Способ кодирования речевых сигналов

 

Изобретение относится к технике связи, к способам кодирования речевых сигналов.2 Задачей изобретения является уменьшение вероятности декодирования речевых сигналов посторонним наблюдателем, упрощение аппаратной реализации устройства с одновременным увеличением его функции для осуществления предлагаемого способа кодирования речевых сигналов. Сущность изобретения заключается в следующем: предлагается способ для кодирования речевых сигналов посредством временной шифрации, заключающейся в делении речевого сигнала на временные интервалы, разбиении полученных интервалов на ряд подынтервалов и перестановки их по случайному закону, выбор длительности временных интервалов выполняют по случайному закону, выбор количества и длительности подынтервалов на интервале выборок производят по случайному закону, для полученных в результате деления подынтервалов производят выбор направления считывания сигнала по случайному закону, на подынтервалах, выбранных по случайному закону, считывание преобразованного сигнала производят со скоростью, превышающей скорость записи, а образовавшиеся в результате разницы скоростей временные паузы по случайному закону располагают на временном интервале и заполняют шумовым сигналом, параметры которого зависят от вида текущей псевдослучайной последовательности. Предлагается устройство для кодирования речевых сигналов, функционально предназначенное осуществлять описанный способ, содержащее устройство сопряжения с каналом для исходящего речевого сигнала, соединенное с первым полосовым фильтром; устройство сопряжения с каналом для входящего кодированного речевого сигнала, соединенное с вторым полосовым фильтром; выходы первого и второго полосовых фильтров соединены с входами первого коммутатора, выход первого коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя; цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с вторым коммутатором, один выход второго коммутатора соединен с третьим полосовым фильтром, выход которого соединен с устройством сопряжения для выходного кодированного речевого сигнала, другой выход второго коммутатора соединен с четвертым полосовым фильтром, выход которого соединен с устройством сопряжения для выходного декодированного речевого сигнала, введенный в состав процессор, программно выполняющий функции устройства синхронизации абонентов и генератора псевдослучайной последовательности, осуществляющий восстановление спектра шумового сигнала, псевдослучайное преобразование над последовательностями цифровых отсчетов речевого сигнала для уменьшения вероятности декодирования сигнала посторонним наблюдателем, управление составными частями и контроль устройства. 4 ил.

Изобретение относится к технике связи, к способам кодирования речевых сигналов.

Известен способ кодирования речевых сигналов с помощью временной шифрации, заключающейся в делении речевого сигнала на временные интервалы, разбиение полученных интервалов на ряд подынтервалов и перестановку их по случайному закону /1//2/. Устройство, реализующее этот способ, содержит одинаковое число запоминающих устройств (ЗУ) для кодера и декодера, ЗУ имеют суммарную емкость, численно равную количеству отсчетов за временной интервал выборок; также устройство содержит селекторные переключатели, осуществляющие выбор конкретного ЗУ в соответствии с законом, одинаково формируемым датчиками псевдослучайной последовательности в кодере и декодере, тем самым достигается случайное перемежовывание временных подынтервалов внутри интервалов выборок; устройство имеет в своем составе счетчики для подсчета количества выборок внутри временных интервалов, счетчики для подсчета количества выборок внутри выбранных по случайному закону подынтервалов, счетчик для подсчета числа подынтервалов на интервале выборок; устройство содержит генератор тактовых импульсов, датчик псевдослучайной последовательности, схему, осуществляющую управление процессом синхронизации абонентов и контроль синхронности работы составных частей устройства, схемы фильтрации и обработки входного и выходного аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь.

Известен способ кодирования речевых сигналов с помощью временной шифрации, заключающийся в делении речевого сигнала на временные интервалы, разбиение полученных интервалов на ряд подынтервалов и перестановку их по случайному закону, затем подынтервалы подвергаются временному сжатию или временному расширению в соответствии со случайным законом /6//7/. Устройство, реализующее этот способ, содержит схему предварительной фильтрации входящего речевого сигнала, аналого-цифровой преобразователь, линию задержки на двойную длину интервала выборок, схему адресации элементов ЗУ линии задержки в соответствии с законом, формируемым датчиком псевдослучайной последовательности, счетчики для подсчета количества выборок на интервале преобразования в кодере и декодере, тактовый генератор, схему для управления процессом синхронизации абонентов, схему записи в ЗУ и считывания из ЗУ, цифроаналоговый преобразователь, схему фильтрации выходного речевого сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является /2/.

