利用回音消除功能的音频会议安全保密系统及保密方法

摘要

本发明公开了一种利用回音消除功能的音频会议安全保密系统及保密方法，系统由控制系统和会场系统组成，控制系统由处理机、多路耳机分配器、会议系统主控器、多路音频功率放大器组成；会场系统由音箱、耳机、麦克风组成。处理机具备两块声卡并安装有音频会议安全保密软件；其中一号声卡具有回音消除功能。该软件由噪声播放模块、音频处理模块及纯净语音输出模块组成。方法是音频会议安全保密软件播放噪声、收集带噪语音并传输给一号声卡进行回音消除去噪，音频处理模块对回音消除去噪后的语音信号去除残留噪声。本发明解决了防窃听设备应对的窃听手段单一和声波传播范围不可控问题，能有效保证会议内容不被窃听且交流不受影响。

说明书

技术领域

本发明涉及音频信号领域，特指在会议场景下，防止会议内容被窃听的音频会议安全保 密系统。

背景技术

人们利用语音进行交流的过程是通过口腔振动发声，声音通过声音传输信道进行传递， 若传输信道将声音转化为其他类型的信号(如：无线电窃听器将声音转化为电磁波信号)，则 还要将传输后的信号转化成声音，最后由人耳接收。窃听者则通过建立新的声音传输信道来 窃取会议语音信息。例如激光窃听就是建立了空气——玻璃——激光——激光接收器——振 动分析仪——扬声器这个新的声音传输信道窃取了会议现场的语音信息。声音传输信道建立 的容易性和多样性大大增加了防窃听工作地难度。声音传输信道是指一切能够承载声音信息 并且能够将其传递的个体或系统。例如空气作为传播声音的介质是一种声音传输信道，再例 如由声音传感器——导线——扬声器组成的系统也是一种声音传输信道。

防窃听技术一般从两方面着手，一是针对窃听设备，使窃听设备失效从而达到防窃听的 目的。例如，针对无线电窃听的窃听器探测仪，针对手机监听的信号屏蔽器，针对激光窃听 的激光窃听干扰器。但是这些防窃听产品有一个共同的缺陷——只能针对特定的窃听手段， 例如，激光窃听干扰器对无线电窃听器显然是无效的。当难以预测对方会使用哪种窃听手段 时，防范措施就显得捉襟见肘。另一方面是针对窃听目标——语音，由于很难控制声波在空 间的传播范围，因此，无法绝对防止声波信号被录制或窃听。随着“棱镜门”事件的曝光， 涉密会议防窃听问题越来越受到重视，人们对能够在各种窃听环境下有效工作的防窃听设备 有着越来越迫切的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对目前市场上防窃听设备应对的窃听手段单一性和声 波传播范围的不可控制性问题，提出一种音频会议安全保密系统和保密方法，一方面针对任 何窃听手段都能有效保证会议内容不被窃听，一方面使得与会人员正常交流不受影响。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种音频会议安全保密系统和保密方 法，与会人者开会的同时在会场中使用音箱播放背景噪声以掩盖会场语音信息，使窃听者无 法理解窃听到的语音，然后利用麦克风采集会场中背景噪声与语音的混合声音(以下简称带 噪语音)并输入至电脑，使用已知的背景噪声信息进行去噪处理，最后将处理后得到的语音 信息传送给与会者完成交流。

音频会议安全保密系统由控制系统和会场系统两部分组成。控制系统由处理机、M个多 路耳机分配器、会议系统主控器、多路音频功率放大器组成，为方便起见控制系统放置于机 柜中,且为方便控制各部件电源的开关，可以采用电源时序器。会场系统由C个音箱、N个 耳机、N个麦克风组成。N等于参会人员数，C为正整数。

