鮑博武,黃一才,郁 濱

(信息工程大學 密碼工程學院,河南 鄭州 450001)

移動通信網(wǎng)語音通道中的聲碼器采用語音參數(shù)壓縮編碼,無法傳輸不具有語音特征的數(shù)據(jù)[1-4],而端到端語音安全通信需要在用戶之間協(xié)商密鑰并傳輸加密語音數(shù)據(jù)。為解決此問題,類語音調(diào)制解調(diào)方案被提出[5-7]。類語音調(diào)制解調(diào)通過數(shù)據(jù)與類語音信號的相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)加密語音信號透傳聲碼器,按照數(shù)據(jù)處理方式不同,其實現(xiàn)方法可分為參數(shù)調(diào)制和碼本映射[8]。

文獻[9]將數(shù)據(jù)作為語音參數(shù)索引,根據(jù)LPC線性預(yù)測分析模型合成類語音波形,低碼率情況下傳輸效果較好;文獻[10]利用共振峰模型,將數(shù)據(jù)映射為共振峰頻率、相位和基音頻率來生成類語音波形,編碼效率較高。然而,此類基于語音參數(shù)模型實現(xiàn)的類語音調(diào)制解調(diào)方案的參數(shù)提取過程復雜且傳輸誤碼率較高,影響語音安全通信的通話質(zhì)量。

碼本映射利用數(shù)據(jù)-波形映射關(guān)系,直接將數(shù)據(jù)映射為一一對應(yīng)的類語音波形,具有誤碼率低的特點。文獻[11]利用遺傳算法在一個子頻域集合內(nèi)搜索最優(yōu)碼本,碼本質(zhì)量較好但搜索空間較大;為減小碼本搜索計算量,文獻[12]設(shè)計了一種啟發(fā)式算法,在聲學語料庫中搜索碼本,但該方案以最大信道容量為目標,在傳輸速率較大的情況下,誤碼率較高;文獻[13]在文獻[11]基礎(chǔ)上優(yōu)化了遺傳算法參數(shù),減少了算法迭代次數(shù)但沒有提升傳輸性能?，F(xiàn)有的基于碼本映射的類語音調(diào)制解調(diào)方案均針對碼本優(yōu)化問題進行研究,未考慮數(shù)據(jù)-波形映射對調(diào)制解調(diào)性能的影響。

此外,上述方案均未考慮糾錯編碼,加密語音數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量有待進一步提高。文獻[14]通過結(jié)合(2,1,7)卷積碼有效降低了誤碼率,但方案采用脈沖參數(shù)調(diào)制計算，復雜度高且未討論引入糾錯編碼對通信資源消耗的影響。

綜上所述,本文設(shè)計一種基于碼本映射的帶糾錯類語音調(diào)制解調(diào)器,其內(nèi)部存儲最優(yōu)碼本,調(diào)制解調(diào)器通過基于模擬退火的映射關(guān)系搜索算法，建立最優(yōu)數(shù)據(jù)-波形映射。為進一步提高可靠性,在碼本映射前采用BCH碼進行糾錯編碼。本文設(shè)計的調(diào)制解調(diào)器，能夠以較低誤碼率實現(xiàn)加密數(shù)據(jù)在語音信道中的透明傳輸。

1 類語音調(diào)制解調(diào)模型

為便于描述,給出所用相關(guān)符號及含義，見表1所列。

表1 符號及含義

基于碼本映射的類語音調(diào)制解調(diào)過程中,語音通道的輸入符號集合是調(diào)制碼本CN×L,輸出符號集合是解調(diào)碼本C′N×L,且在一次通話中信道條件相對穩(wěn)定。調(diào)制碼本與解調(diào)碼本通過預(yù)先離線生成存儲于調(diào)制解調(diào)器內(nèi)。綜合上述分析,不妨作如下假設(shè):

(1)移動通信網(wǎng)語音通道是離散無記憶信道(discrete memoryless channel,DMC)。

(1)

