צפני החלפה, המכונים גם צפנים חד-אלפביתיים, הם צפנים בהם מוחלפת כל אות בשפה באות אחרת. (תוך שמירה על סדר האותיות המקורי וכך שכל אות מקורית מיוצגת על ידי אות אחת ויחידה בטקסט המוצפן)

אחד הצפנים הקדומים ביותר הידועים הוא צופן קיסר, אשר המצאתו מיוחסת ליוליוס קיסר. בצופן זה, מחליף המצפין כל אות בשפה באות המצויה שלושה מקומות אחריה בסדר האלפבית. (כך, תוחלף האות א' באות ד', האות ט' תוחלף בל', והאות ש' תוחלף באות ב')

חסרונה של שיטה זו נעוץ בפשטותה. ברגע שאדם מגלה את שיטתו של קיסר, יש באפשרותו לפענח כל הודעה שתשלח על ידיו. ניתן לעשות שיטה זו מורכבת מעט יותר באמצעות שינוי ההיסט לכל מספר שהוא בין 1 ל-21, ובמקרה כללי זה מכונה הצופן צופן הזזה. (למשל, צופן הזזה בו ההיסט הוא 6 יצפין את האות ג' כאות ט') גם צופן ההזזה הוא פשוט מאוד לפיצוח, מאחר שניתן לפצחו ידנית באמצעות בדיקת 21 אפשרויות בלבד.

כתב אלב"ם הוא כתב סתר קדום, אשר בו מתחלפת כל אות באות האחת עשרה שאחריה או לפניה. הסטה זו נובעת מפיצול האלף בית לשניים. אפשר להשתמש בהסטה מתוחכמת יותר, בה מספר האותיות המוסטות יהיה קטן יותר או גדול יותר.

ישעיהו הנביא כתב את השם בן טבאל, אך יש שסבורים שהתכוון לפקח בן רמליהו, שכן בשפת אלב"ם "טבאל" הוא "רמלא" (=רמליה).

שיטה זו של כתב סתרים מוזכרת בתלמוד הבבלי במסכת שבת דף קד עמוד א.

ניתן לשכלל את צופן ההזזה שתואר בסעיף הקודם באמצעות הרחבת האפשרויות להתאמת אותיות זו לזו, לכל התאמה אפשרית בין 22 אותיות האלפבית. במקרה זה, קיימים לשיטת ההצפנה ${\displaystyle \ 22!}$ מפתחות שונים - מספר עצום בגודלו אשר הופך את שיטת הניסוי והטעייה לבלתי סבירה.

אף על פי שאין צופן ההחלפה שומר על אותיות האלפבית בהן נכתבה ההודעה המקורית, שיטתו שומרת על מאפיינים מסוימים של השפה. למשל, האות "e" היא האות הנפוצה ביותר באנגלית, ולכן סביר יהיה להניח שהאות הנפוצה ביותר בהודעה שהוצפנה על ידי צופן ההחלפה תייצג את האות "e". השימוש בסטטיסטיקת התפלגויות האותיות לשם פיצוח צופן ההחלפה מכונה ניתוח תדירויות. כלים נוספים אשר עומדים לרשותו של הקריפטואנליסט בפיצוח צופן זה הם נתונים סטטיסטיים העוסקים בקשרים בין אותיות בשפה בה נכתבה ההודעה המקורית. למשל באנגלית, אחד מצמדי האותיות הנפוצים ביותר הוא "th", וכמעט תמיד לאחר הופעת "q" במילה, תופיע אחריה האות "u". כל המאפיינים האלה לא נפגעים על ידי ההצפנה.

כל הנכתב לעיל מניח שידועה השפה בה נכתבה ההודעה המקורית לפני הפענוח, אך הנחה זו סבירה לרוב, ובמידת הצורך ניתן להפעיל ניסיון פענוח במספר שפות אפשריות במקביל עד שתמצא השפה הנכונה.