电源时序器用于控制控制系统中其余部件电源的开关，能够按照由前级设备到后级设备 逐个顺序启动电源，关闭供电电源时则由后级到前级的顺序关闭各类用电设备，有效统一地 管理和控制各类用电设备，避免人为的失误操作，同时又可减低用电设备在开关瞬间对供电 电网的冲击，避免感生电流对设备的冲击，确保了整个用电系统的稳定。电源时序器要求额 定电压220V，频率50Hz，至少具备五路三相电源插孔。电源时序器外接220V 50Hz交流电源， 依次为控制系统中处理机、多路耳机分配器、会议系统主控器、多路音频功率放大器供电。 电源时序器的设置是为了使对音频会议安全保密系统的操作更加方便，机柜中的多路耳机分 配器、会议系统主控器、多路音频功率放大器的开关长期处于开启状态,这样保证带噪音频信 号可以在电源开启后立即播放。当操作者按动电源时序器上电开关时，机柜中的各部件就可 以处于工作状态。

处理机是一台计算机。要求具备两块声卡、8G以上内存、3.5G以上主频、4核处理器， 安装Windows 7操作系统、Java jdk7以及音频会议安全保密软件。处理机是本发明的控制 中心，控制噪声的播放，控制带噪语音的采集，进行带噪语音的去噪增强处理，控制纯净语 音的输出。处理机硬件部分参与信号处理交互的主要是一号声卡和二号声卡。一号声卡采用 具有回音消除功能的(如sound blaster)声卡。一号声卡用于噪声播放和带噪语音采集并 对带噪语音进行回音消除，其音频输入端连接会议系统主控器，音频输出端连接多路音频功 率放大器，数据端口连接CPU数据总线；一号声卡对来自CPU的噪声信号进行数/模转换，得 到噪声音频模拟信号，将噪声音频模拟信号送给多路音频功率放大器；同时一号声卡对来自 会议系统主控器的带噪语音音频模拟信号进行模/数转换得到带噪语音信号，利用其回音消除 功能进行第一次去噪，并将经过回音消除去噪后的语音信号(相对纯净的语音信号)送至CPU； 二号声卡用于纯净语音输出，其音频输出端连接多路耳机分配器，数据端口连接CPU数据总 线，二号声卡对从CPU传来的纯净语音信号进行数模转换，将得到的纯净语音音频模拟信号 送给多路耳机分配器。

处理机内部安装有音频会议安全保密软件(由CPU运行)，音频会议安全保密软件由噪声 播放模块、音频处理模块以及纯净语音输出模块组成。

噪声播放模块调用一段存放在处理机中事先采集过的噪声文件，这段噪声是在嘈杂环境 下录制的人声噪声，满足有色、频谱动态变化、与人交谈语音特征相似等特点，可以在较低 音量情况下掩盖语音。噪声播放模块与一号声卡的数/模转换端、音频处理模块相连，从处理 机存贮空间读取噪声文件，将噪声文件切分成o(o为正整数)份，每份时间长度t尽量小 (t≤0.5秒)，当从键盘接收到开始播放噪声的指令时，噪声播放模块生成随机数i(1≤i≤o 为正整数)，选取第i份噪声片段即噪声信号送至一号声卡，播放完毕后重新生成随机数i并 播放第i段噪声片段，重复这个过程直到噪声播放模块从键盘接到结束指令。随机播放噪声 可以防止噪声信息泄露使得窃听者有机会还原出与会者的语音信息。

一号声卡是具有回音消除功能的sound blaster声卡，该声卡对带噪语音信号进行第一 遍去噪，即通过声卡中自带的回音消除功能去除噪音中的背景噪音，得到相对纯净的语音信 号，将相对纯净的语音信号送给音频处理模块。

音频处理模块与一号声卡相连，并通过第二缓冲管道与纯净语音输出模块连接。由于相 对纯净的语音信号仍有残留噪声，因此，音频处理模块进一步采用OM-LSA和小波阈值去噪结 合的综合算法(参见刘凤增,李国辉,李博在《计算机科学与探索》2011年第五卷发表的《OM-LSA 和小波阈值去噪结合的语音增强》中公开的OM-LSA和小波阈值去噪结合的综合算法)对残留 噪声进行处理，得到纯净语音信号，将纯净语音信号放到第二缓冲管道中等待纯净语音输出 模块将纯净语音信号取走。

