基于盲源分离语音加密研究

基于盲源分离的语音加密研究

摘要：当源信号的数量大于混合信号时，盲源信号分离仍然是一个富有挑战的欠定问题，受到许多加密系统安全性依赖于很明显的计算棘手问题，如整数分解这个事实的激励，我们试图探究欠定bss 问题的难解性，进而通过适当地构造欠定混合加密矩阵以及通过生成满足该推荐方法的必要条件，即无条件安全的密钥信号，呈现出新颖的基于盲源分离的语音加密方法。广泛的计算机模拟和性能分析结果表明，该方法具有较高的安全级别，同时保持着出色的音频质量。

关键词：盲源分离语音加密音频质量

中图分类号：tp309.7 文献标识码：a 文章编号：1674-098x（2012）09（c）-0012-02

盲源分离（bss）的目的是在不知道它们的混合系数情况下，恢复一组相互独立的未知信号。因此，它也是著名的独立成分分析（ica）。它已经在最近几年相当受到重视，并已成功地应用于诸如通讯和生物医学工程的许多领域。迄今为止，信号加密的应用更多地专注于图像加密系统，但很少用于语音加密。受到许多图像加密技术的安全性依赖于很明显的计算棘手问题，如整数分解这个事实的激励。我们在此篇论文中介绍一个基于bss的语音加密方案，其中的安全依赖于当源信号的数量大于混合信号时，解决欠定bss问题的困难度。构造欠定混合加密矩阵的充分条件是bss源的不可分割性。当假设bss源可分割时，两个产生用于语音加密的密钥信号

的必要条件是一次性键盘的最佳关键特征。广泛的计算机模拟和性能分析结果表明，该方法具有较高的安全级别，同时保持着出色的音频质量。

1 bss混合模型及欠问题

本系统原理如图1所示，假设存在m个独立的源信号：

以及n个可观

察的源信号的混合信号：（通

常mn，bss变成为一个困难的欠定问题，在这种情况下，源信号完全隔离通常是不可能的。因此，欠定的bss问题一直被人们视为源分离的障碍。此篇论文中，在建立一个新颖的语音加密系统中，欠定问题更加地被较视为占有一定的优势。该方法主要是出于普遍存在的计算棘手问题（如整数分解问题），目的是为了确保许多密码系统的安全。

2 语音加密原理

2.1 段分离器

类似于时间要素干扰，段分离器首先将源语音信号分离成多个帧。然后把每一帧分成p段：，其中t是段的长度，k是帧指针。在生成密钥信号的算法中，由于参数p和t是必要（这将在第五节中描述）。它们将被插入到在一个以确定的格式进行传输的加密语音数据的头部。该方法一帧一帧地加密原始语音信号。

2.2 欠定混合

在这个阶段，一个p×2p的用于加密的欠定混合矩阵ae以及p 个独立的密钥信号 ?首先被产生（我们会在第四和第五部分分别介绍ae的生成和密钥信号的生成）。然后p个被加密的段是p个源信号段和p个密钥信号段在欠定混合ae作用下的输出。通过bss混合模型，具体来说，通过

和

可以得出相应的加密方

程，如下：

（3）

其中，，很明显，由于有2p个源信号但只有p 个混合信号，所以这个加密过程把bss转换成了欠定的bss问题。这样一来，通过适当地构造欠定混合矩阵ae，原来的p段不仅可以通过语音加密的密钥信号很好地被掩盖，而且可以免受来自通过不含p个密钥信号的bss所产生的p个加密段的隔离，而这正是欠定bss问题的棘手之处。

2.3 欠定混合矩阵构造方法

根据定理：原部分的不可分割可以通过构建欠定混合比例的矩阵ae，使原部分被分离出来，在与更高级别的能源的密钥信号组合在一起。具体来说，在欠定混合加密矩阵构造如下：

ae=[bβb] （4）

其中p是一个p×p的满秩矩阵，这是伪随机生成-1和1之间的均匀分布。β是一个标量值，β≥1使原本的发言很好的密钥信号

覆盖。该矩阵ae构造的条件也足够确保原来的p段的不可分割性，它可清楚显示使用定理。

本文想利用矩阵卷积来构造欠定加密矩阵，以达到欠定盲源分离的效果，这样矩阵a的复杂程度也会提高。首先矩阵的卷积即kronecker积被表示为矩阵的分块运算，即是一个分块矩阵，每一个子块是数乘矩阵运算（）。生成一个mp×nq的矩阵。所以矩阵的kronecker积也称为直积或张量积。kronecker积有一个很重要的特点，就是它和普通的矩阵乘法一样，不具有交换律（即），这样也为攻击者的解密造成麻烦。所以构造方案如下：

方案一：如果想要应用重复用一个密钥加密的盲源分离是算法，则要将p的值要很大；更多的设计块密码，它有助于多次循环使用基于盲源分离的加密算法。基于kronecker积的原理，可以构造出以下形式的p×2p维的欠定加密矩阵：

（5）

其中，b是一个p×1维的矩阵，c是一个 1×p维的矩阵，均可由（-1，1）间均匀分布的伪随机数生成。β为标量值，它的选值要大一些以确保密钥信号能够遮盖原始的明文信号。

方案二：利用kronecker积（矩阵卷积）来构造一个p×2p维欠定加密矩阵，以达到欠定盲源分离的效果，这样矩阵a的复杂程度也会提高。基于上面的欠定加密矩阵，把加密矩阵也作为密钥的一部分，可以构造出另外一种形式的p×2p维的欠定加密矩阵：

（6）

其中，b是一个p×p维的满秩矩阵，由（-1，1）间均匀分布的伪随机数生成。c是一个1×2维的矩阵。对于矩阵b和c的选择也至关重要，它们同样要保证后面的遮掩信号能够很好的掩盖明文。但是对于攻击者，不仅仅需要知道密钥信号，还要尽量知道矩阵c。这样，攻击者要解开矩阵会变得更加麻烦。

3 结语

基于bss的语音加密方案，其中的安全依赖于当源信号的数量大于混合信号时，解决欠定bss问题的困难度。构造欠定混合加密矩阵的充分条件是bss源的不可分割性。当假设bss源可分割时，两个产生用于语音加密的密钥信号的必要条件是一次性键盘的最佳关键特征。广泛的计算机模拟和性能分析结果表明，该方法具有较高的安全级别，同时保持着出色的音频质量，以提高语音加密的安全性与可靠性，随后也有一些学者针对其原理进行了改进。本文作者讲针对以往设计方案，提出一种更为先进合理的算法。改进后的语音加密方法可尝试应用到实际的数字保密通信的语音的加密传输中，且易于实现。可见，这种改进是有意义的，为推广语音加密传输系统奠定了很好的基础。

参考文献

[1] 林秋华.基于盲源分离的图像与语音加密新方法研究[d].大连：大连理工大学，2006.

[2] 杨祖元.盲信号分离算法分析与应用研究[d].广州：华南理