style=“text-indent:0.75“數(shù)字語音混沌保密通信系統(tǒng)及硬件實(shí)現(xiàn)

摘 要： 對離散時間動力學(xué)系統(tǒng)邏輯影射進(jìn)行變換，使其在一定精度下產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，采用該數(shù)字混沌序列作為密碼，構(gòu)造了語音保密通信系統(tǒng)，并運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞： 數(shù)字混沌系統(tǒng) 語音加密 硬件實(shí)現(xiàn)

混沌系統(tǒng)具有對初條件極端敏感的特性，它可以提供大量非相關(guān)、類隨機(jī)而又確定可再生的混沌序列。近幾年來，研究混沌和應(yīng)用混沌已經(jīng)成為國際電子工業(yè)界前沿最活躍的一個研究熱點(diǎn)，其中在保密通信方面的應(yīng)用研究也越來越得到人們的重視[1-2]。

混沌序列在密碼學(xué)方面的應(yīng)用起源于80年代末期，由英國數(shù)學(xué)家Matthews首先提出[1]，其后得到了一定的發(fā)展。國內(nèi)南京大學(xué)聲學(xué)研究所的倪皖蓀、中國科學(xué)院的張洪均等也正在進(jìn)行這方面的研究工作。

基于混沌系統(tǒng)之間能夠達(dá)到自同步[2]，發(fā)展了多種同步技術(shù)，如：混沌掩埋技術(shù)[3]、混沌調(diào)制技術(shù)[4]、混沌開關(guān)技術(shù)[5]以及數(shù)字混沌通信技術(shù)[6]等，分別運(yùn)用于連續(xù)混沌通信系統(tǒng)和數(shù)字混沌通信系統(tǒng)。眾所周知，數(shù)字通信系統(tǒng)以其抗干擾能力強(qiáng)，易于加密，易于大規(guī)模集成等特點(diǎn)，在通信行業(yè)中將取代模擬通信而占主要地位。而且，數(shù)字混沌系統(tǒng)比較模擬混沌系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，保密性能高等優(yōu)勢。因而，混沌技術(shù)在數(shù)字保密通信中的應(yīng)用研究也就更具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文對離散時間動力學(xué)系統(tǒng)邏輯影射進(jìn)行變換，使其在一定精度下產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，采用該數(shù)字混沌序列作為密碼，構(gòu)造了語音保密通信系統(tǒng)，并運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件實(shí)驗(yàn)。

１ 數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生

研究證明邏輯映射

其中ｘｉ＝０或１。對（２）式右邊進(jìn)行變換：

從（３）式可知，Ｘ為一十進(jìn)制整數(shù)，它是由一個十進(jìn)制小數(shù)映射而來，而十進(jìn)制整數(shù)在計(jì)算機(jī)中可用定點(diǎn)整數(shù)形式來表示。

我們將（３）式代入邏輯映射（１）可得：

對（４ａ）式作進(jìn)一步簡化：

其中Xn=（XnH）（XnL）， （XnH），即為Xn的高低字節(jié)互換后的16位二進(jìn)制數(shù)。取L=16比特根據(jù)式（６）產(chǎn)生數(shù)字混沌序列的流程圖如圖１所示。因此整數(shù)運(yùn)算優(yōu)于浮點(diǎn)運(yùn)算，它降低了對計(jì)算精度的要求。產(chǎn)生L比特輸出，只需運(yùn)算L×L比特定點(diǎn)運(yùn)算，加快了計(jì)算速度，從而減低了對硬件電路的要求。

２ 數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)

我們利用上述數(shù)字混沌序列作為密碼構(gòu)建了一個有混沌加密裝置的語音數(shù)字通信系統(tǒng)（系統(tǒng)框圖如圖２）

發(fā)送端加密過程為：



其中，Yrn為接收到的加密信號，Sn為信道的接收噪聲，Urn為解密輸出。顯然，當(dāng)通道噪聲為零，收發(fā)雙方采用相同的混沌系統(tǒng)（相同初條件的邏輯映射整數(shù)表達(dá)式（６））產(chǎn)生的編碼序列進(jìn)行加解密，即Sn=0Xrn=Xsn時，就有Urn=Usn。從而實(shí)現(xiàn)誤碼率為零 的數(shù)字語音混沌保密通信。

３ 硬件實(shí)現(xiàn)

我們運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上述數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個重要分支，它具有體積小、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性能。用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音混沌保密通信系統(tǒng)可以滿足保密通信的隱蔽性、靈活性、保密性等要求。

我們運(yùn)用8031單片機(jī)設(shè)計(jì)的數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在發(fā)送系統(tǒng)中，從話筒輸入的語音信號經(jīng)過4066芯片采樣保持，根據(jù)人類語音的頻譜成分一般在10kHz以下，而從一定可懂度考慮，只需保留3.5kHz以下的頻譜，故采樣頻譜選取8kHz；在0809芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；在8031芯片編程產(chǎn)生混沌密碼序列，與輸入的數(shù)字語音信號進(jìn)行加密運(yùn)算，然后把密文發(fā)送到通信線路上（采用基帶通信）。接收端的單片機(jī)8031芯片用于接收密文信號并產(chǎn)生與發(fā)送端相同的混沌編碼序列，然后兩者進(jìn)行解密運(yùn)算并把解密信號輸出到0832芯片；在0832芯片對解密信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換變成語音模擬信號并經(jīng)過放大和低通濾波后推動揚(yáng)聲器播放，整個通信過程為實(shí)時通信。從揚(yáng)聲器能夠清晰的聽到從發(fā)送端話筒輸入的語音信號，但不可避免伴有一定的噪聲，這是由量化誤差和通道干擾引起的，其中主要原因是量化誤差。為了說明該系統(tǒng)保密通信效果，在輸入端，我們用信號發(fā)生器產(chǎn)生-1kHz方波信號輸入該系統(tǒng)，并編寫了兩套程序。一套程序在發(fā)送端對方波信號加密但在接收端不解密。另一套程序在發(fā)送端對方波信號加密且在接收端解密，從示波器可觀察到兩種輸出結(jié)果，加密信號的時間波形雜亂無章，完全覆蓋了原始信號，從揚(yáng)聲器聽到的是一片噪聲。信號的加密、傳輸、解密過程產(chǎn)生的時延很小，不影響實(shí)時通信；解密后輸出的方波信號與輸入方波信號比較出現(xiàn)了一定的失真，但主要是高頻失真，因而該系統(tǒng)成功的實(shí)現(xiàn)了語音保密通信。

４ 討論

在數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生是很重要的一個方面，它產(chǎn)生的方法直接影響到通信系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。采用本文所述的由浮點(diǎn)運(yùn)算變換到定點(diǎn)運(yùn)算的邏輯運(yùn)算的整數(shù)表達(dá)式來產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，可以極大地加快計(jì)算速度，降低對計(jì)算精度的要求，因而可用廣泛使用的8031單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)。當(dāng)然，要提高通信的效果，還要提高語音信號的采集速度，減少量化噪聲，這就要求單片機(jī)具有較高CPU運(yùn)行速度，可考慮使用高位單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)該語音保密通信的硬件系統(tǒng)。同時，在選用高速CPU單片機(jī)的前提下，也可嘗試?yán)蒙鲜稣Z音數(shù)字通信系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量的圖形、圖象和多媒體信號實(shí)現(xiàn)保密通信或進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)為無線傳輸，以滿足廣泛的實(shí)際應(yīng)用的要求。