抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法　

2022-10-28

由于语音通道中存在采用规则脉冲激励一长期预测（RPE-LTP）压缩编解码的声码器，因此不能使用常规的加密技术将其加密。下面我们就根据RPE-LTP声码器的编解码原理，提出了一种抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法。

一、RPE-LTP语音编解码算法　

RPE-LTP语音编解码是语音编解码领域中一个重要的编解码标准，不仅是在GSM音通信，在因特网语音传输、多媒体通信中也得到了广泛的应用。

1、编码器原理

RPE-LTP语音编码器原理如图所示。

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法　它包括预处理、LPC分析、短时分析滤波、长时预测和规则脉冲激励序列编码5个部分。其中，预处理采用8KHZ采样率对输入模拟语　音采样得到原始语音信号S0（n），去除S0（n）中的直流分量后，采用一阶FIR滤波器进行高频预加重，得到信号S（n）。LPC分析将信号的每160个样点（20ms）分为一帧，每帧计算出8个对数面积比参数LAR（i），i＝1，2，…，8。短时分析滤波产生短时LPC残差信号d（n）。利用长时预测对d（n）进行处理，进一　步去除冗余，得出长时预测参数和长时残差信号。对经过短时、长时预测后得到的LPC信号进行加权滤波、规则脉冲序列提取和量化编码，得到每帧260bit的编码。

2、解码器原理

解码器的结构与编码部分的反馈环基本相同，如图所示。

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法　

用语音码重构短时残差信号，然后依次将其送到短时合　成滤波器和去加重滤波器中，得到重构语音信号输出。

二、抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法的设计

1、抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法的原理

1.1加密原理

令M为明文信息，K为加密算法密钥，由k产生的加密矩阵为Pk，Lk为解密矩阵，c为密文，则有：

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法　

知道C和K后，密文接收端就能恢复出原来的明文，但必须满足Pk是单值的，即一个密钥K对应唯一的一对加解密矩阵Pk和Qk。

1.2加密矩阵评价标准　

加密矩阵性能的优劣可由信息剩余可懂度RI来评价，其值越大，表示矩阵加密性能越差，反之，则矩阵加密性能越好。

设测试所用的明文信息集合有N个元素，置换后不可懂的密文信息集合有G个元素，则剩余可懂度表示为：

但实际中只能以人耳判断是否可懂，显然这种判定方法主观性很强，难以准确客观地对剩余可懂度作判定。一般可　通过加密矩阵的平均位移、平均间距和最小间距来判定。

（1）平均位移定义为

其中，m为矩阵内参加置换元素的个数；i和α(i)意义为：

对于任意正整数n，集合｛0，1，2，…，n-1｝的一个置换α是一个为每一个整数i（0≤i≤n-1）分配一个唯一的整数的变换，记为α(i)。

加密矩阵的平均位移是一个重要的因素，但是，仅一个大的平均位移还不能确保一个低的信息剩余可懂度，因此，需要引入最小间距和平均间距。

（2）平均间距定义为

若某一个置换恰为两相邻元素的置换，则平均间距为最小间距，即_h＝0。因此，在平均间距较大的前提下，取相　对较大的平均位移会获得一个较大的RI值。

2、抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法的描述

本文提出的加解密算法结合了语音信号处理和分组密码加密运算的特点，对RPE-LTP压缩编码具有很好的恢复性，其加密强度也可满足特殊需求。

这个加密算法针对RPE-LTP压缩编解码的特性，对人类的自然语音信号进行变换处理后对其加密，使之成为不可懂的声音信号，同时保证不可懂信号在通过RPE-LTP编码器后能被对端的解码器恢复，经解密就能成为原来的语音信号。

这个加密算法的主要思路为：在时域把原始语音分解为符合RPE-LTP编解码要求的单位帧，根据分组密码的原理，通过选择合适的加密矩阵对分解后的单位帧进行加密，使之成为不可懂语音信号，经RPE-LTP编码后送入GSM传输信道，在接收端进行逆向解密。

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法在选择加密矩阵时，根据上文所讨论的加密矩阵原理，若要获得较好的加密效果需要选择较大的_h值和AD值。其中，从根本上决定了加密矩阵的优劣。根据以上分析，可以获得好的加密矩阵。例如，当n＝15时，最大为5；当n＝30时，最大为7。此外，参数△f（即原始语音分解的单位帧长）的选择必须满足不破坏原始语音的语音特性，以确保加密后语音能穿透RPE-LTP编解码声码器。