張曉峰，賈曉強(qiáng)

（1.渭南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，陜西渭南714000；2.渭南師范學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全與信息化學(xué)院，陜西渭南714099）

在人們?nèi)粘Ｉ钪?，語音和圖像是與聽覺和視覺相關(guān)的信息，語音識別和圖像處理和我們的生活息息相關(guān)。隨著社會的進(jìn)步、高科技的進(jìn)步以及現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)的飛速發(fā)展，語音和圖像中的重要部分和復(fù)雜部分幾乎都可以用數(shù)字信號處理手段來處理。語音信號的一系列處理步驟從理論到實際的產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)歷了很長的一段時間，在這個過程中取得了巨大的進(jìn)步。語音信號的一系列處理正間接與不同的行業(yè)與領(lǐng)域相融合，例如：工業(yè)流程中的語音監(jiān)測、通訊系統(tǒng)的自動撥號、醫(yī)療衛(wèi)生方面的生存援助系統(tǒng)等。在這些應(yīng)用領(lǐng)域，為了提高語音信號的安全性，往往要對信息執(zhí)行加密。

1 數(shù)字音頻加密算法的概述

數(shù)字語音信號的加密，從字面意思簡單理解為信息在傳輸過程中，容易被一些人輕易截取，加密，無疑就是發(fā)送者給一段原本清晰的語音信號（載體信號）加入一些復(fù)雜信號（嵌入信號），使原始信號不會輕易的被人獲取。待接收者接受之后，對接收信號進(jìn)行解密，恢復(fù)為原始信號，從而完成了語音信號的加密過程。

2 數(shù)字語音信號加密的設(shè)計方案

2.1 設(shè)計思路

根據(jù)具體語音情況對語音信號進(jìn)行加密解密處理，并與原始信號進(jìn)行對比分析。具體思路為：

1）對原始語音信號進(jìn)行采樣、嵌入語音信號的傅里葉變換；

2）進(jìn)行語音加密，做變量不等量的疊加運(yùn)算；

3）對疊加后的信號進(jìn)行逆運(yùn)算，原始語音信號的提取，恢復(fù)原始語音信號；分析恢復(fù)的語音信號和原始語音信號的的異同；

4）對原始語音信號進(jìn)行抗噪聲處理，并與原始信號作對比分析。

2.2 音頻信號的嵌入與提取

1）音頻信號的采集與嵌入

錄制兩段清晰的語音，時間不宜太長，分別定義為“chengdu.wav”和“tonghuazhen.wav”，將前者作為原始信號，后者為嵌入信號。

2）原始音頻信號的時域及頻域分析

將保存好的語音信號“chengdu.wav”文件利用相關(guān)函數(shù)在MATLAB軟件中讀出，如：

[x，fs，nbits]=wavread（'E:workchengdu.wav'）；

運(yùn)行程序代碼可得到原始語音信號的時域波形圖，為了更方便直觀的觀察，并給出了原始語音信號時域圖的三維立體圖，如圖1所示。

圖1 原語音信號時域圖

畫出原始語音信號“chengdu.wav”的時域波形圖，對原始語音信號進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，從而得到原始語音信號的頻譜特性。為了更好地分析原始語音信號的頻譜特性，并給出了原始語音信號頻譜圖的三維立體圖，如圖2所示。

圖2 原語音信號頻域圖

3）嵌入音頻信號的時域及頻域分析

將保存好的語音信“tonghuazhen.wav”文件在MATLAB軟件中利用相關(guān)函數(shù)讀出，如：

可得到嵌入語音信號的時域波形圖如圖3所示。

圖3 嵌入語音信號時域圖

畫出嵌入語音信號“tonghuazhen”的時域波形圖，對嵌入語音信號進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，可以得到嵌入語音信號的頻譜特性。在MATLAB軟件中運(yùn)行相關(guān)程序如：

可得到嵌入語音信號的頻譜圖，如圖4所示。

圖4 嵌入語音信號頻域圖

4）加密語音信號時域及頻域分析

將原始語音信號與倍乘后的嵌入語音信號相疊加后形成的語音信號。論文中采用的是嵌入語音信號的0.5倍。兩段長度相同的語音信號能夠直接相加，可是，兩段程度不同的語音信號相互疊加，要利用resample函數(shù)實現(xiàn)語音信號的長度相等。

假設(shè)原始語音信號x的長度n1，嵌入語音信號y的長度為n2，且n1＞n2，有兩種方法來處理：

方法一：將短信號y（長度為n2）重新采樣成長度n1

方式二：將長信號x（長度為n1）重新采樣成長度n2

其中，x為原始語音信號，y為嵌入語音信號，alpha為相關(guān)系數(shù)，s為加密語音信號。用到的加密語音信號的主要函數(shù)及代碼如下：

n1，n2分別為原始語音信號和嵌入語音信號的長度，回放疊加后的語音信號，會發(fā)現(xiàn)成功的將嵌入語音信號疊加到原始語音信號中，并且得到加密語音信號的時域波形圖，如圖5所示。

圖5 加密語音信號時域圖

畫出加密語音信號的時域波形，對加密語音信號進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，得加密語音信號的頻譜特性如圖6所示。

5）數(shù)字音頻信號的提取

數(shù)字音頻信號的嵌入過程可以簡單理解為音頻的加密，那么相反的逆運(yùn)算，數(shù)字音頻信號的提取過程也可以理解為音頻的解密，即恢復(fù)原始音頻信號的過程。

