基于UFMC的类语音调制解调技术研究_李佳益.pdf

第 30 卷 第 4 期北京电子科技学院学报2022 年 12 月Vol.30 No.4Journal of Beijing Electronic Science and Technology InstituteDec.2022基于 UFMC 的类语音调制解调技术研究李佳益 袁 琼 李晓峰北京电子科技学院,北京市 100070摘 要:通信系统并不能保证数据信息的安全传输,但端到端加密方式实现了通信全密文传输,从而避免被第三方窃取利用。本文使用 UFMC 技术将加密语音数据调制成可以在 IP 通信网或移动通信网中正常传输的类语音信号。该信号的正交特性使其在语言信道声码器编解码处理中能在接收端以较低误码率接收解调,从而实现数据抗信道声码器压缩传输。此外,对比基于OFDM 的类语音调制解调技术,该技术有着更好的传输效果。关键词:端到端通信;类语音调制;UFMC;语音加密中图分类号:TP918 文献标识码:A文章编号:1672-464X(2022)4-40-47 作者简介:李佳益(1998-),女,硕士研究生,主要研究方向为通信安全。袁 琼(1976-),女,副研究员,硕士,主要研究方向为通信安全和信息安全等。李晓峰(1977-),男,学士,工程师,主要研究方向为通信安全和信息安全等。0 引言随 着 公 共 交 换 网 络(Public SwitchedTelephone Network,PSTN)推进,网络互联协议(Internet Protocol,IP)化和三网融合工程的发展,使得传统电话通信网由电路交换转变至 IP包交换或网络交换。这种转变给通信保密技术尤其是电话加密通信技术提出了新挑战和问题:(1)IP 网络的语音数据包通过封装进行转发,大幅度降低了信号的连续性,并且数据封装格式也不尽相同,因此单一的载波信号在异构通信网络中很难“无失真”通过。传统加密方式在异构网络中存在高成本高难度的困难。(2)现有电话加密设备需通过调制解调器建立载波通信后才能传输加密信息。这种方式是不符合 IP 包语音交换网络设备的语音编码特性和通信特性。为解决以上问题,有研究者提出基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiple-xing,OFDM)技术的类语音调制解调方法1。虽然这种方法能够将加密后的乱置数据调制成具有语音特征的类语音信号,经过声码器传输并在接收端解调后得到较小误码率,但是无法满足高调制速率下的误码率,同时由于加入了卷积码和循环前缀会使得传输数据量增大,进而无法提高通话质量。本文分析了多种多载波调制解调技术后,提出基于通用滤波多载波(Universal Filtered Multi-Carrier,UFMC)技术的类语音调制解调方法应用于移动通信网语音加密中。UFMC 是 5G 通信候选波形之一,结合了 OFDM 和滤波器组多载波调 制(Filter Bank Multicarrier,FBMC)的 优点2-4,能够有效降低带外泄露和提高频谱利用率。经该方法调制得到的类语音信号不仅能够第 30 卷基于 UFMC 的类语音调制解调技术研究 顺利通过信道声码器编解码,以低误码率实现数据还原,同时利用 UFMC 技术特性可实现较高频谱利用率,减少循环前缀的开销和保证高调制速率,提高了传输吞吐率,进而提升了通话质量。1 类语音调制技术背景 由于语音通信网络中压缩编码机制和语音活动检测(Voice Activity Detection,VAD)机制的存在,所以通过传统调制解调器传输加密语音数据,调制后的信号不具备语音的特征形式,通过IP 语音网络的声码器时,对调制信号进行了有损压缩,故接收端难以正确恢复出语音5-6。因此为了实现加密数据具有抗声码器压缩编解码传输能力,类语音调制解调技术需要将数据比特流转换成类语音信号7。总结现有类语音调制技术路线,将其归为以下两类:基于语音模型技术与基于信道模型技术。