語音加密解密算法研究及仿真和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目木設(shè)計(jì)方案

1、<p>　　語音加密解密算法研究及仿真和實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目木設(shè)計(jì)方案</p><p>　　1 引言（或緒論）</p><p>　　現(xiàn)代信息通信技術(shù)的發(fā)展迅速，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的移動(dòng)化，功能的智能化，傳輸?shù)臒o線化，對(duì)語音的應(yīng)用也向著這些方面發(fā)展，語音傳輸設(shè)備的可移動(dòng)性，語音傳輸質(zhì)量的可控性，語音傳輸介質(zhì)的無線性。同時(shí)也對(duì)語音傳輸?shù)谋憷?，傳輸過程中的安全性提出了更高要求。因此本課題要求針對(duì)語音

2、信息如何進(jìn)行安全傳輸進(jìn)行的研究，設(shè)計(jì)出一種切實(shí)可行的方案，并對(duì)方案做出改進(jìn)。主要工作有語音采集、語音信號(hào)預(yù)處理，語音信息的數(shù)制轉(zhuǎn)換及逆轉(zhuǎn)換，語音信號(hào)逆處理，語音信號(hào)加解密處理，以完成一次較完整的語音安全傳輸過程。</p><p>　　1．1 課題來源及意義</p><p>　　由于信息具有開放性的特征不可避免的產(chǎn)生信息安全問題，信息安全問題層出不窮，每天威脅著網(wǎng)絡(luò)用戶的安全[1]，語音的

3、安全問題在手機(jī)通訊中并不被關(guān)注，因?yàn)槟壳暗陌踩胧┮鸦緷M足，而在軍隊(duì)或商業(yè)安全領(lǐng)域等安全性需求高的地方需要更高的安全保障。這就需要在語音的傳輸過程中對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加密保護(hù)，通過對(duì)語音進(jìn)行加密措施使其成為一段與噪聲相似的信號(hào)，在沒有獲知解密方法的前提下，即使語音信號(hào)被截獲，也因?yàn)椴荒軐⑵渥儞Q為原來的語音數(shù)據(jù)而竊取信息。由此可以看出,加密方法的選取直接影響到語音信號(hào)的保密性。據(jù)此選擇近幾年來的流行加密方法混沌加密。</p>

4、<p>　　1.2 混沌加密簡(jiǎn)介及研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 混沌簡(jiǎn)介</p><p>　　混沌是非線性動(dòng)力系統(tǒng)所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式，它廣泛存在于自然界。混沌系統(tǒng)是一個(gè)對(duì)初始值和系統(tǒng)參數(shù)都非常敏感的確定性系統(tǒng)，其確定性表現(xiàn)在其動(dòng)力學(xué)方程是確定的即系統(tǒng)狀態(tài)可以重現(xiàn).但是兩個(gè)完全相同的混沌系統(tǒng)，如果初始值或系統(tǒng)參數(shù)只存在微小差異，經(jīng)過多次迭代以后，兩個(gè)系統(tǒng)的差別會(huì)非常

5、明顯，毫無規(guī)律性可言，因此保密程度很高。</p><p>　　對(duì)于語音加密的研究過程中，最關(guān)鍵的就是確保語音傳輸?shù)陌踩?。上文中已?jīng)提到混沌系統(tǒng)有良好的密碼學(xué)特性。原語音信號(hào)在用混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的密鑰流進(jìn)行加密以后所得到的密文流信號(hào)是寬帶白噪聲頻譜。即使被竊聽者截獲也會(huì)因?yàn)楸徽`認(rèn)為是噪聲信號(hào)。并且由于混沌對(duì)于初始特征值以及系統(tǒng)參數(shù)的敏感性更加加強(qiáng)了加密信號(hào)被破解的難度，這樣就起到了增加信號(hào)安全性的效果。使用混沌系統(tǒng)對(duì)

6、語音信號(hào)進(jìn)行加密就是把語音信號(hào)在幅度和頻率上的特征進(jìn)行改變，使其原有特性消失來防止竊聽者截獲語音信號(hào)，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加密的的目的。</p><p>　　1.2.2 混沌加密研究現(xiàn)狀</p><p>　　將混沌應(yīng)用于通信領(lǐng)域的思想始于1990年P(guān)ecora和Carroll的L.M.Pecora發(fā)現(xiàn)?；煦缂用艿倪^程是動(dòng)態(tài)加密的過程，因此經(jīng)過混沌系統(tǒng)的加密后語音信號(hào)可以有很高的保密性[

7、2][3]。混沌信號(hào)的特點(diǎn)有：長(zhǎng)時(shí)間不可預(yù)知性、對(duì)初始值的高度敏感性、非周期性，連續(xù)寬帶頻譜，類噪聲，可重現(xiàn)、沖擊式的自相關(guān)性[16]。這些特點(diǎn)十分適合其在保密通信中應(yīng)用。以混沌系統(tǒng)作為加密手段的通信從最開始的混沌調(diào)制、混沌鍵控、混沌掩蓋等模擬方式轉(zhuǎn)變?yōu)轭l譜效率高、儀器參數(shù)易于調(diào)節(jié)的數(shù)字方式。如今的研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向全數(shù)字的混沌加密和擴(kuò)頻技術(shù)，提出了很多基于離散混沌映射的加密系統(tǒng)[6]。</p><p>　　現(xiàn)在，研究