纯净语音输出模块与二号声卡输出端连接，当纯净语音输出模块中不存在未播放的语音 时，纯净语音输出模块从第二缓冲管道取出纯净语音信号送至二号声卡数/模转换端。

多路耳机分配器具备K个耳机输出口，每个耳机输出口都带有独立的功率放大器和音量 调节旋扭。多路耳机分配器接收来自处理机二号声卡传来的处理后的纯净语音音频模拟信号， 并将纯净语音音频模拟信号送至各路耳机传递到与会人员耳中。当与会人数超过K时，耳机 分配器的输出端可级联次级耳机分配器以扩展与会人数。多路耳机分配器的个数M由与会人 数N、耳机输出口数量K决定，K为正整数，每一个次级耳机分配器占用一个音频输出端， 额外提供K个输出，所以每个次级耳机分配器净提供K-1个音频输出端，提供的耳机输出口 总数要大于与会人数N才能够正常召开会议。所以所需耳机分配器数量满足约束

会议系统主控器集成会场语音信息，控制系统中多个麦克风的开关，采集麦克风传送进 入系统的带噪语音音频模拟信号。会议系统主控器市场上可购买到，是常规音频会议的控制 中心。会议系统主控器要求支持8芯音频线，8芯音频线终端为T型头，可以既连接会议麦 克风又扩展连接另一个8芯音频线实现“手拉手连接”。“手拉手连接”是指：麦克风首尾串 联连接，即第一只麦克风接到会议主机后，从第一只麦克风引出一根线接上第二只麦克风， 然后从第二只麦克风引出一根线接到第三只麦克风，依次串联w个，w≥N/R，R为会议系 统主控器具备的八芯音频线输出端的个数，R为正整数。

多路音频功率放大器具备放大音频信号和多路输出的功能，多路音频输出端口个数不少 于音箱的个数C。多路音频功率放大器接收来自一号声卡的噪声音频模拟信号，将噪声音频 模拟信号进行放大并送至与多路音频功率放大器的多路音频输出端口连接的多个音箱。音箱 与多路音频功率放大器相连，播放从多路音频功率放大器传来的会场背景噪声。音箱数量依 据会场面积大小决定，设最大输出功率为P的音箱可有效掩盖s平方米面积的会场。音箱个 数L≥S/s，其中S是会场面积，s通过实验测得。

耳机作为语音输出设备，将从多路耳机分配器接收到的去噪后的语音传给与会者。与会 者每人都需要佩戴一副耳机，所以耳机数量等于与会人数N。耳机与多路耳机分配器相连， 并由与会者佩戴。

麦克风是本发明带噪语音的采集设备，采用具有支持会议投票功能的麦克风。一个麦克 风与会议系统主控器相连，其余麦克风使用8芯T型端音频线以“手拉手连接”方式相连。 每个与会者使用一个麦克风，因此麦克风的个数等于参加会议的人数N。

采用本发明音频会议安全保密系统进行保密的方法是：

第一步，给机柜中会议系统主控器、多路音频功率放大器、多路耳机分配器、处理机上 电，开启控制箱外音箱、耳机分配器电源。会议系统主控器集成会场语音信息，控制系统中 多个麦克风的开关，采集麦克风传送进入系统的带噪语音音频模拟信号。多路音频功率放大 器将纯净语音的功率增大，再通过多路耳机分配器在与会者的耳机中播放，处理机开始运行 音频会议安全保密软件。

第二步，噪声播放模块将噪声信号依次传递给一号声卡、多路音频功率放大器、音箱， 在会场中播放噪声。此时与会者开始会议，会场中语音信息被噪声掩盖住。一号声卡对来自 会议系统主控器的带噪语音音频模拟信号进行模/数转换后得到带噪语音信号，并对其进行回 音消除，去除部分背景噪音，并将经过回音消除去噪后的语音信号(相对纯净的语音信号) 送至音频处理模块。