基于语音模型的类语音调制解调技术主要思路是将加密信息隐藏于语音明文,将加密数据视为某种语音压缩的独段序列,根据语音合成模型调制成相应的类语音波形。文献8设计了一种基于码本映射的带纠错类语音调制解调器,其内部存储最优码本,通过基于模拟退火的映射关系建立波形映射,能够以较低误码率实现加密数据在语音信道中的传输。文献9提出了一种适用于多种声码器算法的类语音调制算法,该方法采用基于语料库的数据波形映射法,首先对 TIMIT 语料库进行预处理得到码本搜索空间,再利用增量搜索算法对其进行优化,最终生成最优码本。基于信道模型的类语音调制解调技术主要思路是将声码器看成一个有损信道,然后使用数字带通调制利用幅度、频率和相位等调制参数将加密数据加载至幅频特性较好的频段。文献10利用 OFDM 调制算法将数据调制到类语音信号上,利用 OFDM 技术该算法能够实现较高速率的安全传输。文献1同样设计了基于 OFDM 技术的类语音调制解调技术,其将加密后的语音数据承载到调制信号上,该信号的频率被限制在 GSM 声码器带通频率范围内,能以较小的失真通过GSM 声码器信道,从而实现数据抗声码器压缩传输。基于语音模型的类语音调制解调技术能够实现加密数据的低误码率传输,但是其发射机和接收机结构复杂度高、算法开销较大;基于信道模型的类语音调制解调技术目前主要采用OFDM 作为调制基础,利用 OFDM 技术和卷积纠错码来保证信号的正确传输,但是基于 OFDM的调制技术无法保证高速率下的低误码率传输。2基于 UFMC 类语音调制解调技术 基于 UFMC 的类语音调制解调技术主要是利用 UFMC 技术优点以及相关调制参数实现加密数据以语音形式在语音信道中实现高速率低误码率传输。对比基于 OFDM 技术的调制方法,拥有更低误码率,生成类语音信号有着更高的频谱利用率;对比基于语音模型的调制方法,系统复杂度低,算法开销小。2.1 通用滤波多载波技术UFMC 技术是一种基于滤波器的多载波传输方案,将整个带宽分为多个子载带,再对每组连续的子载波进行滤波处理11。UFMC 可以视作正交频分复用和滤波器组多载波12-14的结合,其保留了 OFDM 和 FBMC 的优点又避免了各自的缺点,从而达到性能的优化。与 FBMC 相比,许多子载波同时进行滤波使得 UFMC 的滤波器长度大大降低,时域符号间没有重叠,UFMC 可 以 和 正 交 振 幅 调 制(QuadratureAmplitude Modulation,QAM)技术结合,具有较好的兼容性;与 OFDM 相比,UFMC 在时间受限和频带受限的通信中有更好的波形频谱效率,在碎14北京电子科技学院学报2022 年片化频谱资源应用场景下能取得更好的频谱效率。UFMC 系统模型图如图 1 所示,UFMC 系统将发送端数据载波上的传输信号分为若干个不重叠的子带S1,S2,S3Sn,对每个子带进行 N点快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Trans-form,IFFT)处理,并经过子带滤波器滤波处理,得到若干连续的子载波,最后将调制后各子带上的数据叠加在一起形成 UFMC 信号。接收端将接收信号进行 2N 点快速傅里叶变换(FastFourier Transformation,FFT),进行信道均衡以及滤波器均衡处理,恢复出原始的发送数据。图 1 UFMC 系统模型图图 3 传输系模块图2.2 系统设计说明基于 UFMC 类语音调制解调语音加密通信的原理图如图 2 所示,语音信号经过语音编码后,进行加密处理,加密数据经过 UFMC 类语音调制技术转换成可以在语音信道中传输的类语音信号,随后经过该信道原有的声码器压缩编解码后在通信网传输。接收端将类语音信号进行解调,进行解密后,通过语音解码后还原对方的语音。为了能够将 UFMC 技术应用于语音加密通信中,调制信号不仅需要具备语音特征同时还应顺利通过信道声码器编解码与 VAD 检测,才能在接收端顺利解码从而获取正确数据。