8、者們都看到了傳統(tǒng)密碼學(xué)存在的不足，而混沌作為一種非線性現(xiàn)象，有許多值得利用的性質(zhì)，或許能夠?yàn)槊艽a學(xué)的發(fā)展提供新的思路，為保密通信提供更好的手段。同時(shí)，目前的研究也發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的密碼方法中存在著與混沌的聯(lián)系。與此同時(shí)，混沌現(xiàn)象也具有密碼的某些特征，因此，研究混沌保密通信，不僅對(duì)構(gòu)造新的更安全的加密[10]方法和加密體系有幫助，同時(shí)，對(duì)進(jìn)一步深入地理解現(xiàn)有的密碼與密碼體制也有幫助，這無論是在理論上還是在實(shí)際應(yīng)用中，都十分有益。用混沌對(duì)實(shí)時(shí)的語

9、音信號(hào)進(jìn)行加密，加密信息很難破譯，語音信號(hào)的安全性得到了加強(qiáng)，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。盡管對(duì)混沌的研究才進(jìn)行初始階段，目前僅是對(duì)實(shí)時(shí)語音進(jìn)行加密研究，加密時(shí)的隱蔽性、加密手段的復(fù)雜性等問題還有待于加強(qiáng)，但相信隨著對(duì)混沌研究工作的不斷開展，基于混沌的加密手段將更加成熟，混沌在通信安全中能發(fā)揮更重要作用。[10][11]</p><p><b>　　1.3加密解密介紹</b></p>&

10、lt;p>　　(1)在密碼學(xué)中，還未經(jīng)過加密過程的信息稱為明文，而已經(jīng)經(jīng)過加密過程的信息稱為密文。從明文到密文的變換稱為加密，從密文到明文的變換稱為解密，加密和解密都是在密鑰的控制下進(jìn)行的，給定一個(gè)密鑰就可確定一對(duì)具體的加密變換和解密變換。</p><p>　　(2) 加密解密加密作為保障數(shù)據(jù)安全的一種方式,不是現(xiàn)在才有的,它產(chǎn)生的歷史非常久遠(yuǎn)。就加密技術(shù)而言,一般來說分成兩大類,“對(duì)稱式”和“非對(duì)稱式”。

11、所謂的“對(duì)稱式”是指在加密和解密過程當(dāng)中使用的是同一個(gè)密鑰,而“非對(duì)稱式”加密就是指加密和解密所使用的不是同一個(gè)密鑰,通常有兩個(gè)密鑰,稱為“公鑰”和“私鑰”,這兩個(gè)密鑰需要配對(duì)使用,否則就不能打開加密文件。目前,“對(duì)稱式”的加密技術(shù)被廣泛采用。</p><p>　　用算法產(chǎn)生加密密鑰{Xn}依據(jù)一定方式加載到由信源產(chǎn)生的需要被加密的明文{Sn}上形成密文{Fn},這時(shí)加密過程完成,密文可以在信道中安全地被傳輸;而

12、解密過程是把由算法產(chǎn)生的解密鑰{Yn}作用于加密產(chǎn)生的密文{Fn}中,其作用的結(jié)果輸出至信宿。解密完成后,信宿接收到的應(yīng)是明文{Sn}。從實(shí)質(zhì)上來說,解密過程是加密過程的逆運(yùn)算,它的目的是為了從密文中剔除加密鑰,使得密文僅余下明文信息。[2]</p><p>　　1.4 本論文的主要工作及內(nèi)容安排</p><p>　　該課題要求對(duì)讀取的語音信號(hào)用matlab進(jìn)行算法編程來完成語音的預(yù)處理、

13、加密、解密等操作并分析仿真結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，根據(jù)仿真中出現(xiàn)的問題對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)，最終得出較好的語音加密效果。</p><p>　　本課題研究的是語音信號(hào)在發(fā)送端經(jīng)過預(yù)處理變成易于變換成二進(jìn)制的整數(shù)并最終生成明文流，同時(shí)由混沌系統(tǒng)的logistic映射經(jīng)過迭代產(chǎn)生密鑰流。然后將明文流與密鑰流進(jìn)行異或得出密文流，并各自畫出三種序列流的頻譜圖與倒譜圖作為對(duì)照。在接收端根據(jù)對(duì)稱密碼體制將密文流與密鑰流異或恢復(fù)出明文流，

14、將明文流轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制后畫出波形圖、頻譜圖和倒譜圖。最后將原語音信號(hào)，加密后的語音信號(hào)與恢復(fù)后的語音信號(hào)的三個(gè)圖進(jìn)行對(duì)比，觀察加密解密效果。</p><p><b>　　研究工作：</b></p><p>　　掌握用matlab程序讀取語音信號(hào)，對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行離散化取整預(yù)處理，繪出語音信號(hào)的波形圖，頻譜圖以及倒譜圖。</p><p>　　實(shí)現(xiàn)將語