Способ /2/ заключается в делении речевого сигнала на временные интервалы, разбиении полученных интервалов на ряд подынтервалов и перестановке их по случайному закону.

Недостатком способа является невысокая степень защищенности речевых сигналов от декодирования их посторонним наблюдателем.

Задачей изобретения является уменьшение вероятности декодирования речевых сигналов посторонним наблюдателем.

Поставленная задача решается тем, что в известный способ, заключающийся в делении речевого сигнала на временные интервалы, разбиении полученных интервалов на ряд подынтервалов и перестановку их по случайному закону введены: - выбор длительности временных интервалов по случайному закону; - выбор количества и длительности временных подынтервалов на интервале выборок по случайному закону; - для полученных в результате деления подынтервалов производят выбор направления считывания сигнала по случайному закону; - на подынтервалах, выбранных по случайному закону, считывание преобразованного сигнала производят со скоростью, превышающей скорость записи, а образовавшиеся в результате разницы скоростей временные паузы по случайному закону располагают на временном интервале и заполняют шумовым сигналом, параметры которого зависят от вида текущей псевдослучайной последовательности.

Устройство, реализующее способ /2/, содержит одинаковое число ЗУ для кодера и декодера, селекторные переключатели для осуществления выбора ЗУ, датчик псевдослучайной последовательности, счетчики для подсчета количества выборок внутри временных интервалов, счетчики для подсчета количества выборок внутри выбранных по случайному закону подынтервалов, счетчики для подсчета числа подынтервалов на интервале выборок, генератор тактовых импульсов, датчик псевдослучайной последовательности, схему, осуществляющую управление процессом синхронизации абонентов и контроль синхронности работы составных частей устройства, схемы фильтрации и обработки входного и выходного аналоговых сигналов, аналого-цифровой преобразователь, цифроаналоговый преобразователь.

Недостатком устройства, реализующего способ /2/, является его сложность и громоздкость.

Задачей изобретения является упрощение аппаратной реализации устройства с одновременным увеличением его функций для осуществления предлагаемого способа кодирования речевых сигналов.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее устройство сопряжения с каналом для исходящего речевого сигнала, соединенное с полосовым фильтром; устройство сопряжения с каналом для входящего кодированного речевого сигнала соединенное с полосовым фильтром; выходы полосовых фильтров соединены с входами коммутатора, выход коммутатора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя; цифроаналоговый преобразователь, выход которого соединен с коммутатором, один выход коммутатора соединен с полосовым фильтром, выход которого соединен с устройством сопряжения для выходного кодированного речевого сигнала, другой выход коммутатора соединен с полосовым фильтром, выход которого соединен с устройством сопряжения для выходного декодированного речевого сигнала, введен процессор, программно выполняющий функции устройства синхронизации абонентов и генератора псевдослучайной последовательности, осуществляющий восстановление спектра шумового сигнала, псевдослучайное преобразование над последовательностями цифровых отсчетов речевого сигнала для уменьшения вероятности декодирования сигнала посторонним наблюдателем, управление составными частями и контроль устройства.

Речевой сигнал дискретизируют на временном интервале псевдослучайной длительности T (фиг. 1), полученными цифровыми отсчетами, заполняют буфер, осуществляют псевдослучайный выбор длительности и количества возможных временных разбиений t на временном интервале T путем вычисления начальных и конечных адресов последовательностей отсчетов, хранящихся в буфере, выполняют псевдослучайную перестановку ряда последовательностей отсчетов путем задания порядка их считывания, производят псевдослучайный выбор направления считывания для каждой последовательности отсчетов, восстановление аналоговой формы сигнала на псевдослучайных временных интервалах выполняют с частотой, превышающей скорость записи, образовавшиеся в результате временные паузы псевдослучайно располагают на интервале T и заполняют шумовым сигналом S (фиг. 2), параметры которого зависит от вида текущей псевдослучайной последовательности. Эффективность кодирования речевого сигнала возрастает от применения совокупности предлагаемых способов кодирования.