本文主图 2 基于 UFMC 类语音调制语音加密通信原理图要研究适用于 VoIP(Voice over Internet Protocol)信道下 G.729 声码器,根据其特点,设计了UFMC 调制解调传输系统模块和 UFMC 发射接收机参数结构。图 3 是传输系统模块图,首先对加密数据流进行卷积编码操作,然后通过 UFMC 调制模块转换为类语音信号,经过 G.729 语音压缩编码后在信道中传输,接收端经过 G.729 解压缩解码后通过 UFMC 解调模块,然后通过卷积解码操作恢复出原始数据。(1)卷积编译码模块加入卷积编译码模块目的是为了降低类语音信号在语音信道中传输时受到信道干扰和声码器压缩编解码的影响。卷积码是一种非分组码,每个码段的监督码元不仅与本组的信息码元有关,而且与前段的信息码元有关,因此卷积码是有记忆的编码。由于卷积码充分利用了各码组之间的相关性,在编码器复杂度相同的情况下,性能优于分组码,在语音通信中得到广泛应用。(2)G.729 编译码模块G.729 语音编码标准是国际电信联盟(In-ternational Telecommunication Union,ITU)于 1996年 3 月制定的电话带宽的语音编码标准,是可用于 PSTN 网络的第四代语音编码标准。由于 G.729 编解码器具有很高的语音质量和很低的延24第 30 卷基于 UFMC 的类语音调制解调技术研究 时,而且在有随机比特误码、发生帧丢失和多次转接等情况下有很好的稳定性13-14,被广泛应用在数据通信的各个领域,特别是在 VoIP 语音通话技术中。G.729 编码方案对输入语音性质的模拟信号使用 8KHz 采样,算法帧长为 10ms,每帧包含 80 个数据采样点。在仿真实验,本文使用 ITU 官网提供 CodeC 源码进行编译得到 G.729 编解码器。同时,使用 CoolEdit 软件将类语音信号转换为 8KHz 采样,16 比特线性编码的PCM 信号进行编解码传输。(3)UFMC 调制解调模块由于使用类语音调制后的语音帧格式需要在接收端对齐和解调,所以本文生成语音帧长度为 10ms 且帧长度与 UFMC 符号长度对应。根据 UFMC 符号长度计算公式(1)可知:UFMC 符号长度与 UFMC 系统 IFFT 点数与子带滤波器长度之和有关;根据公式 2 可知:UFMC 系统 IFFT点数应该大于子带长度与子带数的乘积(即子载波长度)。又因为 UFMC 系统 IFFT 点数应该为 2 的幂次,根据公式(1)、公式(2)且为了调制更多有效子载波,本文设置 UFMC 符号长度LenUFMC=80,UFMC 系统 IFFT 点数 NumIFFT=64,子带滤波器长度 Lenfilter=17。LenUFMC=NumIFFT+Lenfilter-1(1)NumIFFT Numsubband Sizesubband(2)设子带数为 n,子带长度为 m,载波频率间隔为 f,数据传输速率为 Rb,UFMC 符号周期(符号长度)为 TUFMC=10ms,载波调制方式为 QAM,每个子载波可以调制 k 比特数据。G.729 声码器能够处理的语音频段 3003400Hz15,即频率上限 Fm=3.4KHz。根据公式(3)在 4-QAM 调制方式(每个子载波能承载 2bits 信息,k=2)下可得最高有效子载波速率应在 6800bps 左右,使用 16-QAM 或 64-QAM 调制方式则可以获得更高的调制速率。Rb=Fm k(3)根据公式(4)、公式(5)可得在最高调制速率下子载波数应取 32(34)。n=Rbk f(4)f=1TUFMC(5)根据子载波数量,设置子带数 Numsubband=4,子带长度 Sizesubband=8,子带滤波器采用切比雪夫滤波器,所以经设计的 UFMC 发射机和接收机参数如表 1 所示。表 1 参数选择参数名称参数数值符号时间10msUFMC 符号长度80子载波调制方式QAMFFT 点数64滤波器长度17子带长度