15、音連續(xù)信號(hào)進(jìn)行離散取整，并將十進(jìn)制的信號(hào)(有正有負(fù))轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制的序列流，注意序列變換的行列順序。也要實(shí)現(xiàn)將一維二進(jìn)制的序列流變換成為指定二維序列流并最終轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制的信號(hào)。</p><p>　　學(xué)會(huì)應(yīng)用對(duì)稱密碼體制的加密解密原理對(duì)語音信號(hào)變換成的明文流進(jìn)行加密解密。</p><p>　　研究混沌系統(tǒng)基于logistic映射的加密原理，設(shè)計(jì)出一種能夠自由賦值給系統(tǒng)參數(shù)和初始值的產(chǎn)生密鑰

16、流的方法。</p><p>　　2 語音信號(hào)讀取與預(yù)處理</p><p>　　2.1 語音信號(hào)的特點(diǎn)與選取</p><p>　　頻率特點(diǎn)：語音信號(hào)是隨時(shí)變化的一維信號(hào)，它的頻率范圍可達(dá)10KHz 以上，</p><p>　　但是對(duì)于語音的清晰度和可懂性有明顯影響的頻率成分，最高約為 5.7KHz。語音信號(hào)的頻譜分量集中在 300～3400

17、Hz 的范圍內(nèi)，電話語音的頻率范圍大概是 60～3400Hz 左右。</p><p>　　時(shí)域特點(diǎn)：語音信號(hào)是一種典型的非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)。從時(shí)域波形的展開圖中可以發(fā)現(xiàn)，有些時(shí)間內(nèi)具有很強(qiáng)的周期性，有些段落中又具有噪聲特性，而且周期性語音和噪聲的特征也在不斷變化之中。在 5～50ms 的范圍內(nèi)，語音的頻譜特性和一些物理特征參數(shù)（短時(shí)能量、平均幅度、短時(shí)平均過零率）基本保持不變或者變化很緩慢，這就是語音信號(hào)的短時(shí)平穩(wěn)性

18、。這樣，我們用平穩(wěn)過程的處理方法和理論引入到語音信號(hào)的短時(shí)處理中，每個(gè)短時(shí)的語音段稱為一個(gè)分析幀，分析幀的既可以是連續(xù)的，也可以是交疊的，一般幀的長(zhǎng)度為 10ms～30ms，這一特點(diǎn)是語音信號(hào)數(shù)字處理的基礎(chǔ)。[17]</p><p>　　用matlab可以對(duì)語音文檔進(jìn)行讀取,寫入和播放。聲音文件大都以(.wav)的格式儲(chǔ)存，matlab處理此類文件的格式為:</p><p>　　WAV文件

19、的讀取:[y,fs,nbits]=wavread(‘*.wav’)</p><p>　　WAV文件的寫入: wavwrite(y,fs,nbits,’*.wav’)</p><p>　　WAV文件的播放:wavpla(y,fs)</p><p>　　y代表(.wav)格式的語音文件，有效取值為[-1.0,1.0],若y是N×2的矩陣，則為立體聲；fs為取樣

20、頻率；nbits是每個(gè)樣本位數(shù)，通常取8或16。</p><p>　　例：讀取并播放聲音文件“tada.wav”，截取其左聲道中第二秒鐘的語音數(shù)據(jù)，將它重復(fù)三遍后再播放，然后顯示比較這兩組語音數(shù)據(jù)的波形圖，最后將處理后的數(shù)據(jù)以單聲道寫入文檔“al.wav”并保存。最后結(jié)果如圖2.1。[8]</p><p>　?。踶,fs］= wavread (‘c:\windows\media\tada.

21、wav’)；％讀取語音文檔數(shù)據(jù)</p><p>　　wavplay (y,fs)；％播放語音文檔</p><p>　　x = y (22051:44100,1)；％截取左聲道中第二秒鐘的語音數(shù)據(jù)</p><p>　　x = [x;x;x]；％將語音數(shù)據(jù)段重復(fù)三遍</p><p>　　wavplay (x)；％播放語音</p>&

22、lt;p>　　subplot（2,1,1）；%確定顯示位置１</p><p>　　plot（y）； ％畫原文件完整數(shù)據(jù)語音波形圖</p><p>　　subplot（2,1,2）；%確定顯示位置２</p><p>　　plot（x）； ％畫處理后數(shù)據(jù)語音波形圖</p><p>　　wavwrite（x,fs,‘e:\desktop\al

23、.wav’）；%將處理后的數(shù)據(jù)寫入文檔</p><p>　　分析：為了使圖形簡(jiǎn)單且突出語音信號(hào)特點(diǎn)截取了單聲道的聲音波形，并將其重復(fù)三遍，以便于觀察在進(jìn)行混沌加密時(shí)對(duì)于相同的聲音信號(hào)加密后的波形的變化。</p><p>　　事實(shí)上由于密鑰的不同即使相同的明文信息得到的密文也不相同，這樣的保密通信不會(huì)因?yàn)槊魑亩孤缎畔?，保證了語音信號(hào)的通信安全。</p><p>　　