Упрощение аппаратной реализации достигается введением процессора, программно выполняющего описанное преобразование, производящего синхронизацию устройств абонентов, генерацию псевдослучайной последовательности (ПСП), контроль линейных цепей и ЗУ.

На фиг. 3 приведена структурная схема устройства для реализации способа.

Устройство содержит устройство сопряжения с цепями прохождения исходящего от абитуриента речевого сигнала (УС1) 1, устройство сопряжения с цепями прохождения входящего из канала кодированного речевого сигнала (УС2) 2, первый полосовой фильтр (ПФ) 3, второй полосовой фильтр ПФ 4, первый коммутатор 5, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, процессор 7, содержащий микропроцессор (МП) 8, и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 9 и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 10, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 11, второй коммутатор 12, третий полосовой фильтр ПФ 13, четвертый полосовой фильтр ПФ 14, устройство сопряжения с выходными цепями для выдачи в канал кодированного речевого сигнала (УСЗ) 15, устройство сопряжения с выходными цепями для выдачи абоненту декодированного речевого сигнала (УС4) 16.

Выход УС1 1 соединен с входом ПФ 3, выход УС2 2 соединен с входом ПФ 4, выход ПФ 3 соединен с первым выходом коммутатора 5, выход ПФ 4 соединен с вторым входом коммутатора 5, выход коммутатора 5 соединен со входом АЦП 6, выходы АЦП 6 соединены с МП 8, ОЗУ 9 соединено с МП 8, ПЗУ 10 соединено с МП 8, входы ЦАП 11 соединены с МП 8, выход ЦАП 11 соединен с коммутатором 12, первый выход коммутатора 12 соединен с ПФ 13, второй выход коммутатора 12 соединен с ПФ 14, выход ПФ 13 соединен с УС3 15, выход ПФ 4 соединен с УС4 16.

Устройство работает следующим образом.

УС1, УС2, УС3, УС4 служат для подключения устройства в канал связи, спектр исходящего речевого сигнала ограничивается сверху и снизу на ПФ 3, через коммутатор 5 поступает на АЦП 6, где под управлением процессора 7 дискретизируется, выбранное количество отсчетов размещают в буфере ОЗУ 9, МП 8 осуществляет в цифровой форме описанное преобразование по программе, записанной в ПЗУ 10, и в заданном порядке выполняет считывание отсчетов из ОЗУ 9 в ЦАП 11, с выхода ЦАП 11 кодированный речевой сигнал проходит через коммутатор 12 и фильтруется ПФ 13.

Над входящим кодированным речевым сигналом, идущим по цепям ПФ 4, коммутатор 5, АЦП 6, ОЗУ 9, ЦАП 11, коммутатор 12 и ПФ 14 процессор производит обратное преобразование по программе, записанной в ПЗУ 8.

Функции устройства синхронизации абонентов - формирование и прием запускающей комбинации по цепям прохождения речевого сигнала, генерацию псевдослучайной последовательности заданной длины, псевдослучайное преобразование над последовательностью цифровых отсчетов, хранящейся в ОЗУ, контроль линейных цепей и ЗУ, сервисные функции выполняются под управлением процессора по программе, записанной в ПЗУ. Выигрыш достигается в результате программной реализации перечисленных функций, что не приводит к увеличению массогабаритных характеристик и не требует больших дополнительных ресурсов - производительности процессора, объема используемой памяти.

На фиг. 4 приведена функциональная схема устройства, реализующего описанный способ. На схеме обозначены центральный процессор (ЦП) 1, генератор тактовых импульсов со схемой деления частоты (ГТИ) 2, устройство сопряжения с цепями прохождения исходящего от абонента речевого сигнала (УС1) 3, устройство сопряжения с цепями прохождения входящего из канала кодированного речевого сигнала (УС2) 4, полосовой фильтр (ПФ) 5, ПФ 6, регистр адреса (РгА) 7, селектор адреса (СА) 8, ключа аналоговый (КА) 9, ОЗУ 10, АЦП 11, операционный усилитель с заданным коэффициентом усиления и смещением в область преобразования АЦП (ОУ) 12, ПЗУ 13, ЦАП 14, КА 15, ПФ 16, ПФ 17, магистральный приемопередатчик (МПП) 18, регистр управления (РгУ) 19, устройство сопряжения с выходными цепями для выдачи в канал кодированного речевого сигнала (УС3) 20, устройство сопряжения с выходными цепями для выдачи абоненту декодированного речевого сигнала (УС4) 21, передняя панель 22, на которой расположены матрица клавиатуры 23 и индикаторы 24.

