基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究

李佳益 袁 瓊 李曉峰

北京電子科技學(xué)院,北京市 100070

0 引言

隨著公共交換網(wǎng)絡(luò)(Public Switched Telephone Network,PSTN)推進(jìn),網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議(Internet Protocol,IP)化和三網(wǎng)融合工程的發(fā)展,使得傳統(tǒng)電話通信網(wǎng)由電路交換轉(zhuǎn)變至IP包交換或網(wǎng)絡(luò)交換。 這種轉(zhuǎn)變給通信保密技術(shù)尤其是電話加密通信技術(shù)提出了新挑戰(zhàn)和問題:

(1)IP 網(wǎng)絡(luò)的語音數(shù)據(jù)包通過封裝進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),大幅度降低了信號(hào)的連續(xù)性,并且數(shù)據(jù)封裝格式也不盡相同,因此單一的載波信號(hào)在異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)中很難“無失真”通過。 傳統(tǒng)加密方式在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中存在高成本高難度的困難。

(2)現(xiàn)有電話加密設(shè)備需通過調(diào)制解調(diào)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(wǎng)絡(luò)設(shè)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(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技術(shù)的類語音調(diào)制解調(diào)方法[1]。 雖然這種方法能夠?qū)⒓用芎蟮膩y置數(shù)據(jù)調(diào)制成具有語音特征的類語音信號(hào),經(jīng)過聲碼器傳輸并在接收端解調(diào)后得到較小誤碼率,但是無法滿足高調(diào)制速率下的誤碼率,同時(shí)由于加入了卷積碼和循環(huán)前綴會(huì)使得傳輸數(shù)據(jù)量增大,進(jìn)而無法提高通話質(zhì)量。

本文分析了多種多載波調(diào)制解調(diào)技術(shù)后,提出基于通用濾波多載波(Universal Filtered Multi-Carrier,UFMC)技術(shù)的類語音調(diào)制解調(diào)方法應(yīng)用于移動(dòng)通信網(wǎng)語音加密中。 UFMC 是5G 通信候選波形之一,結(jié)合了OFDM 和濾波器組多載波調(diào)制(Filter Bank Multicarrier, FBMC) 的優(yōu)點(diǎn)[2-4],能夠有效降低帶外泄露和提高頻譜利用率。 經(jīng)該方法調(diào)制得到的類語音信號(hào)不僅能夠順利通過信道聲碼器編解碼,以低誤碼率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)還原,同時(shí)利用UFMC 技術(shù)特性可實(shí)現(xiàn)較高頻譜利用率,減少循環(huán)前綴的開銷和保證高調(diào)制速率,提高了傳輸吞吐率,進(jìn)而提升了通話質(zhì)量。

1 類語音調(diào)制技術(shù)背景

由于語音通信網(wǎng)絡(luò)中壓縮編碼機(jī)制和語音活動(dòng)檢測(Voice Activity Detection,VAD)機(jī)制的存在,所以通過傳統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器傳輸加密語音數(shù)據(jù),調(diào)制后的信號(hào)不具備語音的特征形式,通過IP 語音網(wǎng)絡(luò)的聲碼器時(shí),對調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了有損壓縮,故接收端難以正確恢復(fù)出語音[5-6]。 因此為了實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)具有抗聲碼器壓縮編解碼傳輸能力,類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)需要將數(shù)據(jù)比特流轉(zhuǎn)換成類語音信號(hào)[7]。 總結(jié)現(xiàn)有類語音調(diào)制技術(shù)路線,將其歸為以下兩類:基于語音模型技術(shù)與基于信道模型技術(shù)。

基于語音模型的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)主要思路是將加密信息隱藏于語音明文,將加密數(shù)據(jù)視為某種語音壓縮的獨(dú)段序列,根據(jù)語音合成模型調(diào)制成相應(yīng)的類語音波形。

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種基于碼本映射的帶糾錯(cuò)類語音調(diào)制解調(diào)器,其內(nèi)部存儲(chǔ)最優(yōu)碼本,通過基于模擬退火的映射關(guān)系建立波形映射,能夠以較低誤碼率實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)在語音信道中的傳輸。

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

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

文獻(xiàn)[10]利用OFDM 調(diào)制算法將數(shù)據(jù)調(diào)制到類語音信號(hào)上,利用OFDM 技術(shù)該算法能夠?qū)崿F(xiàn)較高速率的安全傳輸。