24、2.2 語音信號(hào)的預(yù)處理</p><p>　　2.2.1 語音信號(hào)的頻譜與倒頻譜分析</p><p>　　(1)語音信號(hào)的頻譜分析過程：傅里葉頻譜分析是語音信號(hào)頻域分析中廣泛采用的一種方法。語音波是一個(gè)非平穩(wěn)過程，因此適用于周期、瞬變或平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換不能直接表示語音信號(hào)，而應(yīng)該用短時(shí)傅里葉變換對(duì)語音信號(hào)的頻譜進(jìn)行分析，相應(yīng)的頻譜稱為“短時(shí)譜”。進(jìn)行頻譜分析時(shí)，在時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)

25、行短時(shí)FFT處理之前都要進(jìn)行加窗處理。</p><p>　　(2) 短時(shí)傅里葉變換（頻譜分析）：傅里葉頻譜分析的基礎(chǔ)是傅里葉變換，用傅里葉變換及其反變換可以求得傅里葉譜、自相關(guān)函數(shù)、功率譜、倒譜。由于語音信號(hào)的特性是隨著時(shí)間緩慢變化的，由此引出語音信號(hào)的短時(shí)分析。如同在時(shí)域特征分析中用到的一樣，這里的傅里葉頻譜分析也采用相同的短時(shí)分析技術(shù)。</p><p>　　信號(hào)x(n)的短時(shí)傅里葉變換

26、定義為</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中，ω(n)為窗口函數(shù)?？梢詮膬蓚€(gè)角度理解函數(shù)的物理意義：第一種解釋是，當(dāng)n固定時(shí)，如n=n0,則 是將窗函數(shù)的起點(diǎn)移至n0處截取信號(hào)x(n)，再做傅里葉變換而得到的一個(gè)頻譜函數(shù)。這是直接將頻率軸方向來理解的。另一種解釋是從時(shí)間軸方向來理解，當(dāng)頻率固定時(shí)，例如ω=ωk，則可以看作是信號(hào)經(jīng)過一

27、個(gè)中心頻率為ωk的帶通濾波器產(chǎn)生的輸出。這是因?yàn)榇翱诤瘮?shù)ω(n)通常具有低通頻率響應(yīng)，而指數(shù)對(duì)語音信號(hào)x(n)有調(diào)制的作用，使頻譜產(chǎn)生移位，即將x(n)頻譜中對(duì)應(yīng)于頻率ωk的分量平移到零頻。[13]</p><p>　　(3)短時(shí)傅里葉反變換（倒譜分析）:傅里葉變換建立了信號(hào)從時(shí)域到頻域的變換橋梁，而傅里葉反變換則建立了信號(hào)從頻域到時(shí)域的變換橋梁這兩個(gè)域之間的變換為一對(duì)一映射關(guān)系。倒頻譜，就是對(duì)功率譜的對(duì)數(shù)值進(jìn)行

28、傅立葉逆變換，將復(fù)雜的卷積關(guān)系變?yōu)楹?jiǎn)單的線性疊加，從而在其倒頻譜上可以較容易地識(shí)別信號(hào)的頻率組成分量，便于提取所關(guān)心的頻率成分,較準(zhǔn)確地反映故障特性。在語音識(shí)別中中可采用倒譜變換來觀察語音信號(hào)的各種特點(diǎn)如基頻，從而來區(qū)別兩種語音信號(hào)。倒頻譜分析是一種二次分析技術(shù)，是對(duì)功率譜的對(duì)數(shù)值進(jìn)行傅立葉逆變換的結(jié)果。其計(jì)算公式為： </p><p><b>　　(2-2)</b></p>

29、<p>　　該分析方法受傳感器的測(cè)點(diǎn)位置及傳輸途徑的影響小，能將原來頻譜圖上成族的邊頻帶譜線簡(jiǎn)化為單根譜線，以便提取、分析原頻譜圖上肉眼難以識(shí)別的周期性信號(hào)。但是進(jìn)行多段平均的功率譜取對(duì)數(shù)后，功率譜中與調(diào)制邊頻帶無關(guān)的噪聲和其他信號(hào)也都得到較大的權(quán)系數(shù)而放大，降低了信噪比。</p><p>　　我們知道，以看作是加窗后函數(shù)的傅里葉變換，為了實(shí)現(xiàn)反變換，將進(jìn)行頻率采樣，即令ωk=2πk/L，則有</

30、p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　其中，L為頻率采樣點(diǎn)數(shù)。將在時(shí)域n上每隔R個(gè)樣本采樣，則可令</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　用這些求出其離散傅里葉反變換yr(n)如下：</p><p><b>　　(

31、2-5)</b></p><p><b>　　而</b></p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　可以證明，x(n)和y(n)之間只相差一個(gè)比例因子，它們的關(guān)系如下：</p><p>　　[13][14][15][16]

