基于MATLAB的語音加密與解密系統設計

林楷松 羅惠針 孫明

摘要：在大數據時代，個人隱私難以得到保護，一次網頁瀏覽也可能會造成隱私泄露，因此，信息保護愈發重要。本文將語音信號的保密和解密作為主要研究，著重研究頻帶置亂法，通過構造出一種可逆的加密系統，對語音信號進行加密與解密，并在MATLAB軟件上進行語音驗證和結果對比。同時，簡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比。實驗結果表明，采用頻帶置亂法對語音進行加密的效果最好，解密后的語音信號與原信號一致。

關鍵詞：MATLAB;頻移法;頻帶置亂法;DCT

0 引言

在語音信息處理技術中，對語音加密的探究一直是熱門的研究點，一種既簡單保密效果又好的加密技術是社會所需求的。在通信系統中常采用的語音加密技術分為兩種：模擬和數字加密。語音最早采用的加密技術是頻域打亂，至今仍有應用。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，達到保密效果。常用倒頻器沒有密鑰，故保密性一般。帶移倒頻是以倒頻器為基礎引入密鑰，從而成為真正意義上的語音加密機。頻帶分割是將信號頻譜均分成等同的子帶，然后將子帶順序打亂，從而實現置亂，起到保密效果。本文著重研究頻帶置亂法，通過MATLAB軟件進行仿真，較好的解決語音在加密安全方面的問題，并加深對語音信號處理的理解和掌握。

1 語音信號系統加密方法——頻帶置亂法

1.1 加密系統原理

加密系統原理圖如圖1所示。設原語音數據為X（t），經過快速傅里葉變換（FFT）得到語音頻譜X（jw），X（jw）通過密鑰加密得到頻譜Y（jw），Y（jw）經過反密鑰解密為X（jw），X（jw）通過逆快速傅里葉變換（逆FFT）重新得到原語音信號X（t）。

1.2 加密密鑰原理

1.2.1 加密原理

首先在進行加密密鑰之前，抽取一段音頻的1000個樣本點進行，進行FFT傅立葉變換得到頻域數據。加密密鑰原理是指將每個頻域數據編號1到1000，將數據編號的個位數為1的數據點，按順序放在B1一組中，其B2是將數據編號的個位數為2的數據點，按順序放在B2中，其B3，...，B10以此類推，最終形成新的排序的1000個樣本點，即可實現加密。

1.2.2 加密過程原理圖

1.3 解密密鑰原理

將加密過程產生的新排序的樣本點按順序編號為1-1000，以編號1為起始點，100為公差取10個點，這10個點為1、2、3……10，儲存在C1中，再以編號2為起始點，100為公差取10個點，這10個點為11、12、13……20儲存在C2中，以此類推，產生C1-C100共100組數據，按C1-C100的順序排序，即可實現解密。

1.3.1 解密過程原理圖

1.3.2 頻帶置亂加密解密圖形及結果分析

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

2 其他語音加密方式

2.1 頻移法加密原理和解密原理設計

在一段時域信號中取1000個樣本點，將信號進行FFT變換得到頻譜圖，得到其頻帶范圍在（0，f1），通過與頻移因子cos（2*π*f*T）相乘得到頻譜的搬遷，其加密信號頻譜為（f，f+f1），從而實現其信號的加密。解密原理：只需將加密信號再跟頻移因子相乘，即可得到原來的信號的頻譜，達到解密的功能。

2.2 DCT變換加密及解密原理

取一段信號的1000個樣本點，通過DCT一維變換公式的變換從而進行語音加密，原理如公式（1）（2），其中f（i）為原始樣本點，c（u）是加上去的系數，N是f（x）的總數，F（u）為加密信號。

2.3 加密結果

3 三種加密方式的結果分析

分析圖（2）可知，頻移法雖然能實現加密作用，但其局限性是只是將整個信號的頻譜進行搬移，一般可以通過多次頻移來進行解密，所以其保密性效果差。分析圖（3）可知，對于DCT一維變換來說，它的原理簡單，且容易實現，但是DCT主要應用于對信號和圖片的有損數據壓縮。對比圖（2）與圖（3），圖（1）所用的頻帶置亂實現語音加密解密的方法，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的頻譜，加密功能好，且比較容易實現，至今仍被廣泛應用。

4 結語

本文中采用了三種語音加密方式（頻帶置亂，頻帶搬移，DCT變換）從而實現語音

加密系統的加密，并相應設計出相應的解密系統實現解密功能，通過結果分析，其采用頻帶置亂的方式的加密器保密效果最好，且容易實現，具有較好的經濟效益。

參考文獻：

[1] 李波.基于 Matlab 的語音信號加密處理[J].信息技術材料，2019（04）.

[2] 李靜.基于Matlab的語音信號采集和處理系統的設計[J].山西大同大學學報，2016（02）.

作者簡介：林楷松，男，廣東揭陽人，本科在讀。

（作者單位：佛山科學技術學院 電子信息工程學院）