文獻(xiàn)[1]同樣設(shè)計(jì)了基于OFDM 技術(shù)的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù),其將加密后的語音數(shù)據(jù)承載到調(diào)制信號(hào)上,該信號(hào)的頻率被限制在GSM 聲碼器帶通頻率范圍內(nèi),能以較小的失真通過GSM 聲碼器信道,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)抗聲碼器壓縮傳輸。

基于語音模型的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)加密數(shù)據(jù)的低誤碼率傳輸,但是其發(fā)射機(jī)和接收機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、算法開銷較大;基于信道模型的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)目前主要采用OFDM 作為調(diào)制基礎(chǔ),利用OFDM 技術(shù)和卷積糾錯(cuò)碼來保證信號(hào)的正確傳輸,但是基于OFDM的調(diào)制技術(shù)無法保證高速率下的低誤碼率傳輸。

2 基于UFMC 類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)

基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)主要是利用UFMC 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)以及相關(guān)調(diào)制參數(shù)實(shí)現(xiàn)加密數(shù)據(jù)以語音形式在語音信道中實(shí)現(xiàn)高速率低誤碼率傳輸。 對比基于OFDM 技術(shù)的調(diào)制方法,擁有更低誤碼率,生成類語音信號(hào)有著更高的頻譜利用率;對比基于語音模型的調(diào)制方法,系統(tǒng)復(fù)雜度低,算法開銷小。

2.1 通用濾波多載波技術(shù)

UFMC 技術(shù)是一種基于濾波器的多載波傳輸方案,將整個(gè)帶寬分為多個(gè)子載帶,再對每組連續(xù)的子載波進(jìn)行濾波處理[11]。 UFMC 可以視作正交頻分復(fù)用和濾波器組多載波[12-14]的結(jié)合,其保留了OFDM 和FBMC 的優(yōu)點(diǎn)又避免了各自的缺點(diǎn),從而達(dá)到性能的優(yōu)化。 與FBMC 相比,許多子載波同時(shí)進(jìn)行濾波使得UFMC 的濾波器長度大大降低,時(shí)域符號(hào)間沒有重疊,UFMC 可以和正交振幅調(diào)制( Quadrature Amplitude Modulation,QAM)技術(shù)結(jié)合,具有較好的兼容性;與OFDM 相比,UFMC 在時(shí)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(yīng)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(shù)據(jù)載波上的傳輸信號(hào)分為若干個(gè)不重疊的子帶[S1,S2,S3…Sn],對每個(gè)子帶進(jìn)行N點(diǎn)快速傅里葉逆變換(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)處理,并經(jīng)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(diào)制后各子帶上的數(shù)據(jù)疊加在一起形成UFMC 信號(hào)。 接收端將接收信號(hào)進(jìn)行2N 點(diǎn)快速傅里葉變換(Fast Fourier Transformation,FFT),進(jìn)行信道均衡以及濾波器均衡處理,恢復(fù)出原始的發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖1 UFMC 系統(tǒng)模型圖

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

基于UFMC 類語音調(diào)制解調(diào)語音加密通信的原理圖如圖2 所示,語音信號(hào)經(jīng)過語音編碼后,進(jìn)行加密處理,加密數(shù)據(jù)經(jīng)過UFMC 類語音調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)換成可以在語音信道中傳輸?shù)念愓Z音信號(hào),隨后經(jīng)過該信道原有的聲碼器壓縮編解碼后在通信網(wǎng)傳輸。 接收端將類語音信號(hào)進(jìn)行解調(diào),進(jìn)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(diào)制語音加密通信原理圖

為了能夠?qū)FMC 技術(shù)應(yīng)用于語音加密通信中,調(diào)制信號(hào)不僅需要具備語音特征同時(shí)還應(yīng)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(shù)據(jù)。 本文主要研究適用于VoIP(Voice over Internet Protocol)信道下G.729 聲碼器,根據(jù)其特點(diǎn),設(shè)計(jì)了UFMC 調(diào)制解調(diào)傳輸系統(tǒng)模塊和UFMC 發(fā)射接收機(jī)參數(shù)結(jié)構(gòu)。

圖3 是傳輸系統(tǒng)模塊圖,首先對加密數(shù)據(jù)流進(jìn)行卷積編碼操作,然后通過UFMC 調(diào)制模塊轉(zhuǎn)換為類語音信號(hào),經(jīng)過G.729 語音壓縮編碼后在信道中傳輸,接收端經(jīng)過G.729 解壓縮解碼后通過UFMC 解調(diào)模塊,然后通過卷積解碼操作恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