32、 (2-7)</p><p>　　2.2.2 語音信號(hào)的matlab分析</p><p>　　根據(jù)以上分析及相應(yīng)公式，用matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，畫出語音信號(hào)的頻譜圖，倒譜圖作為加密以后圖形的對(duì)照，以及與解密后信號(hào)的頻譜倒譜做比較，觀察信號(hào)的恢復(fù)情況。如圖2.2程序如下：</p><p>　?。踶,fs］= wavread（

33、9;e:\ desktop\al.wav'，（65000））； ％讀入一段語音數(shù)據(jù)</p><p>　　t =（0:length(y)-1）/fs；％計(jì)算樣本時(shí)刻</p><p>　　subplot（3,1,1）； ％確定顯示位置</p><p>　　plot（t,y）； ％畫波形圖</p><p>　　legend（'波形圖

34、'）；</p><p>　　xlabel（'時(shí)間 (s)'）；</p><p>　　ylabel（'幅度'）；</p><p>　　x = fft（y．*hamming（length（y）））；%作加窗傅立葉變換</p><p>　　fm=5000*length(x)/fs； ％限定頻率范圍</p

35、><p>　　f =（0:fm）*fs/length（x）；％確定頻率刻度</p><p>　　subplot（3,1,2）；</p><p>　　plot（f,20*log10（abs（x（1:length（f）））+eps））； ％畫頻譜圖</p><p>　　legend（'頻譜圖'）；</p><p&g

36、t;　　xlabel（'頻率（Hz）'）；</p><p>　　ylabel（'頻譜幅度（dB）'）；</p><p>　　c = fft(log(abs（x）+eps))；%倒頻譜計(jì)算</p><p>　　ms1 = fs/1000；</p><p>　　ms20 = fs/50；</p>&l

37、t;p>　　q = （ms1:ms20）/fs；％確定倒頻刻度</p><p>　　subplot（3，1，3）；</p><p>　　plot(q，abs(c(ms1:ms20)))； ％畫倒譜圖</p><p>　　legend（'倒譜圖'）；</p><p>　　xlabel（'倒頻（s）'）；&l

38、t;/p><p>　　ylabel（'倒頻譜幅度'）； </p><p>　　(2)在將語音信號(hào)讀入時(shí)matlab就已將連續(xù)的語音信號(hào)時(shí)間離散化并存入文件，要將該時(shí)間離散化的信號(hào)變成數(shù)字化信號(hào)還需將各個(gè)時(shí)間離散化信號(hào)值取整，以便于將信號(hào)轉(zhuǎn)換成為二進(jìn)制數(shù)據(jù)流進(jìn)行加密解密等一系列操作。又因?yàn)閙atlab記錄的文檔中語音信號(hào)的數(shù)值有效取值為[-1.0,1.0]，也就是說記錄的語音信號(hào)

39、的值都為小數(shù)，但在小數(shù)點(diǎn)后第三位就可以區(qū)分出每個(gè)數(shù)值的大小，因此為了便于轉(zhuǎn)換可先將其擴(kuò)大1000倍后再取整，這樣就可以從十進(jìn)制整數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制，使得程序簡(jiǎn)捷了許多。</p><p>　　f2=ceil(y*1000);%將原語音信號(hào)擴(kuò)大后取整</p><p>　　wavplay(f2,fs);%播放語音文檔</p><p><b>　　變換后的圖形如下：&

40、lt;/b></p><p>　　將該信號(hào)與原語音信號(hào)的波形做對(duì)比由圖2.3與圖2.4對(duì)比可以看出，經(jīng)過預(yù)處理的語音信號(hào)和原語音信號(hào)大致相同，即可以用圖2.3代替原語音信號(hào)，因?yàn)榻?jīng)過加密傳輸解密之后正確恢復(fù)的語音信號(hào)也只能和圖2.3一致，不能再恢復(fù)成原語音信號(hào)，但是丟失的這些語音數(shù)據(jù)并不影響用戶對(duì)聲音的判斷，這是語音信號(hào)能夠傳輸?shù)幕A(chǔ)。</p><p>　　語音信號(hào)加密解密設(shè)計(jì)<

41、;/p><p><b>　　加密方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　語音語音加密原理框圖在對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理、加密解密分析之后，將各個(gè)步驟聯(lián)系起來繪出了語音加密原理框圖如下：</p><p>　　3.1.1 加密方案的選用分析</p><p>　　加密方法選用混沌加密方案，基于離散混沌映射的加密系統(tǒng)有Logistic

42、（羅切斯特）映射、Henon（埃農(nóng)）映射、帳篷映射、kent（肯特）映射。Logistic 映射被公認(rèn)為是能體現(xiàn)混沌特點(diǎn)的最簡(jiǎn)單的離散混沌系統(tǒng)映射，它來源于對(duì)人口增長(zhǎng)模型的研究，其表達(dá)式可表示為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　其中，x(n)、x(n+1)為 Logistic 映射的狀態(tài)值，μ 為系統(tǒng)參數(shù)。</p>

