基于MATLAB的语音加密与解密系统设计

林楷松 罗惠针 孙明

摘要：在大数据时代，个人隐私难以得到保护，一次网页浏览也可能会造成隐私泄露，因此，信息保护愈发重要。本文将语音信号的保密和解密作为主要研究，着重研究频带置乱法，通过构造出一种可逆的加密系统，对语音信号进行加密与解密，并在MATLAB软件上进行语音验证和结果对比。同时，简单介绍下频移法以及DCT变换这两种加密原理并与之形成对比。实验结果表明，采用频带置乱法对语音进行加密的效果最好，解密后的语音信号与原信号一致。

关键词：MATLAB;频移法;频带置乱法;DCT

0 引言

在语音信息处理技术中，对语音加密的探究一直是热门的研究点，一种既简单保密效果又好的加密技术是社会所需求的。在通信系统中常采用的语音加密技术分为两种：模拟和数字加密。语音最早采用的加密技术是频域打乱，至今仍有应用。频域置乱有三种常用方法：带移倒频、倒频器及频带分割。倒频器是将高低频交换，使将高頻频率成分与低频频率成分交换，降低可读，达到保密效果。常用倒频器没有密钥，故保密性一般。带移倒频是以倒频器为基础引入密钥，从而成为真正意义上的语音加密机。频带分割是将信号频谱均分成等同的子带，然后将子带顺序打乱，从而实现置乱，起到保密效果。本文着重研究频带置乱法，通过MATLAB软件进行仿真，较好的解决语音在加密安全方面的问题，并加深对语音信号处理的理解和掌握。

1 语音信号系统加密方法——频带置乱法

1.1 加密系统原理

加密系统原理图如图1所示。设原语音数据为X（t），经过快速傅里叶变换（FFT）得到语音频谱X（jw），X（jw）通过密钥加密得到频谱Y（jw），Y（jw）经过反密钥解密为X（jw），X（jw）通过逆快速傅里叶变换（逆FFT）重新得到原语音信号X（t）。

1.2 加密密钥原理

1.2.1 加密原理

首先在进行加密密钥之前，抽取一段音频的1000个样本点进行，进行FFT傅立叶变换得到频域数据。加密密钥原理是指将每个频域数据编号1到1000，将数据编号的个位数为1的数据点，按顺序放在B1一组中，其B2是将数据编号的个位数为2的数据点，按顺序放在B2中，其B3，...，B10以此类推，最终形成新的排序的1000个样本点，即可实现加密。

1.2.2 加密过程原理图

1.3 解密密钥原理

将加密过程产生的新排序的样本点按顺序编号为1-1000，以编号1为起始点，100为公差取10个点，这10个点为1、2、3……10，储存在C1中，再以编号2为起始点，100为公差取10个点，这10个点为11、12、13……20储存在C2中，以此类推，产生C1-C100共100组数据，按C1-C100的顺序排序，即可实现解密。

1.3.1 解密过程原理图

1.3.2 频带置乱加密解密图形及结果分析

结果分析：由图（1）可知，该加密方式在频域上已经把原来的频谱完全改变，如果不知道加密方式，很难去还原原来的信号，所以该加密性能良好，起到保密的效果。

2 其他语音加密方式

2.1 频移法加密原理和解密原理设计

在一段时域信号中取1000个样本点，将信号进行FFT变换得到频谱图，得到其频带范围在（0，f1），通过与频移因子cos（2*π*f*T）相乘得到频谱的搬迁，其加密信号频谱为（f，f+f1），从而实现其信号的加密。解密原理：只需将加密信号再跟频移因子相乘，即可得到原来的信号的频谱，达到解密的功能。

2.2 DCT变换加密及解密原理

取一段信号的1000个样本点，通过DCT一维变换公式的变换从而进行语音加密，原理如公式（1）（2），其中f（i）为原始样本点，c（u）是加上去的系数，N是f（x）的总数，F（u）为加密信号。

2.3 加密结果

3 三种加密方式的结果分析

分析图（2）可知，频移法虽然能实现加密作用，但其局限性是只是将整个信号的频谱进行搬移，一般可以通过多次频移来进行解密，所以其保密性效果差。分析图（3）可知，对于DCT一维变换来说，它的原理简单，且容易实现，但是DCT主要应用于对信号和图片的有损数据压缩。对比图（2）与图（3），图（1）所用的频带置乱实现语音加密解密的方法，其保密性是最好的，在不知道密钥的情况下很难得知其原来的频谱，加密功能好，且比较容易实现，至今仍被广泛应用。

4 结语

本文中采用了三种语音加密方式（频带置乱，频带搬移，DCT变换）从而实现语音

加密系统的加密，并相应设计出相应的解密系统实现解密功能，通过结果分析，其采用频带置乱的方式的加密器保密效果最好，且容易实现，具有较好的经济效益。

参考文献：

[1] 李波.基于 Matlab 的语音信号加密处理[J].信息技术材料，2019（04）.

[2] 李静.基于Matlab的语音信号采集和处理系统的设计[J].山西大同大学学报，2016（02）.

作者简介：林楷松，男，广东揭阳人，本科在读。

（作者单位：佛山科学技术学院 电子信息工程学院）