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(hào)在語音信道中傳輸時(shí)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(gè)碼段的監(jiān)督碼元不僅與本組的信息碼元有關(guān),而且與前段的信息碼元有關(guān),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(guān)性,在編碼器復(fù)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(yīng)用。

(2)G.729 編譯碼模塊

G.729 語音編碼標(biāo)準(zhǔn)是國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)于1996年3 月制定的電話帶寬的語音編碼標(biāo)準(zhǔn),是可用于PSTN 網(wǎng)絡(luò)的第四代語音編碼標(biāo)準(zhǔn)。 由于G.729 編解碼器具有很高的語音質(zhì)量和很低的延時(shí),而且在有隨機(jī)比特誤碼、發(fā)生幀丟失和多次轉(zhuǎn)接等情況下有很好的穩(wěn)定性[13-14],被廣泛應(yīng)用在數(shù)據(jù)通信的各個(gè)領(lǐng)域,特別是在VoIP 語音通話技術(shù)中。 G.729 編碼方案對輸入語音性質(zhì)的模擬信號(hào)使用8KHz 采樣,算法幀長為10ms,每幀包含80 個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。 在仿真實(shí)驗(yàn),本文使用ITU 官網(wǎng)提供CodeC 源碼進(jìn)行編譯得到G.729 編解碼器。 同時(shí),使用CoolEdit 軟件將類語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為8KHz 采樣,16 比特線性編碼的PCM 信號(hào)進(jìn)行編解碼傳輸。

(3)UFMC 調(diào)制解調(diào)模塊

由于使用類語音調(diào)制后的語音幀格式需要在接收端對齊和解調(diào),所以本文生成語音幀長度為10ms 且?guī)L度與UFMC 符號(hào)長度對應(yīng)。 根據(jù)UFMC 符號(hào)長度計(jì)算公式(1)可知:UFMC 符號(hào)長度與UFMC 系統(tǒng)IFFT 點(diǎn)數(shù)與子帶濾波器長度之和有關(guān);根據(jù)公式2 可知:UFMC 系統(tǒng)IFFT點(diǎn)數(shù)應(yīng)該大于子帶長度與子帶數(shù)的乘積(即子載波長度)。 又因?yàn)閁FMC 系統(tǒng)IFFT 點(diǎn)數(shù)應(yīng)該為2 的冪次,根據(jù)公式(1)、公式(2)且為了調(diào)制更多有效子載波,本文設(shè)置UFMC 符號(hào)長度LenUFMC= 80, UFMC 系統(tǒng)IFFT 點(diǎn)數(shù)NumIFFT=64,子帶濾波器長度Lenfilter= 17。

設(shè)子帶數(shù)為n,子帶長度為m,載波頻率間隔為f,數(shù)據(jù)傳輸速率為Rb,UFMC 符號(hào)周期(符號(hào)長度)為TUFMC=10ms,載波調(diào)制方式為QAM,每個(gè)子載波可以調(diào)制k 比特?cái)?shù)據(jù)。 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(jù)公式(3)在4-QAM 調(diào)制方式(每個(gè)子載波能承載2bits信息,k=2)下可得最高有效子載波速率應(yīng)在6800bps左右,使用16-QAM 或64-QAM 調(diào)制方式則可以獲得更高的調(diào)制速率。

根據(jù)公式(4)、公式(5)可得在最高調(diào)制速率下子載波數(shù)應(yīng)取32(＜34)。

根據(jù)子載波數(shù)量,設(shè)置子帶數(shù)Numsubband=4,子帶長度Sizesubband= 8,子帶濾波器采用切比雪夫?yàn)V波器,所以經(jīng)設(shè)計(jì)的UFMC 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參數(shù)如表1 所示。

表1 參數(shù)選擇

3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

在仿真實(shí)驗(yàn)中采用UFMC 和OFDM 兩種類語音調(diào)制方法,設(shè)置10s加密語音作為原始的輸入數(shù)據(jù),由于加密數(shù)據(jù)亂置隨機(jī)特性,即為1000(幀)二進(jìn)制隨機(jī)數(shù),UFMC 調(diào)制參數(shù)依據(jù)表1 進(jìn)行設(shè)置。 下面將從調(diào)制波形、頻譜分析、誤碼率、吞吐率四個(gè)方面對仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析說明。