43、<p>　　圖 3-1 是 Logistic 映射分岔圖。當(dāng)μ超過3時(shí)，其解軌跡出現(xiàn)分岔，而且一分再分，分岔點(diǎn)出現(xiàn)得越來越快，當(dāng)μ=3.569945672 時(shí)，進(jìn)入混沌狀態(tài)。將 Logistic 映射應(yīng)用于保密通信時(shí)，通常將初始狀態(tài)值和參數(shù)μ作為密鑰，但遇到一個(gè)周期窗口問題。當(dāng)μ=1 + = 3.828到 μ = 3.841037時(shí)，Logistic 映射存在周期 3 解，緊接著有周期 6、周期 12 等窗口。[6]周期 3

44、窗口及鄰接系列窗口如圖 2 所示。周期窗口有可能泄露密鑰。例如，當(dāng) μ= 3.830時(shí)，通過對(duì) x(n)進(jìn)行多次的迭代，最后都是（0.504666…，0.957416…，0.156419…）和（0.494514…，0.958634…，0.156149…），后面再進(jìn)行迭代也只會(huì)出現(xiàn)這三個(gè)值，這是典型的短周期，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了避免周期窗口和問題短周期，采用兩個(gè)不同參數(shù)的 Logistic 映射，兩個(gè)映射初始值不同，通過動(dòng)態(tài)比較兩個(gè)映

45、射每次迭代的狀態(tài)值產(chǎn)生二進(jìn)制偽混沌序列的方案，取得了一定的效果。在此基礎(chǔ)上，提出先讓兩個(gè)映射進(jìn)行次數(shù)不等（在 50 到 100 次之間）的初始</p><p>　　上圖繪出了當(dāng)x在[0，1]之間取值，在[2.8，3.99]之間取值時(shí)logistic映射分岔圖，當(dāng)μ=3.569945672 時(shí)，進(jìn)入混沌狀態(tài)。因此將 Logistic 映射應(yīng)用于保密通信時(shí)，通常將初始狀態(tài)值和參數(shù) μ 作為密鑰。</p>

46、<p>　　3.1.2 混沌加密方案的具體流程</p><p>　　基于流加密思想，實(shí)現(xiàn)對(duì)明文的逐位加密。加密過程表示成：</p><p>　　c=c1c2…=es(1)(p1)es(2)(p2)… (3-2)</p><p>　　其中，p={ p1,p2…}是明文位串,{s(1),s(2)…}是偽

47、混沌位序列，c={ c1,c2…}是密文位串。加密函數(shù)es(i)進(jìn)行模2加運(yùn)算，用偽混沌位序列掩蓋明文信息。</p><p>　　在偽混沌位序列產(chǎn)生方法上，采取不同μ值、不同初始狀態(tài)值的兩個(gè)不同 Logistic 混沌映射進(jìn)行迭代,先讓它們分別初始迭代m、n次（m≠n），再同時(shí)迭代，通過動(dòng)態(tài)比較兩個(gè)映射每次迭代的狀態(tài)值，產(chǎn)生二進(jìn)制偽混沌序列。具體算法是：</p><p>　?、僭趨^(qū)間[3.

48、57,4]中，選擇兩個(gè)不同的μ值，分別作為兩個(gè)映射參數(shù)；</p><p>　?、谠趨^(qū)間[0,1]中，選擇兩個(gè)不同的實(shí)數(shù)，分別作為兩個(gè)映射迭代的初始狀態(tài)值；</p><p>　　③在區(qū)間[50,100]中，選擇兩個(gè)不同的整數(shù)m和n，分別作為兩個(gè)映射的初始迭代次數(shù)。兩個(gè)映射先分別迭代m和n次，得到兩個(gè)狀態(tài)值xm和yn，然后再開始同時(shí)迭代，每次</p><p>　　迭代后

49、，比較兩個(gè)映射的狀態(tài)值。如果兩個(gè)映射分別表示為f1和f2，如果 f1(xm)> f2(yn)，產(chǎn)生二進(jìn)制位‘1’；否則，產(chǎn)生二進(jìn)制位‘0’。如此類推，形成偽混沌二進(jìn)制位序列；</p><p>　?、茏x入明文信息，對(duì)每一個(gè)明文信息位，依據(jù)第③步算法，將兩個(gè)映射迭代，比較每次迭代后的狀態(tài)值，產(chǎn)生二進(jìn)制位 0 或 1，并與明文信息位進(jìn)行模 2 加運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)加密。該操作一直持續(xù)到將所有明文信息位加密完為止</

50、p><p>　　由于μ、初始狀態(tài)值、初始迭代次數(shù)皆可選擇，因此，即使在明文信息中出現(xiàn)的重復(fù)字符，加密后也會(huì)產(chǎn)生不同的密文。不同的μ值、不同的初始狀態(tài)值以及不同的初始迭代次數(shù)的組合大大地減少了周期窗口出現(xiàn)的幾率，提升了偽混沌二進(jìn)制位序列的不可預(yù)測(cè)性，在擴(kuò)大密鑰空間的同時(shí)，提高了算法的安全性。</p><p>　　為了進(jìn)一步提高保密性能，本方案可讓用戶每次通信前自行設(shè)置密碼，方案依據(jù)特定的算法，根