轉(zhuǎn)移概率矩陣用于描述波形傳輸出錯的概率,2個類語音波形對應(yīng)數(shù)據(jù)的漢明距離越小,則傳輸出錯后造成的錯誤位數(shù)越少,因而選擇最優(yōu)數(shù)據(jù)-波形映射關(guān)系對于降低調(diào)制解調(diào)誤碼率有重要意義。BCH糾錯碼是一類重要的循環(huán)碼,具有嚴謹?shù)拇鷶?shù)結(jié)構(gòu),應(yīng)用在中短碼長情況下,其性能接近香農(nóng)極限。相比于其他糾錯編碼,在極低誤碼率條件下,BCH碼具有較高的編碼增益和較低的計算復雜度。因此,為進一步提高傳輸可靠性,在波形映射前加入BCH糾錯碼,調(diào)制解調(diào)模型如圖1所示。

圖1 帶糾錯類語音調(diào)制解調(diào)模型

調(diào)制過程包括BCH編碼、波形選擇和碼本映射。BCH編碼模塊根據(jù)生成矩陣G,將加密語音分組編碼得到碼字n=mG。波形選擇模塊實現(xiàn)一個多對多的組合優(yōu)化問題,即應(yīng)用模擬退火思想設(shè)計最優(yōu)數(shù)據(jù)-波形映射搜索算法,尋找最優(yōu)映射關(guān)系Sel,并輸出索引值i=Sel(b1b2…bl)。碼本映射模塊根據(jù)索引值i找到對應(yīng)波形符號si并送入語音通道。

2 調(diào)制解調(diào)器設(shè)計

在假設(shè)(2)條件下,調(diào)制解調(diào)器的性能主要取決于糾錯碼和映射關(guān)系2個方面。在實際信道條件下,綜合考慮碼本符號錯誤率與編碼效率,BCH(32,21,6)碼相較于其他碼長的BCH碼具有較高的編碼增益。波形選擇模塊中的映射函數(shù)Sel決定每個符號錯誤造成的比特錯誤,搜索并建立最優(yōu)數(shù)據(jù)-波形映射關(guān)系是設(shè)計的關(guān)鍵。

2.1 糾錯編碼

考慮加密語音傳輸實時性和傳輸質(zhì)量的要求,碼本規(guī)模確定為16×40,一個波形符號對應(yīng)4 bit數(shù)據(jù)。BCH(32,21,6)碼由BCH(31,21,5)碼增加一位校驗位構(gòu)成,每一個32 bit碼字,調(diào)制后對應(yīng)8個波形符號,每個碼字最多可糾正t=(5-1)/2=2個錯碼。為減小譯碼計算復雜度,提高調(diào)制解調(diào)器性能,利用BCH(31,21,5)碼中伴隨式S1、S3與錯碼位置的關(guān)系直接求解,實現(xiàn)快速譯碼。

BCH(31,21,5)碼的校驗矩陣為：

(2)

錯碼位置多項式的系數(shù)指示錯碼位置,且滿足方程組(3),即

(3)

根據(jù)錯碼位置多項式與方程組(2)可知,錯碼位置i∈{0,1,…,30}滿足方程組(3)。因此,譯碼過程由迭代求解簡化為求解方程組(4),從而實現(xiàn)快速譯碼。

(4)

2.2 調(diào)制解調(diào)誤碼率

若波形si(1≤i≤N)對應(yīng)的比特數(shù)據(jù)為di,即i=Sel(di),二進制數(shù)di與dj間的漢明距離記為H(di?dj)=hij,則數(shù)據(jù)的漢明距離矩陣為:

(5)

由于引入糾錯機制,對于漢明距離不超過糾錯能力的解調(diào)錯誤,可通過譯碼進行糾正。假設(shè)糾錯碼的糾錯能力為t,記符號函數(shù)為:

(6)

則引入糾錯碼后調(diào)制解調(diào)的平均誤碼率為:

(7)

2.3 數(shù)據(jù)波形映射搜索算法

為保證波形選擇器能建立最優(yōu)映射關(guān)系,以(7)式為目標函數(shù)設(shè)計一種基于模擬退火的搜索算法,在N!個可行解中尋找最優(yōu)解,其算法流程如圖2所示。

圖2 波形數(shù)據(jù)映射關(guān)系搜索算法流程

輸入:調(diào)制碼本CN×L={s1,s2,…,sN},解調(diào)碼本C′N×L={s1′,s2′,…,sN′}和漢明矩陣Ham。

輸出:最優(yōu)波形-數(shù)據(jù)映射關(guān)系x。

(1)重復發(fā)送數(shù)據(jù),統(tǒng)計得到移動通信網(wǎng)語音信道下該碼本的轉(zhuǎn)移概率矩陣P,明確算法目標函數(shù)f(x)。