Исходный речевой сигнал подается на УС1 3; выход УС1 3 соединен со входом ПФ 5; выход ПФ 5 соединен с первым входом КА 9; входящий кодированный речевой сигнал подается на УС2 4; выход УС2 4 соединен с входом ПФ6; выход УС2 4 соединен с вторым входом КА 9; выход КА 9 соединен с входом ОУ 12; выход ОУ 12 соединен с входом АЦП 11; выход ЦАП 14 соединен с КА 15; первый выход КА 15 соединен с входом ПФ 16; выход ПФ 16 соединен с входом УС3 20; с выхода УС3 20 снимают выходной кодированный речевой сигнал; второй выход КА 15 соединен с входом ПФ 17; выход ПФ 17 соединен с входом УС4 21; с выхода УС4 21 снимают выходной декодированный речевой сигнал; ЦП 1 соединен по мультиплексированной магистрали адрес-данные с РгА 7, с ОЗУ 10, с ПЗУ 13, с МПП 18, с АЦП 11, с ЦАП 14, с РгУ 19; с РгА 7 линии адреса соединены с ОЗУ 10, с ПЗУ 13, с СА 8; с СА 8 линии выбора устройства соединены с ОЗУ 10, с ПЗУ 13, с МПП 18, с АЦП 11, с ЦАП 14, с РгУ 19; с матрицы клавиатуры 23 линии анализа клавиш соединены с входами МПП 18; с РгУ 19 линия обслуживания клавиатуры соединены с матрицей клавиатуры 23; с РгУ 19 линии управления индикаторами соединены с индикаторами 24; с РгУ 19 линия сигнала запуска начала преобразования соединена с АЦП 11; с РгУ 19 линия управления входным ключом соединена с КА 9; с РгУ 19 линия управления выходным ключом соединена с КА 15; с РгУ 19 линия управления подключением устройства в канал соединена с УС1 3, с УС2 4, с УС3 20, с УС4 21; с АЦП 11 линия окончания преобразования соединена с МПП 18; с ГТИ 2 линия сигнала дискретизации частоты Fд соединена с ЦП 1; с ГТИ 2 линия сигнала тактовой частоты F1 соединена с ЦП 1; с ГТИ 2 линия сигнала частоты преобразования F2 соединена с АЦП 11.

Работа устройства выполняется под управлением ЦП 1 по программе, размещенной в ПЗУ 13. Тактовый сигнал с частотой F1 подается на ЦП 1 с ГТИ 2. Цикл одиночного обмена по магистрали адрес-данные между ЦП 1 и устройствами для выполнения операций чтения-записи данных начинается с выставлением ЦП 1 на магистраль адреса устройства. Адрес устройства запоминается на РгА 7, удерживается им на адресных входах ОЗУ 10 и ПЗУ 13, а также поступает на СА 8. СА 8 осуществляет выбор адресуемого ЦП 1 устройства (ОЗУ 10, АЦП 11, ПЗУ 13, ЦАП 14, МПП 18, РгУ 19).

