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

摘 要： 對(duì)離散時(shí)間動(dòng)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(yǔ)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(yǔ)音加密 硬件實(shí)現(xiàn)

混沌系統(tǒng)具有對(duì)初條件極端敏感的特性，它可以提供大量非相關(guān)、類(lèi)隨機(jī)而又確定可再生的混沌序列。近幾年來(lái)，研究混沌和應(yīng)用混沌已經(jīng)成為國(guó)際電子工業(yè)界前沿最活躍的一個(gè)研究熱點(diǎn)，其中在保密通信方面的應(yīng)用研究也越來(lái)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(guó)數(shù)學(xué)家Matthews首先提出[1]，其后得到了一定的發(fā)展。國(guó)內(nèi)南京大學(xué)聲學(xué)研究所的倪皖蓀、中國(guó)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(kāi)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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，保密性能高等優(yōu)勢(shì)。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(duì)離散時(shí)間動(dòng)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(yǔ)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(duì)（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(gè)十進(jìn)制小數(shù)映射而來(lái)，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(lái)表示。

我們將（３）式代入邏輯映射（１）可得：

對(duì)（４ａ）式作進(jìn)一步簡(jiǎn)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(duì)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(duì)硬件電路的要求。

２ 數(shù)字語(yǔ)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(gè)有混沌加密裝置的語(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng)（系統(tǒng)框圖如圖２）

發(fā)送端加密過(guò)程為：



其中，Yrn為接收到的加密信號(hào)，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(shí)，就有Urn=Usn。從而實(shí)現(xiàn)誤碼率為零 的數(shù)字語(yǔ)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(yǔ)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(gè)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)4066芯片采樣保持，根據(jù)人類(lèi)語(yǔ)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(yǔ)音信號(hào)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(hào)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(hào)輸出到0832芯片；在0832芯片對(duì)解密信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換變成語(yǔ)音模擬信號(hào)并經(jīng)過(guò)放大和低通濾波后推動(dòng)揚(yáng)聲器播放，整個(gè)通信過(guò)程為實(shí)時(shí)通信。從揚(yáng)聲器能夠清晰的聽(tīng)到從發(fā)送端話筒輸入的語(yǔ)音信號(hào)，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(shuō)明該系統(tǒng)保密通信效果，在輸入端，我們用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生-1kHz方波信號(hào)輸入該系統(tǒng)，并編寫(xiě)了兩套程序。一套程序在發(fā)送端對(duì)方波信號(hào)加密但在接收端不解密。另一套程序在發(fā)送端對(duì)方波信號(hào)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(hào)的時(shí)間波形雜亂無(wú)章，完全覆蓋了原始信號(hào)，從揚(yáng)聲器聽(tīng)到的是一片噪聲。信號(hào)的加密、傳輸、解密過(guò)程產(chǎn)生的時(shí)延很小，不影響實(shí)時(shí)通信；解密后輸出的方波信號(hào)與輸入方波信號(hào)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(yǔ)音保密通信。

４ 討論

在數(shù)字語(yǔ)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(gè)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(lái)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(duì)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(yǔ)音混沌通信系統(tǒng)。當(dāng)然，要提高通信的效果，還要提高語(yǔ)音信號(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)該語(yǔ)音保密通信的硬件系統(tǒng)。同時(shí)，在選用高速CPU單片機(jī)的前提下，也可嘗試?yán)蒙鲜稣Z(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng)對(duì)大數(shù)據(jù)量的圖形、圖象和多媒體信號(hào)實(shí)現(xiàn)保密通信或進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)為無(wú)線傳輸，以滿足廣泛的實(shí)際應(yīng)用的要求。