(2)設(shè)置算法控制參數(shù),令初始解x0=(1,2,3,…,16),此時最優(yōu)解x=x0,t=0。

(3)隨機產(chǎn)生一組擾動參數(shù)D={s,p,l},首先將x循環(huán)左移s個元素,然后交換xp和x(p+l)mod16,得到新解x′。

(4)計算新解的目標函數(shù)值f(x′)。

(5)根據(jù)Mertropolis準則判定是否接受新解。① 若f(x)≥f(x′),則接受新解x′,此時令n=0,則最優(yōu)解x=x′;② 若f(x)

(6)若n≥N,則滿足迭代終止條件,算法結(jié)束并輸出最優(yōu)解x,轉(zhuǎn)至步驟(8);否則轉(zhuǎn)至步驟(5)。

(7)令t=t+1,若t≤L,則轉(zhuǎn)至步驟(2);否則結(jié)束迭代并輸出最優(yōu)解x。

(8)建立最優(yōu)映射。

控制參數(shù)的選取直接影響算法優(yōu)化結(jié)果。初始溫度T0越小迭代周期越短,相應(yīng)地,搜索結(jié)果越容易陷入局部最優(yōu);降溫系數(shù)a決定搜索的收斂速度;馬氏長度L越長、迭代終止條件N越大,搜索結(jié)果越易收斂于最優(yōu)解,但增加了算法計算復雜度。擾動參數(shù)D通過循環(huán)移位和置換操作產(chǎn)生新解,增加了新解與最優(yōu)解之間的差異度,進而加快了在搜索空間尋找最優(yōu)解的速度。Mertroplis準則避免了搜索結(jié)果陷入局部最優(yōu),它依概率接收非最優(yōu)的新解。此概率隨著迭代次數(shù)增加而減小,進而使結(jié)果收斂。

3 實驗及結(jié)果分析

利用Matlab平臺仿真類語音調(diào)制解調(diào)器,應(yīng)用simulink庫模塊和自定義模塊分別實現(xiàn)BCH編解碼模塊、波形選擇與譯碼模塊和調(diào)制解調(diào)碼本。通過增加高斯白噪聲,模擬數(shù)據(jù)在移動通信網(wǎng)語音通道的傳輸過程,測試此調(diào)制解調(diào)器的誤碼率和計算開銷并分析了其編碼效率和存儲開銷。

3.1 實驗設(shè)置

在數(shù)據(jù)-波形映射搜索算法中,初始溫度T0、馬氏長度L、降溫系數(shù)a和迭代終止條件N直接影響碼本優(yōu)化效果。由于初始碼本的目標函數(shù)值y=0.061 8,為使搜索結(jié)果不陷入局部最優(yōu)且簡化搜索過程,設(shè)置T0=4×10-3,a=0.999 8。在此條件下研究馬氏長度和迭代終止條件對算法優(yōu)化結(jié)果的影響。

移動通信網(wǎng)采用了FR、EFR、HR和AMR等多種聲碼器,不同聲碼器的數(shù)據(jù)調(diào)制速率不同。采用C語言實現(xiàn)聲碼器并在Matlab中予以調(diào)用。實驗以EFR聲碼器為例,比較本文與文獻[11]、文獻[14]方案的性能，選取一組規(guī)模為16×40的最優(yōu)碼本。此時,波形符號通過各類聲碼器的符號錯誤率見表2所列。在碼本映射前加入BCH編碼模塊并設(shè)置不同參數(shù),仿真不同參數(shù)下的編碼增益。

表2 16×40碼本規(guī)模下各類聲碼器的符號錯誤率

將16個類語音波形循環(huán)重復2 000次并生成wav音頻。將音頻通過聲碼器進行編解碼處理,并在編碼后引入加性高斯白噪聲,用于模擬移動通信網(wǎng)語音通道。解調(diào)處理后,波形選擇與波形譯碼模塊統(tǒng)計得到此碼本的轉(zhuǎn)移概率矩陣。應(yīng)用數(shù)據(jù)-波形映射關(guān)系搜索算法,搜索得到最優(yōu)解,并建立最優(yōu)數(shù)據(jù)-波形映射關(guān)系。