ערך מורחב – צופן אתב"ש

כתב אתב"ש הוא כתב סתרים המבוסס על חילופי אותיות מנוגדות באלפבית העברי: א' תבוא במקום ת', ב' במקום ש' וכך הלאה. ירמיהו הנביא מתייחס בנבואותיו ל"ששך"^[1] ול"לב קמי"^[2], שהן "בבל" ו"כשדים" בצופן אתב"ש.

שיטה זו היא המפורסמת בשיטות להחלפת אותיות, ומוזכרת בתלמוד הבבלי במסכת שבת דף ק"ד עמוד א'. צופן אתב"ש משמש גם במיסטיקה היהודית וגם כאקרוסטיכון בפיוטים.

צופני החלפה מתחלקים לצופן החלפה מונו-אלפביתי או חד-אלפביתי וצופן החלפה פולי-אלפביתי או רב-אלפביתי. דוגמה לצופן החלפה חד-אלפביתי, בהינתן האלפבית האנגלי A-Z (עשרים וששה תווים) והפונקציה: ${\displaystyle \ e_{K}(x)=(ax+b){\mbox{ mod }}26}$. אם המפתח ${\displaystyle \ a=3,b=5}$, אזי המילה "CAESAR" תוצפן למילה "NHTJHG". צופן החלפה חד-אלפביתי משבש אמנם תדירות של אותיות בודדות אולם אינו מסתיר את ההתפלגות הסטטיסטית הכוללת של השפה, כלומר התפלגות האותיות בצופן זהה לזו של הטקסט הקריא.

לצופן החלפה רב-אלפביתי גרסאות רבות בהן דיגרם, פוליגרם, צופן החלפה הומופוני, צופן ויז'נר - שבו משתמשים באלפבית שונה עבור כל תו במסר וספר-צופן - שבו המפתח מהווה למעשה רצף אותיות מתוך ספר כלשהו. מסר מפורסם שהוצפן בשיטה זו הוא "מברק צימרמן", שפענוחו באמצעות עותק של ספר הצופן הביא לכניסת ארצות הברית למלחמת העולם הראשונה. וכן צופן ורנם בו מחברים בחיבור בינארי מודולו 2 את סיביות המסר עם מפתח אקראי.

בהנחה שאנו יודעים את הנושא המשוער של הטקסט (למשל בקשת אספקה לתחמושת) נחפש את המילה AMMUNITION בטקסט באנגלית. מילה זו מתאפיינת בתכונות שמקלות מאוד לאתר אותה בטקסט מוצפן בשיטה זו: המילה בת 10 אותיות שמקיימות את התבנית הבאה:

• האות השנייה והשלישית זהות
• האות החמישית והעשירית זהות, ושונות מהשנייה והשלישית
• האות השישית והשמינית זהות, ושונות מהאות השנייה והחמישית
• כל יתר האותיות נבדלות זו מזו

את הבדיקה על קיום כל התנאים הללו קל מאוד לבצע בטקסט מוצפן בשיטה זו.

• בסיפור "חיפושית הזהב" מאת אדגר אלן פו ובסיפור "תעלומת הדמויות המרקדות" מסדרת שרלוק הולמס מופיעים צפני החלפה^[3].
• בספר "צופן דה וינצ'י" מוזכר צופן האתב"ש.
• במוספי סוף השבוע של העיתונות הכתובה ניתן למצוא חידות "אותיות ומספרים" בהן אותיות מחליפות ספרות או להפך - חידות אלו מבוססות על צופן החלפה והן מאפשרות לכל אחד להיות מפענח צפנים חובב.
• במודעת "דרושים" שפרסמה חברת גוגל בספטמבר 2009 הופיע טקסט מוצפן בצופן החלפה, ולידו המסר: "אם ביכולתך לפענח זאת, יש לך עתיד בגוגל". פתרון צופן ההחלפה נתן מספר טלפון שאליו יש להתקשר.^[4]

• צופן ויז'נר - צופן רב־אלפביתי המבוסס על "צופן הזזה", הפועל על "בלוקים" באורך קבוע של אותיות.
• תשבץ מוצפן - שעשוע המבוסס על צופן החלפה.
• שכיחות אותיות בעברית

• צופן החלפה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)