第三步，音频处理模块利用OM-LSA和小波阈值去噪结合的语音增强算法对经过回音消除 去噪后的语音信号(相对纯净的语音信号)去除残留噪声，得到纯净语音信号，并将纯净语 音信号送至纯净语音输出模块。

第四步，纯净语音输出模块将纯净语音信号依次传输至二号声卡、多路耳机分配器、耳 机，纯净语音从耳机中播放，与会者可以在耳机中听到会场的信息。

采用本发明可以达到以下效果：

1、本发明音频会议安全保密系统可以针对实现对会议室信息的有效加密，保护会议室 信息安全，干扰会议室窃听设备的使用，解决了目前市场上防窃听设备应对的窃听手段单一 性和声波传播范围的不可控制性问题，针对任何窃听手段都能有效保证会议内容不被窃听， 具有普适性。

2、本发明音频会议安全保密系统可以在防窃听的同时实现会议室系统的正常功能—— 即保证与会人员正常的信息交流。会议室系统中的麦克风接受到带噪语音后，输送到主机， 通过一号声卡和音频处理模块消除噪音，在降噪处理后，得到纯净语音信号，将该纯净语音 信号通过声卡和耳机分配器传送给各位与会人员所携带的耳机里，保证与会人员能够很好的 接受到会议信息同时正确传达信息。

本发明音频会议安全保密方法通过双重去噪的过程，即第一次采用一号声卡的回音消除 功能进行第一次去噪，去除背景噪音，然后由音频处理模块采用OM-LSA和小波阈值去噪结合 的综合算法对残留噪音进行处理，能够很好的实现带噪语音的解密过程，而且实现速度较快， 有效减小了时延，从而能够达到很好的还原效果，保障会议室的信息的正常传达。

附图说明

图1是本发明音频会议安全保密系统总体结构图；

图2是本发明音频会议安全保密软件结构图；

图3是本发明音频会议安全保密方法流程图。

具体实施方式

图1是本发明音频会议安全保密系统总体结构图；

音频会议安全保密系统由控制系统和会场系统两部分组成。控制系统由处理机、M个多 路耳机分配器、会议系统主控器、多路音频功率放大器组成，为方便起见控制系统放置于机 柜中,且为方便控制各部件电源的开关，可以采用电源时序器。会场系统由C个音箱、N个 耳机、N个麦克风组成。N等于参会人员数，C为正整数。

电源时序器用于控制控制系统中其余部件电源的开关，电源时序器要求额定电压220V， 频率50Hz，至少具备五路三相电源插孔。电源时序器外接220V 50Hz交流电源，依次为控制 系统中处理机、多路耳机分配器、会议系统主控器、多路音频功率放大器供电。电源时序器 的设置是为了使对音频会议安全保密系统的操作更加方便，机柜中的多路耳机分配器、会议 系统主控器、多路音频功率放大器的开关长期处于开启状态,这样保证带噪音频信号可以再电 源开启后立即播放。当操作者按动电源时序器上电开关时，机柜中的各部件就可以处于工作 状态。

处理机是一台计算机。要求具备两块声卡、8G以上内存、3.5G以上主频、4核处理器， 安装Windows 7操作系统、Java jdk7以及音频会议安全保密软件。处理机是本发明的控制 中心，控制噪声的播放，控制带噪语音的采集，进行带噪语音的去噪增强处理，控制纯净语 音的输出。处理机硬件部分参与信号处理交互的主要是一号声卡和二号声卡。一号声卡采用 具有回音消除功能的(如sound blaster)声卡。一号声卡用于噪声播放和带噪语音采集并 对带噪语音进行回音消除，其音频输入端连接会议系统主控器，音频输出端连接多路音频功 率放大器，数据端口连接CPU数据总线；一号声卡对来自CPU的噪声信号进行数/模转换，得 到噪声音频模拟信号，将噪声音频模拟信号送给多路音频功率放大器；同时一号声卡对来自 会议系统主控器的带噪语音音频模拟信号进行模/数转换得到带噪语音信号，利用其回音消除 功能进行第一次去噪，并将经过回音消除去噪后的语音信号(相对纯净的语音信号)送至CPU； 二号声卡用于纯净语音输出，其音频输出端连接多路耳机分配器，数据端口连接CPU数据总 线，二号声卡对从CPU传来的纯净语音信号进行数模转换，将得到的纯净语音音频模拟信号 送给多路耳机分配器。