在simulink中構(gòu)建仿真模型,數(shù)據(jù)源調(diào)用伯努利二進制生成器,BCH編解碼直接調(diào)用庫內(nèi)模塊BCH Encoder和BCH Decoder。波形選擇和波形譯碼通過創(chuàng)建S-Function自定義模塊,模塊調(diào)用數(shù)據(jù)-波形搜索算法建立最優(yōu)映射關(guān)系。碼本通過自定義的波形映射模塊調(diào)用。自定義語音信道模塊調(diào)用了聲碼器并加入高斯噪聲。最后,將發(fā)送端和接收端接入誤碼率計算器用于統(tǒng)計整體誤碼率。參數(shù)設(shè)置見表3所列。

表3 參數(shù)設(shè)置

3.2 結(jié)果分析

在初始溫度和降溫系數(shù)確定的情況,優(yōu)化結(jié)果由馬爾可夫鏈長度L和終止條件N決定。馬爾可夫鏈長度L和終止條件N對系統(tǒng)糾錯率的影響如圖3所示。

圖3 參數(shù)選取對優(yōu)化結(jié)果的影響

當N=10時,搜索算法容易滿足終止條件,陷入局部最優(yōu),優(yōu)化效果不明顯;當N=30時,隨著馬爾可夫鏈長度增加,系統(tǒng)誤碼率逐漸降低,但當L>400時,誤碼率變化不明顯且未收斂;當N=100時,隨著L增加,系統(tǒng)誤碼率最終收斂于0.076%。在本文參數(shù)設(shè)置下,馬爾可夫鏈長度L設(shè)為1 200,終止條件N設(shè)為100時,算法優(yōu)化結(jié)果收斂。

不同參數(shù)設(shè)置下,基于碼本映射方法的調(diào)制解調(diào)誤碼率如圖4所示。

圖4 不同參數(shù)設(shè)置下的編碼增益

在此碼本下,一個波形對應(yīng)4 bit數(shù)據(jù),由實驗結(jié)果知,在信噪比為5 dB的條件下,BCH(31,21)碼具有較高的編碼增益,同時編碼效率最高。

文獻[12]方案采用碼本映射方法,碼本質(zhì)量較高但未加入糾錯編碼。文獻[14]方案采用3階脈沖調(diào)制和(2,1,7)卷積碼的方法,但不針對數(shù)據(jù)-波形關(guān)系進行優(yōu)化。在碼本規(guī)模為16×40,信道數(shù)據(jù)速率為3 kb/s的條件下,其性能見表4所列。

表4 性能對比

由于引入BCH(32,21,5)碼,本文所設(shè)計的調(diào)制解調(diào)器的編碼效率略有降低。相比文獻[12]方案,設(shè)計的調(diào)制解調(diào)器還需額外存儲生成矩陣與校驗矩陣,與直接增加BCH碼的方案相當。由于本文針對數(shù)據(jù)-波形映射關(guān)系進行優(yōu)化,提高了糾錯率,進而使整體計算時間相比引入BCH碼的文獻[12]方案略有增加。相比其他方案,設(shè)計的調(diào)制解調(diào)器在滿足語音安全通信編碼效率和資源消耗要求下,大幅降低了誤碼率。

綜上所述,本文方法相比同類碼本映射方案,在增加部分數(shù)據(jù)冗余和少量資源開銷的情況下,誤碼率下降超過87.7%;相比于脈沖調(diào)制方案,在計算復雜度和誤碼率方面均有明顯優(yōu)勢。

4 結(jié) 論

本文針對現(xiàn)有類語音調(diào)制解調(diào)方案誤碼率較高的問題,設(shè)計了一種帶糾錯的類語音調(diào)制解調(diào)器。此調(diào)制解調(diào)器采用提出的基于模擬退火的映射關(guān)系搜索算法,針對數(shù)據(jù)-波形映射進行優(yōu)化,有效降低了誤碼率。此外,通過引入BCH糾錯碼進一步提升了調(diào)制解調(diào)器的可靠性。實驗結(jié)果表明,設(shè)計的調(diào)制解調(diào)器在增加少量存儲和計算資源的情況下,相比其他同類方案在傳輸可靠性上具有明顯優(yōu)勢,可有效提高語音安全通信的質(zhì)量。