 0 1 0 ”，首先进行一下改写“+ 1 - - 1 + 1 - - 1 1 + 1 - - 1 + 1 ”然后进行哈达码变换： h 3 + 1 1 + l 一1 1 + 1 1 + 1 + 8 0 0 表3 - 2 地址与元素列表 地址o123 4 567 元素0 00o0+ 80 0 ( 3 1 ) 由表3 - 2 我们可以清楚的可见变换后最大元素“+ 8 ”所对应的相对地址便是信息字“5 ”， 若哈达码变换后的数值为负数则相应地址作加“8 ”处理便可1 4 9 】。 第三章基于哈达码变换的r p c 及改进 基于哈达码变换的r p c 便是利用上述基本思想进行解码，只是编码不是选用上述严格 正交的码字，而是通过信息字和一个我们称为生成子的随机矩阵进行相关运算后再通过哈达 码变换以及一些其它操作完成解码。下面将详细分析基于哈达码变换的r p c 的编解码过程， 并通过分析其编解码生成子特点提出改进，使其完成由单纯的纠错码向纠错密码的转变。 3 2 2r p c 的编解码实现 r p c 编码的关键部分是一个伪随机的生成子。r p c 的生成子和线性分组码的生成矩阵地 位相似，不同之处在于r p c 的生成子是一个伪随机矩阵。r p c 的解码是通过分析接收码字 中所携带的信息字与生成子中元素的相关性大小来实现的，即通过哈达玛变换找出相关性最 大的元素作为解码输出删。 对于一般( n ，k ) r p c ，码的最小距离d “。= n 2 ，且n 可取任意整数；相比之下，重复码 只有取奇数码长，才能充分利用多数表决译码判据。 ( 1 ) 编码 生成子 与门 i li 2i k 图3 - 1 编码实现原理图 如图3 - 1 所示，所设计的生成子是一个由元素o 和1 构成的n 行k 列的伪随机矩阵。编 码器将一个k 比特的信息字和生成子里的k 比特向量逐一相与然后再模2 加便可得到1b i t 的编码输出。编码结束时得到1 1b i t 的码字。解码时需要再次用到此生成子。因为当信息字 和全零行相与时所有信息都将丢失，生成子中不能有全零行。 第三章基于哈达码变换的r p c 及改进 ( 2 ) 解码 输 生成子 寻找最大元素 图3 - 2 解码实现原理图 图3 - 2 所示为解码器的原理框图。解码操作由寻址、生成地址列表向量、哈达玛变换以 及寻找最大元素的地址几部分构成。解码器的解码流程如下。 1 地址列表及寻址：因生成子是一个由元素0 和1 构成的n 行k 列的伪随机矩阵，则生 成子中每个行向量都是由k 个二进制数字组成， k 个二进制数字组成的行向量可能的排列 有2 。种。将这个排列看成十进制数并按从小到大的顺序排列成一个尹行的列向量地 址列表。每个接收码元都是信息字和生成子中相应的行相“与”后模2 加的结果，寻址即对 第i 个接收码元，根据编码中具体用的生成子( n k 的伪随机矩阵的行向量) 找到地址列表 2 地址列表向量：它也是一个尹行的列向量( 初始化为一个全0 列向量) ，各行与地址列表 的地址( 行) 一一对应。解码过程中根据寻址结果和相应接收码元，对应的地址列表向量元 素被不断刷新。 3 哈达玛变换及寻找最大元素：将哈达玛矩阵与地址列表向量相乘完成哈达玛变换，然 后在变换后的地址列表向量中找出最大元素对应的地址即为所求的解码输出口“。 在接收到从信道传送过来的加入噪声的码字后，解码器将接收码元与生成子中相应行 所对应的地址列表向量元素加1 或减1 。当接收码元为0 时，执行加1 操作，接收码元为1 时执行减1 操作。一个码字接收完毕后，相应的地址列表向量的填写也同时完成。接下来对 地址列表向量进行哈达玛变换，在变换结果中找出最大的一个元素，此元素对应的地址即为 所求码字。 第三章基于哈达码变换的r p c 及改进 表3 - 3