图2是本发明音频会议安全保密软件结构图；

处理机内部安装有音频会议安全保密软件，音频会议安全保密软件由噪声播放模块、音 频处理模块以及纯净语音输出模块组成。

噪声播放模块调用一段存放在处理机中事先采集过的噪声文件，这段噪声是在嘈杂环境 下录制的人声噪声，满足有色、频谱动态变化、与人交谈语音特征相似等特点，可以在较低 音量情况下掩盖语音。噪声播放模块与一号声卡的数/模转换端、音频处理模块相连，从处理 机存贮空间读取噪声文件，将噪声文件切分成o(o为正整数)份，每份时间长度t尽量小 (t≤0.5秒)，当从键盘接收到开始播放噪声的指令时，噪声播放模块生成随机数i(1≤i≤o 为正整数)，选取第i份噪声片段即噪声信号送至一号声卡，播放完毕后重新生成随机数i并 播放第i段噪声片段，重复这个过程直到噪声播放模块从键盘接到结束指令。随机播放噪声 可以防止噪声信息泄露使得窃听者有机会还原出与会者的语音信息。

一号声卡是具有回音消除功能的sound blaster声卡，该声卡对带噪语音信号进行第一 遍去噪，即通过声卡中自带的回音消除功能去除噪音中的背景噪音，得到相对纯净的语音信 号，将相对纯净的语音信号送给音频处理模块。

音频处理模块与一号声卡相连，并通过第二缓冲管道与纯净语音输出模块连接。由于相 对纯净的语音信号仍有残留噪声，因此，音频处理模块进一步采用OM-LSA和小波阈值去噪结 合的综合算法对残留噪声进行处理，得到纯净语音信号，将纯净语音信号放到第二缓冲管道 中等待纯净语音输出模块将纯净语音信号取走。纯净语音输出模块与二号声卡输出端连接， 当纯净语音输出模块中不存在未播放的语音时，纯净语音输出模块从第二缓冲管道取出纯净 语音信号送至二号声卡数/模转换端。

图3是本发明音频会议安全保密方法流程图。

第一步，给机柜中会议系统主控器、多路音频功率放大器、多路耳机分配器、处理机上 电，开启控制箱外音箱、耳机分配器电源。会议系统主控器集成会场语音信息，控制系统中 多个麦克风的开关，采集麦克风传送进入系统的带噪语音音频模拟信号。多路音频功率放大 器将纯净语音的功率增大，再通过多路耳机分配器在与会者的耳机中播放，处理机开始运行 音频会议安全保密软件。

第二步，噪声播放模块将噪声信号依次传递给一号声卡、多路音频功率放大器、音箱， 在会场中播放噪声。此时与会者开始会议，会场中语音信息被噪声掩盖住。一号声卡对来自 会议系统主控器的带噪语音音频模拟信号进行模/数转换后得到带噪语音信号，并对其进行回 音消除，去除部分背景噪音，并将经过回音消除去噪后的语音信号(相对纯净的语音信号) 送至音频处理模块。

第三步，音频处理模块利用OM-LSA和小波阈值去噪结合的语音增强算法对经过回音消除 去噪后的语音信号(相对纯净的语音信号)去除残留噪声，得到纯净语音信号，并将纯净语 音信号送至纯净语音输出模块。

第四步，纯净语音输出模块将纯净语音信号依次传输至二号声卡、多路耳机分配器、耳 机，纯净语音从耳机中播放，与会者可以在耳机中听到会场的信息。