3.1 調(diào)制波形分析

圖4(左)是將加密語音數(shù)據(jù)經(jīng)過UFMC 調(diào)制算法得到的類語音波形圖。 從圖中可以看出,調(diào)制后數(shù)據(jù)波形具有較好類語音特性。 為了驗(yàn)證調(diào)制信號(hào)的傳輸特性,將此調(diào)制信號(hào)經(jīng)過G.729 聲碼器進(jìn)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(diào)制信號(hào)和接收端解調(diào)信號(hào),其時(shí)域波形總體上呈相似分布,由此結(jié)果可知調(diào)制信號(hào)能夠順利通過聲碼器壓縮編碼和VAD 檢測,從而保證語音數(shù)據(jù)完整地傳輸?shù)浇邮斩诉M(jìn)行正確解密。 調(diào)制信號(hào)具有語音信號(hào)的基本特征,盡管“聽起來”類似噪聲,但實(shí)際上與噪聲信號(hào)形式是完全不同的。 噪聲化的加密信號(hào)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(jīng)過UFMC 類語音調(diào)制后信號(hào)則可以實(shí)現(xiàn)加密語音傳輸過程中的端到端通信。

圖4 UFMC 類語音調(diào)制生成的語音信號(hào)波形(左) ,UFMC 類語音信號(hào)經(jīng)信道壓縮后的語音信號(hào)波形(右)

3.2 頻譜對比分析

本文采用同樣的密文輸入數(shù)據(jù),分析對比了基于UFMC 類語音調(diào)制技術(shù)生成信號(hào)頻譜圖(圖5 左)和基于OFDM 類語音調(diào)制技術(shù)生成信號(hào)頻譜圖[1](圖5 右)。 從圖5(左)中可以看出,該信號(hào)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(hào)經(jīng)過聲碼器后畸變嚴(yán)重)。使用本文設(shè)計(jì)UFMC 類語音調(diào)制技術(shù)得到的信號(hào)頻率范圍具有普遍廣泛性,且語音信號(hào)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(hào)頻譜圖(左),OFDM 語音信號(hào)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(shí)驗(yàn)中,將解調(diào)數(shù)據(jù)與輸入數(shù)據(jù)對比計(jì)算在4QAM 調(diào)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(diào)制解調(diào)算法和基于OFDM 的類語音調(diào)制解調(diào)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(diào)制方式下,基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)方式都比基于OFDM 的類語音調(diào)制解調(diào)方式有著較小的誤碼率,有著明顯的優(yōu)勢。 同時(shí)兩種方式的誤碼率都隨著子載波攜帶數(shù)據(jù)增加而增大,這是因?yàn)檎{(diào)制速率的提高是通過增加有效子載波的個(gè)數(shù)來實(shí)現(xiàn),當(dāng)子載波個(gè)數(shù)增加超出G.729 聲碼器限制范圍時(shí)就會(huì)導(dǎo)致誤碼率增加。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于UFMC 類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)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(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果,基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)能夠抗多種聲碼器壓縮編解碼,同時(shí)能夠以更低誤碼率進(jìn)行傳輸,誤碼率對比結(jié)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(shí)驗(yàn),本文計(jì)算了理論情況下基于UFMC 類語音調(diào)制解調(diào)算法的有效吞吐率,UFMC系統(tǒng)參數(shù)按表1 設(shè)置,根據(jù)吞吐率的計(jì)算公式:

仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 UFMC 系統(tǒng)吞吐率

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

所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)具有很好的抗聲碼器壓縮性能,能保證調(diào)制語音信號(hào)通過聲碼器后保持較高的調(diào)制速率和低誤碼率。 同時(shí)對比基于OFDM 的類語音調(diào)制解調(diào)算法,本文提出的算法有著低誤碼率,調(diào)制信號(hào)能夠有更小的帶外功率泄露和更高的頻帶利用率。

4 結(jié)論

IP 軟交換及網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)在電話通信網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,使得傳統(tǒng)語音加密技術(shù)無法適用于此類電話通信網(wǎng)絡(luò)。 目前主要研究集中于將加密數(shù)據(jù)通過類語音調(diào)制技術(shù)轉(zhuǎn)變成語音波形在非加密語音業(yè)務(wù)通道上以明文語音形式傳輸,從而實(shí)現(xiàn)語音加密通信的需求。 本文設(shè)計(jì)了一種基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù),利用UFMC技術(shù),將加密數(shù)據(jù)調(diào)制成具有語音特征的類語音信號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于UFMC 的類語音調(diào)制解調(diào)技術(shù)在傳輸誤碼率、頻譜利用率等方面有著較好特性。 但是本實(shí)驗(yàn)是在理想環(huán)境下進(jìn)行的仿真,在實(shí)際信道中情況會(huì)更加復(fù)雜,有待進(jìn)一步研究。