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抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法 

更新时间:2022-10-28 15:43:00


本文简介: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

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法 

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:

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法 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

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法 

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

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法 

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。

抗RPE-LTP压缩编码的语音加密算法已经利用DSP技术在现有GSM系统中得到实现,被证明具有很好的实用价值。

小知识之RPE-LTP

一种使用激励帧中固定间隔脉冲的语言编码,长期预报器用于建立精细结构模型(音调)。

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对LWZ的研究——一个基于字典压缩的算法

字典压缩算法是利用许多数据类型都含有重复的代码序列这一特性。在文本文件中其代码字代表字符,而在光栅图像中代码字代表象素。在编码时将有霞复的内容一次性地记录在一个数据串表中,这个表就仿佛是字典,当译码是利用指针号或索引号就可以找到原输入数据流中相应的内容,LZ的几种算法都属于基于字典的压缩算法。

基于字典压缩算法的分类

1、LZ77、LZSS算法

LZ77、LZSS算法的思想是:在数据压缩过程中。寻找当前等待进行压缩处理的数据串中是否在已经处理过的数据串中出现过,如果确实曾经出现过,则利用指向该已经进行处理数据串的指针代替当前等待进行压缩的数据串。

2、LZ78、LZW算法

(1)编码算法

LZw编码是围绕称为词典的转换表来完成的。这张转换表用来存放称为前缀的字符序列,并且为每个表项分配一个码字。LZW编码器使用了一种很实用的分析算法,称为贪婪分析算法。在贪婪分析算法中,每一次分析都要串行地检查来自字符流的字符串,从中分解出已经识别的最长的字符串,也就是已经在词典中出现的最长的前缀。用已知的前缀加上下一个输入字符c也就是当前字符作为该前缀的扩展字符,形成新的扩展字符串缀一符串:Prefix.c.这个新的缀一符串是否要加到词典中,还要看词典中是否存有和它相同的缀一符串String。如果有,那么这个缀一符串就变成前缀(Prefix),继续输入新的字符,否则就把这个缀一符串写到词典中生成一个新的前缀(Prefix),并给一个代码。

(2)译码算法

LZW译码算法中还用到另外两个术语:①当前码字:指当前正在处理的码字,用cw表示,用String.cw表示当前缀一符串;②先前码字:指先于当前码字的码字,用pw表示。用String.pw表示先前缀一符串。LZW译码算法开始时,译码词典与编码词典相同,它包含所有可能的前缀根(rotts)。Lzw算法在译码过程中会记住先前码字(pw)。从码字流中读当前码字String.cw之后输出当前缀一符串,然后把用String.cw的第一个字符扩展的先前缀一符串String.cw添加到词典中。

改进的U州算法

1、实现零搜索

如何才能使根据字头码和字尾码建立的索引值不重复,其办法是以其本身的值合成内存地址,依靠指针进行定位,从而不再需要查找过程。在32位操作系统下,其寻址能力可达4GB,再加上硬件设施大大提高,物理内存空间一般达到了128G,技术上虚拟内存町达4GB,使得上述方法成为可能。

2、动态编码

使用动态编码长度进一步提高了算法效率。这种方法允许压缩代码长度的更改,即利用不固定长度的代码存储压缩数据。LZW算法一般从9位开始编码,这时存储代码也是9位,直到编码增加到10位时,存储代码才增加到10位。传统的Lzw算法是直接存储最人编码位的,这样做导致非编码数据也要存储这样大的位数,浪费了完全没有用处的几个高位。

编码流程圈

对LWZ的研究——一个基于字典压缩的算法

由以上几个例子可以看出本压缩算法对一些常用的文件格式如:记事本,word,ppt,图片以及一些应用程序等都能进行准确的压缩与解压缩,并具都比原来的LZW算法压缩率要高。同时也发现,对于文本类文件,压缩速度比较快,而且压缩比比较高,对于图片来讲,该压缩效果算法效果不是很好。

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