С частотой, равной частоте дискретизации Fд, ЦП 1, следуя командам, выбранным из ПЗУ 13, выполняет цикл алгоритма в режиме - с преобразованием, заключающийся в следующем: ЦП 1 переключает с помощью РгУ 19 ключ КА 9 так, что коммутирует ПФ 5 с ОУ 12, тем самым подает на вход АЦП 11 исходящий от абонента речевой сигнал, прошедший по цепям УС1 3, ПФ 5, КА 9, ОУ 12; ЦП 1 через РгУ 19 подает на АЦП 11 сигнал запуска начала преобразования; по сигналу от АЦП 11 - преобразование выполнено, прочитанному через МПП 18, ЦП 1 считывает цифровой отсчет с АЦП 11 и размещает его в вычисленную ячейку ОЗУ 10, входящую в буфер для исходящего от абонента сигнала; ЦП 1 переключает с помощью РгУ 19 ключ КА 9 так, что коммутирует ПФ 6 с ОУ 12, тем самым подает на вход АЦП 11 входящий из канала кодированный речевой сигнал, прошедший по цепям УС2, ПФ 6, КА 9, ОУ 12; ЦП 1 через РгУ 19 подает на АЦП 11 сигнал запуска начала преобразования; по сигналу от АЦП 11 - преобразование выполнено, прочитанному через МПП 18, ЦП 1 считывает цифровой отсчет с АЦП 11 и размещает его в вычисленную ячейку ОЗУ 10, входящую в буфер для входящего из канала кодированного речевого сигнала; ЦП 1 переключает с помощью РгУ 19 ключ КА 15 так, что коммутирует выход ЦАП 14 с ПФ 16, тем самым образует цепь для выхода кодированного речевого сигнала - ЦАП 14, КА 15, ПФ 16, УС3 20; ЦП 1 считывает из вычисленной ячейки буфера ОЗУ отсчет речевого сигнала в зависимости от параметров кодирования, определяемых видом текущей псевдослучайной последовательности, и подает отсчет на ЦАП 14, с выхода которого аналоговый кодированный речевой сигнал фильтруется на ПФ 16 и через УС3 20 выдается в канал связи;
ЦП 1 перекрывает с помощью РгУ 19 ключ КА 15 так, что коммутирует выход ЦАП 14 с ПФ 17, тем самым образует цепь для выходного декодированного речевого сигнала - ЦАП 14, КА 15, ПФ 17, УС4 21; ЦП 1 считывает из вычисленной ячейки буфера ОЗУ отсчет речевого сигнала в зависимости от параметров декодирования определяемых видов текущей псевдослучайной последовательности и подает отсчет на ЦАП 14, с выхода которого аналоговый декодированный речевой сигнал фильтруется на ПФ 17 и через УС4 21 выдается абоненту.

Из последовательности текущих отсчетов для входящего кодированного речевого сигнала ЦП 1 пытается выделить синхропоследовательность (синхропоследовательность определенного вида хранится в ПЗУ в виде маски). В случае, если синхропоследовательность найдена, ЦП1 синхронизирует свою работу по ней.

Через заданное время, определяемое допустимой величиной рассинхронизации, или при подключении в канал ЦП 1 формирует синхропоследовательность определенного вида, идущую по цепям прохождения выходного кодированного речевого сигнала. ЦП1 с помощью РгУ 19 и МПП 18 выполняет опрос клавиш матрицы 23 передней панели 22 и обслуживает индикаторы 24.

Один цикл алгоритма проходит за квант, длительность которого обратно пропорциональна частоте дискретизации.

ЦП 1 один раз за время T, раздельно для исходящего и входящего речевых сигналов, формирует псевдослучайное число из последовательности заданной длины и в зависимости от его вида рассчитывает параметры кодирования для исходящего от абонента сигнала и параметры декодирования для входящего из канала сигнала, а также осуществляет выбор параметров для синтеза речеподобного шумового сигнала.

Время преобразования АЦП 11 пропорционально частоте F2. Сигнал этой частоты поступает на АЦП 11 с ГТИ 2.

Ввод ключа, определяющего вид псевдослучайной последовательности и задание режимов работы устройства (с преобразованием и без преобразования), отображение вводимой и выдаваемой информации о состоянии устройства, сервисные функции осуществляются с помощью передней панели 22 - размещенных на ней матрицы клавиатуры 23 и индикаторах 24, обслуживаемых программно под управлением ЦП 1. Ввод информации с передней панели (нажатие клавиши) сопровождается выдачей абоненту кратковременной тональной посылки по цепям прохождения речевого сигнала, регистрируемой им на слух и являющейся реакцией на нажатие клавиши. Генерация тональной посылки заданной длительности и частоты выполняется под управлением процессора.