51、據(jù)密碼生成μ值、初始狀態(tài)值以及初始迭代次數(shù)值，達(dá)到“一次一密”的效果。[6]</p><p><b>　　解密方法</b></p><p>　　對(duì)稱密碼體制是一種傳統(tǒng)的密碼體制，也稱為私鑰密碼體制，根據(jù)能否由加密過程推導(dǎo)出解密過程(或由解密過程推導(dǎo)出加密過程)而將密碼體制分為對(duì)稱密碼體制和非對(duì)稱密碼體制。在對(duì)稱加密體制中，加密和解密采用相同的密鑰或者可由其中的一個(gè)很方

52、便的推導(dǎo)出另外一個(gè)，這樣一來能夠加密就能夠解密[12][13]。該算法的計(jì)算量小，加密的方式簡(jiǎn)單，但是有很強(qiáng)的保密能力，是現(xiàn)在信息加密采用的主要方法。</p><p>　　本課題即采用對(duì)稱密碼體制進(jìn)行解密，在已設(shè)計(jì)出的混沌logistic映射加密鑰的基礎(chǔ)上，解密時(shí)只需將加密鑰與密文流異或即可恢復(fù)明文序列，也就完成了對(duì)語音信號(hào)的解密過程。</p><p>　　4 語音信號(hào)加密解密算法程序設(shè)

53、計(jì)</p><p><b>　　4.1算法步驟</b></p><p>　　第一步：讀取已處理聲音文件，并畫出其頻譜圖、倒譜圖，以便于跟之后的結(jié)果作對(duì)比。</p><p>　　第二步：調(diào)用函數(shù)來自定義兩個(gè)系統(tǒng)的初始迭代次數(shù)、初始值與系統(tǒng)參數(shù)，并將賦值結(jié)果送給混沌系統(tǒng)的logistic映射的表達(dá)式進(jìn)行初始迭代，最終得出生成密鑰流的初始值。<

54、/p><p>　　第三步：兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行l(wèi)ogistic映射迭代，并動(dòng)態(tài)比較兩個(gè)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)值得到一維密鑰流序列。</p><p>　　第四步：將原語音信號(hào)擴(kuò)大一千倍后取整，為將其簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制明文流做準(zhǔn)備。并畫出其波形圖，頻譜圖以及倒譜圖作為對(duì)照。</p><p>　　第五步：將一維有正有負(fù)的十進(jìn)制整數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成為七位帶符號(hào)的二維二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，再將二維的二進(jìn)制數(shù)據(jù)

55、流轉(zhuǎn)換成為一維的明文流序列，以便于進(jìn)行按位加密。</p><p>　　第六步：將第三步生成的一維密鑰流序列與第五步生成的一維明文流序列按位進(jìn)行異或生成一維的密文流序列。</p><p>　　第七步：畫出密文流序列的波形圖，頻譜圖以及倒譜圖，以便于觀察混沌logistic映射加密的效果。</p><p>　　第八步：將第六步生成的一維密文流序列與第三步生成的一維密鑰流

56、序列按位異或得到恢復(fù)后的一維明文流序列。</p><p>　　第九步：將此一維明文流序列連續(xù)七個(gè)數(shù)據(jù)為一組轉(zhuǎn)換成二維的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，注意轉(zhuǎn)換時(shí)的順序。然后將每行七位帶符號(hào)的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成為有正有負(fù)的一維十進(jìn)制整數(shù)。</p><p>　　第十步：將得到的一維十進(jìn)制整數(shù)縮小一千倍就得到量化后的語音信號(hào)數(shù)據(jù)流，即恢復(fù)后的語音信號(hào)。畫出該數(shù)據(jù)流的波形圖，頻譜圖以及倒譜圖來與原量化的語音信號(hào)做比較，

57、并將其與原語音信號(hào)對(duì)比差異。</p><p><b>　　4.2 算法流程圖</b></p><p>　　其中第二三步的整體的混沌流加密方案的流程圖如下：</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　根據(jù)第四章的語音信號(hào)加密解密算法的程序設(shè)計(jì)來編寫matlab程序，程序見附錄，

58、由程序得出來四幅圖，分別是：原語音信號(hào)波形圖、頻譜圖及其倒譜圖，量化后語音信號(hào)波形圖、頻譜圖及其倒譜圖，加密后語音信號(hào)波形圖、頻譜圖及其倒譜圖，解密后語音信號(hào)波形圖、頻譜圖及其倒譜圖?，F(xiàn)將四幅圖列出以觀察對(duì)比結(jié)果。</p><p>　　由圖1和圖2可以觀察出在量化前后語音信號(hào)的聲音波形幅度、頻譜大小以及倒譜幅度大致相同，由此我們可以用量化的語音信號(hào)代替原語音信號(hào)進(jìn)行一系列變換，這樣使得數(shù)據(jù)的變換更簡(jiǎn)潔。</