將加密的信號進(jìn)行相關(guān)處理，調(diào)用格式為：h=salpha*y；

其中，s為加密語音信號，alpha為相關(guān)系數(shù)，y為嵌入語音信號，h為恢復(fù)原始語音信號。

在MATLAB軟件中運(yùn)行有關(guān)音頻信號的提取過程的程序代碼，如：

圖6 加密語音信號頻域圖

回放恢復(fù)后的語音信號，和原始語音信號相差不大，并且可得到恢復(fù)原始語音信號的時域波形圖，如圖7所示。

圖7 恢復(fù)后語音信號時域圖

做出解密后原始語音信hengdu.wav的時域波形圖，然后對解密后的原始語音信號進(jìn)行傅里葉變換轉(zhuǎn)換到頻域，可以得到解密后的原始語音信號的頻譜特性。在MATLAB軟件中運(yùn)行相關(guān)程序如：

可得到恢復(fù)原始語音信號’chengdu.wav’的頻譜圖，為了更好地分析提取后的原始語音信號的頻譜特性，并一道給出了提取后原始語音信號頻譜圖的三維立體圖，如圖8所示。

至此，利用MATLAB軟件完成了數(shù)字語音信號的加密和解密過程，分析對比原始語音信號和恢復(fù)后的語音信號的異同，得出結(jié)論，闡明原因。

6）噪聲信號的時域及頻域分析

對原始語音信號進(jìn)行抗噪性能分析，必須先人為構(gòu)造一段隨機(jī)高斯噪聲信號，隨機(jī)高斯噪聲信號為：noise=0.005*randn（a，2）；即利用randn函數(shù)產(chǎn)生2列a行的隨機(jī)高斯噪聲，a為原始語音信號’chenhdu.wav’的長度。

在MATLAB軟件中運(yùn)用相關(guān)函數(shù)播放人為構(gòu)造的隨機(jī)高斯噪聲并畫出它的時域波形圖及頻譜圖，運(yùn)行有關(guān)隨機(jī)高斯噪聲的程序代碼將會獲得所加的隨機(jī)高斯噪聲的時域波形圖和頻譜圖如圖8所示。

圖8 恢復(fù)后語音信號頻域圖

由圖9中的噪聲信號的頻譜圖我們可以看出，所加的隨機(jī)高斯噪聲為高頻噪聲，且在整個區(qū)間都分布著，從回放的語音中，我們也可以清楚的聽到所加的隨機(jī)高斯噪聲。

圖9 噪聲信號時域及頻域圖

在MATLAB軟件中將原始語音信號與隨機(jī)高斯噪聲信號進(jìn)行矩陣加法運(yùn)算，并對經(jīng)過加法運(yùn)算的語音信號進(jìn)行播放，利用plot有關(guān)函數(shù)進(jìn)行繪制加噪語音信號的時域波形圖，然后在MATLAB軟件中能夠運(yùn)用函數(shù)FFT對語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換，繼續(xù)對加入噪聲后的語音信號進(jìn)行頻譜分析，繪制頻譜圖。

7）加噪語音信號的時域及頻域分析

將原始語音信號x與人為構(gòu)造的隨機(jī)高斯噪聲信號noise進(jìn)行疊加，調(diào)用的形式為：w=x+noise；

公式中，w為加噪信號。

在MATLAB軟件中實現(xiàn)在原始語音信號中加入構(gòu)造的隨機(jī)高斯噪聲并繪制出加噪語音信號的時域波形圖，播放加過隨機(jī)高斯噪聲后的聲音信號?？梢栽贛ATLAB軟件中運(yùn)行有關(guān)程序代碼如：

w=x+noise；

將會獲得疊加噪聲后的語音信號的時域波形圖及頻譜圖如圖9所示。

從回放的語音中我們可以聽到原始語音信號以及所加的高斯噪聲，從圖10的時域波形圖中可以看出噪聲加入后時域波形都有明顯的波形變化，對比原始語音信號和加噪后的語音信號可知，所構(gòu)造的隨機(jī)高斯噪聲成功的疊加到了原語音信號上。

圖10 加噪語音信號時域頻域圖

8）數(shù)字音頻信號的去噪處理

對加入的噪信號進(jìn)行逆運(yùn)算，也就是把加噪語音信號與隨機(jī)高斯噪聲信號進(jìn)行矩陣的減法運(yùn)算，并對經(jīng)過減法運(yùn)算之后的語音信號進(jìn)行回放，然后對去噪語音信號進(jìn)行快速傅里葉變換并進(jìn)行頻譜分析，繪制頻譜圖。

將加噪語音信號w與隨機(jī)高斯噪聲語音信號noise進(jìn)行矩陣減法運(yùn)算，其調(diào)用的形式為：p=wnoise；

公式中，p代表的是去噪信號。

得到去噪語音信號的時域波形圖及相應(yīng)的頻譜圖如圖11所示。從回放的語音中我們可以清楚的聽到原始語音信號，從圖11的時域波形圖中可以看出明顯的波形，對比原始語音信號和去噪后的語音信號可知，所構(gòu)造的隨機(jī)高斯噪聲成功的脫離了加噪語音信號上，恢復(fù)了原始語音信號。

圖11 去噪語音信號時域及頻域圖

3 結(jié)束語

對一段語音信號進(jìn)行嵌入、提取、以及加噪處理，進(jìn)而成功實現(xiàn)對數(shù)字音頻信號的加密，通過對比加密前后的數(shù)字音頻進(jìn)行時域和頻域的分析后，并通過聽取聲音的雜亂無章來辨別。經(jīng)過算法的逆運(yùn)算，成功的恢復(fù)原語音信號，恢復(fù)的信號與原始信號差別不大。將來根據(jù)需要在同一段音頻信號中嵌入較多的密鑰，使得信號恢復(fù)得更精準(zhǔn)，從某種程度上提高了信息的安全性。