Допускается раздельное попеременное включение-отключение кодирующей (передающей) и декодирующей (приемной) частей устройства через устройства сопряжения для каналов с полудуплексной связью и с симплексной связью. К передающей части относятся УС1 3 и УС3 20, к приемной части относятся УС2 4 и УС4 21.

При выключении устройства из канала передачи с передней панели 22 устройство пребывает в подключенном к каналу состоянии в течение времени, равным T, затем реализовано программное отключение устройств сопряжения для передачи. Тем самым обеспечивается передача сообщений без потерь, обусловленных временем задержки на преобразование.

Работа устройства в режиме - без преобразования позволяет осуществлять контроль линейных цепей, процессора и программного обеспечения. Сигналы в этом случае без задержки в ОЗУ транслируются с входа на выход под управлением процессора с частотой, равной частоте дискретизации (реализуется "прозрачный" канал - без кодирования). Анализ исправности составных частей устройства производит процессор с выдачей результатов контроля абоненту. Исправность устройства при этом регистрируется абонентом визуально по индикаторам передней панели, обслуживаемых процессором, и на слух с оценкой разборчивости.

Выбор параметров преобразования производится с учетом следующих условий:
- речевой сигнал в канале претерпевает задержку на суммарное время, равное 2T;
- временной интервал T ограничен сверху максимально допустимой задержкой доведения речевого сигнала до абонента;
- временной интервал t не должен превышать временного интервала T;
- временные интервалы T и t ограничены снизу влиянием на разборчивость возможно допустимой точности синхронизации;
- расширение полосы спектра за счет разницы в скоростях записи-считывания отсчетов не должно приводить к выходу из полосы пропускания используемого канала;
- число уровней квантования выбирается в зависимости от требований, предъявляемых к разборчивости речевого сигнала;
- частота дискретизации выбирается с учетом производительности процессора, используемой емкости ОЗУ.

Использование предлагаемого способа кодирования позволяет получить шифрованные речевые сигналы с высокой степенью защищенности от декодирования их посторонним наблюдателем, делающее менее вероятным несанкционированное прослушивание конфиденциальных переговоров.

Предложенное аппаратное решение эффективно реализует описанный способ кодирования.

В конкретной реализации предлагаемого способа использованы следующие параметры:
- длительность интервала T выбирается псевдослучайным образом в диапазоне 800 - 1300 мс с шагом в 20 мс;
- количество подынтервалов t выбирается псевдослучайным образом от 1 до 6;
- длительность подынтервалов t выбирается псевдослучайным образом и не менее 200 мс;
- псевдослучайный выбор порядка считывания подынтервалов t;
- псевдослучайный выбор направления считывания подынтервалов t;
- псевдослучайный выбор подъинтервалов t, на которых считывание производится со скоростью, превышающей скорость записи, образовавшиеся временные паузы по случайному закону располагаются на интервале T и заполняются шумовым сигналом, характеристики которого зависят от вида текущей ПСП;
- частота дискретизации 8 кГц;
- число уровней квантования 256 (отсчет-байт-8 бит);
- частоты среза ПФ по уровню - 6 дБ 300 Гц - 1,8(3,5) кГц;
- длина синхропоследовательности 13 бит, вид сигнала ЧТ;
- точность синхронизации +/-1 мс;
- допустимая рассинхронизация +/-5 мс за 3 мин.;
- длина ПСП 17 бит;
- производительность процессора 1.4 млн. оп/с;
- используемый объем ОЗУ 32 кбайт;
- используемый объем ПЗУ 2 кбайт;
- время преобразования АЦП 5 мкс.

Формула изобретения

Способ для кодирования речевых сигналов посредством временной шифрации, заключающейся в делении речевого сигнала на временные интервалы, разбиении полученных временных интервалов на ряд подынтервалов и перестановки их по случайному закону, отличающийся тем, что при делении речевого сигнала длительность временных интервалов формируют по случайному закону, по которому в каждом временном интервале определяют количество и длительность подынтервалов и направления считывания речевого сигнала в подынтервалах, по случайному закону определяют подынтервалы, считывание речевого сигнала в которых осуществляют со скоростью, превышающей скорость записи, полученные при этом временные паузы располагают на временном интервале между подынтервалами по случайному закону и заполняют шумовым сигналом, параметры которого формируют по случайному закону.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4