基于MATLAB的語(yǔ)音加密與解密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林楷松 羅惠針 孫明

摘要：在大數(shù)據(jù)時(shí)代，個(gè)人隱私難以得到保護(hù)，一次網(wǎng)頁(yè)瀏覽也可能會(huì)造成隱私泄露，因此，信息保護(hù)愈發(fā)重要。本文將語(yǔ)音信號(hào)的保密和解密作為主要研究，著重研究頻帶置亂法，通過(guò)構(gòu)造出一種可逆的加密系統(tǒng)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行加密與解密，并在MATLAB軟件上進(jìn)行語(yǔ)音驗(yàn)證和結(jié)果對(duì)比。同時(shí)，簡(jiǎn)單介紹下頻移法以及DCT變換這兩種加密原理并與之形成對(duì)比。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用頻帶置亂法對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行加密的效果最好，解密后的語(yǔ)音信號(hào)與原信號(hào)一致。

關(guān)鍵詞：MATLAB;頻移法;頻帶置亂法;DCT

0 引言

在語(yǔ)音信息處理技術(shù)中，對(duì)語(yǔ)音加密的探究一直是熱門的研究點(diǎn)，一種既簡(jiǎn)單保密效果又好的加密技術(shù)是社會(huì)所需求的。在通信系統(tǒng)中常采用的語(yǔ)音加密技術(shù)分為兩種：模擬和數(shù)字加密。語(yǔ)音最早采用的加密技術(shù)是頻域打亂，至今仍有應(yīng)用。頻域置亂有三種常用方法：帶移倒頻、倒頻器及頻帶分割。倒頻器是將高低頻交換，使將高頻頻率成分與低頻頻率成分交換，降低可讀，達(dá)到保密效果。常用倒頻器沒(méi)有密鑰，故保密性一般。帶移倒頻是以倒頻器為基礎(chǔ)引入密鑰，從而成為真正意義上的語(yǔ)音加密機(jī)。頻帶分割是將信號(hào)頻譜均分成等同的子帶，然后將子帶順序打亂，從而實(shí)現(xiàn)置亂，起到保密效果。本文著重研究頻帶置亂法，通過(guò)MATLAB軟件進(jìn)行仿真，較好的解決語(yǔ)音在加密安全方面的問(wèn)題，并加深對(duì)語(yǔ)音信號(hào)處理的理解和掌握。

1 語(yǔ)音信號(hào)系統(tǒng)加密方法——頻帶置亂法

1.1 加密系統(tǒng)原理

加密系統(tǒng)原理圖如圖1所示。設(shè)原語(yǔ)音數(shù)據(jù)為X（t），經(jīng)過(guò)快速傅里葉變換（FFT）得到語(yǔ)音頻譜X（jw），X（jw）通過(guò)密鑰加密得到頻譜Y（jw），Y（jw）經(jīng)過(guò)反密鑰解密為X（jw），X（jw）通過(guò)逆快速傅里葉變換（逆FFT）重新得到原語(yǔ)音信號(hào)X（t）。

1.2 加密密鑰原理

1.2.1 加密原理

首先在進(jìn)行加密密鑰之前，抽取一段音頻的1000個(gè)樣本點(diǎn)進(jìn)行，進(jìn)行FFT傅立葉變換得到頻域數(shù)據(jù)。加密密鑰原理是指將每個(gè)頻域數(shù)據(jù)編號(hào)1到1000，將數(shù)據(jù)編號(hào)的個(gè)位數(shù)為1的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按順序放在B1一組中，其B2是將數(shù)據(jù)編號(hào)的個(gè)位數(shù)為2的數(shù)據(jù)點(diǎn)，按順序放在B2中，其B3，...，B10以此類推，最終形成新的排序的1000個(gè)樣本點(diǎn)，即可實(shí)現(xiàn)加密。

1.2.2 加密過(guò)程原理圖

1.3 解密密鑰原理

將加密過(guò)程產(chǎn)生的新排序的樣本點(diǎn)按順序編號(hào)為1-1000，以編號(hào)1為起始點(diǎn)，100為公差取10個(gè)點(diǎn)，這10個(gè)點(diǎn)為1、2、3……10，儲(chǔ)存在C1中，再以編號(hào)2為起始點(diǎn)，100為公差取10個(gè)點(diǎn)，這10個(gè)點(diǎn)為11、12、13……20儲(chǔ)存在C2中，以此類推，產(chǎn)生C1-C100共100組數(shù)據(jù)，按C1-C100的順序排序，即可實(shí)現(xiàn)解密。

1.3.1 解密過(guò)程原理圖

1.3.2 頻帶置亂加密解密圖形及結(jié)果分析

結(jié)果分析：由圖（1）可知，該加密方式在頻域上已經(jīng)把原來(lái)的頻譜完全改變，如果不知道加密方式，很難去還原原來(lái)的信號(hào)，所以該加密性能良好，起到保密的效果。

2 其他語(yǔ)音加密方式

2.1 頻移法加密原理和解密原理設(shè)計(jì)

在一段時(shí)域信號(hào)中取1000個(gè)樣本點(diǎn)，將信號(hào)進(jìn)行FFT變換得到頻譜圖，得到其頻帶范圍在（0，f1），通過(guò)與頻移因子cos（2*π*f*T）相乘得到頻譜的搬遷，其加密信號(hào)頻譜為（f，f+f1），從而實(shí)現(xiàn)其信號(hào)的加密。解密原理：只需將加密信號(hào)再跟頻移因子相乘，即可得到原來(lái)的信號(hào)的頻譜，達(dá)到解密的功能。

2.2 DCT變換加密及解密原理

取一段信號(hào)的1000個(gè)樣本點(diǎn)，通過(guò)DCT一維變換公式的變換從而進(jìn)行語(yǔ)音加密，原理如公式（1）（2），其中f（i）為原始樣本點(diǎn)，c（u）是加上去的系數(shù)，N是f（x）的總數(shù)，F(xiàn)（u）為加密信號(hào)。

2.3 加密結(jié)果

3 三種加密方式的結(jié)果分析

分析圖（2）可知，頻移法雖然能實(shí)現(xiàn)加密作用，但其局限性是只是將整個(gè)信號(hào)的頻譜進(jìn)行搬移，一般可以通過(guò)多次頻移來(lái)進(jìn)行解密，所以其保密性效果差。分析圖（3）可知，對(duì)于DCT一維變換來(lái)說(shuō)，它的原理簡(jiǎn)單，且容易實(shí)現(xiàn)，但是DCT主要應(yīng)用于對(duì)信號(hào)和圖片的有損數(shù)據(jù)壓縮。對(duì)比圖（2）與圖（3），圖（1）所用的頻帶置亂實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音加密解密的方法，其保密性是最好的，在不知道密鑰的情況下很難得知其原來(lái)的頻譜，加密功能好，且比較容易實(shí)現(xiàn)，至今仍被廣泛應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文中采用了三種語(yǔ)音加密方式（頻帶置亂，頻帶搬移，DCT變換）從而實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音

加密系統(tǒng)的加密，并相應(yīng)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的解密系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)解密功能，通過(guò)結(jié)果分析，其采用頻帶置亂的方式的加密器保密效果最好，且容易實(shí)現(xiàn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 李靜.基于Matlab的語(yǔ)音信號(hào)采集和處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].山西大同大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（02）.

作者簡(jiǎn)介：林楷松，男，廣東揭陽(yáng)人，本科在讀。

（作者單位：佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院）