59、p><p>　　圖3是圖2經(jīng)過混沌系統(tǒng)的logistic映射生成的密鑰進(jìn)行加密之后得到的，由兩圖對(duì)比可知，加密后的語音信號(hào)的時(shí)域波形已經(jīng)接近白噪聲的特性，頻域幅值是在0～5000Hz內(nèi)平均分布，已經(jīng)沒有語音信號(hào)的特點(diǎn)了，倒頻譜特性圖3也與圖2的完全不同，即使該信號(hào)在信息傳輸中被截獲，也不能識(shí)別出它所攜帶的信息了，說明混沌系統(tǒng)的logistic映射加密可行。</p><p>　　圖4是圖3經(jīng)過混

60、沌系統(tǒng)的logistic映射生成的相同密鑰進(jìn)行解密密之后得到的，由圖4與圖2對(duì)比可知圖4與圖2除去時(shí)域與頻域波形幅度值的差異外完全相同，而倒譜圖則完全相同。事實(shí)上這種完全相同一般是不會(huì)發(fā)生的，因?yàn)楸菊n題設(shè)計(jì)的沒有傳輸過程，所以恢復(fù)的語音信號(hào)與量化后的語音信號(hào)無誤差，而實(shí)際中信號(hào)會(huì)在傳輸過程中或多或少的都出現(xiàn)誤差，因此不會(huì)有完全相同的恢復(fù)信號(hào)。</p><p>　　圖4與圖1比較得知，時(shí)域與頻域的賦值幾乎一樣，也就

61、是說恢復(fù)后的語音信號(hào)與原語音信號(hào)在誤差允許的范圍內(nèi)，這樣聽到的聲音雖然有失真，也就是音調(diào)上的差異，但仍然可以分辨出來，這樣也可以達(dá)到語音信號(hào)傳輸?shù)男Ч?lt;/p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]林鵬,葉盛元．互聯(lián)網(wǎng)與信息化安全．華南金融電腦，2006（10）：69～75</p><p>　　[2]肖琳君，谷

62、愛昱，張小紅． 混沌在語音保密中的應(yīng)用． 電光與控制， 2007，14(5)：110～112</p><p>　　[3]　王光瑞,于熙齡,陳式剛.混沌的控制、同步與利用.北京:國(guó)防工業(yè)出版,2001.</p><p>　　[4]梁鴻斌，曾勇． GSM系統(tǒng)中話音加密技術(shù)的研究． 通信技術(shù)，2003（141）：101～103</p><p>　　[5]童鑫，王衛(wèi)星． C

63、DMA 系統(tǒng)間干擾分析與研究．通信技術(shù)，2009，42(11)：78～80</p><p>　　[6]陳平華，謝國(guó)波，劉怡俊，楊時(shí)楷．基于混沌的語音實(shí)時(shí)加密傳輸系統(tǒng)．通信技術(shù)，2010，08（43）：140～145</p><p>　　[7]韓紀(jì)慶，張磊，鄭鐵然．《語音信號(hào)處理》．清華大學(xué)出版社，2004 年</p><p>　　[8]陳宇鋒．基于聲卡和 MATLA

64、B的語音信號(hào)采集和處理．高教裝備，2006（5）：49～56</p><p>　　[9]D.G.Childers．Matlab之語音處理與合成工具箱（影印版）．北京：清華大學(xué)出版社，2004．</p><p>　　[10]侯爽．語音加密算法及其在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[學(xué)位論文]． 南京：南京理工大學(xué)， 2007</p><p>　　[11]Jiri Fridri

65、eh.Symmnetric ciphers based on two-dimensional chaotic maps. Int.J. Bifureation and Chaos. 1998，8(6):1259一1284</p><p>　　[12]李暉、李麗香、邵帥：《對(duì)稱密碼學(xué)及其應(yīng)用》，北京郵電大學(xué)出版社，2009</p><p>　　[13]趙淑敏. 基于MATLAB實(shí)現(xiàn)對(duì)語音信號(hào)

66、頻譜分析. 信息通信. 2010(4)：15～17</p><p>　　[14] 姚天任. 《數(shù)字語音處理》.華中科技大學(xué)出版社，1991年</p><p>　　[15] 劉衛(wèi)國(guó). 《MATLAB程序設(shè)計(jì)教程》.中國(guó)水利水電出版社，2005年</p><p>　　[16] 張登奇,蔣敏.基于MATLAB的音頻信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn).電腦知識(shí)與技術(shù)，2009（2）</

67、p><p>　　[17]張海合.語音混沌無線通信及其DSP技術(shù)的實(shí)現(xiàn)[學(xué)位論文].廣東：廣東工業(yè)大學(xué)，2011</p><p>　　[18]王東.數(shù)字加密電話的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[學(xué)位論文].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué).2007</p><p>　　[19]楊殿寶.板式冷卻器應(yīng)用注意事項(xiàng).液壓氣動(dòng)與密封.2012()</p><p><b>　　致