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

摘 要： 對離散時(shí)間動(dòng)力學(xué)系統邏輯影射進(jìn)行變換，使其在一定精度下產(chǎn)生數字混沌序列，采用該數字混沌序列作為密碼，構造了語(yǔ)音保密通信系統，并運用單片機實(shí)現了該系統的硬件實(shí)驗。

關(guān)鍵詞： 數字混沌系統 語(yǔ)音加密 硬件實(shí)現

混沌系統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(lèi)隨機而又確定可再生的混沌序列。近幾年來(lái)，研究混沌和應用混沌已經(jīng)成為國際電子工業(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)方面的應用起源于80年代末期，由英國數學(xué)家Matthews首先提出[1]，其后得到了一定的發(fā)展。國內南京大學(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。

基于混沌系統之間能夠達到自同步[2]，發(fā)展了多種同步技術(shù)，如：混沌掩埋技術(shù)[3]、混沌調制技術(shù)[4]、混沌開(kāi)關(guān)技術(shù)[5]以及數字混沌通信技術(shù)[6]等，分別運用于連續混沌通信系統和數字混沌通信系統。眾所周知，數字通信系統以其抗干擾能力強，易于加密，易于大規模集成等特點(diǎn)，在通信行業(yè)中將取代模擬通信而占主要地位。而且，數字混沌系統比較模擬混沌系統具有結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，保密性能高等優(yōu)勢。因而，混沌技術(shù)在數字保密通信中的應用研究也就更具有現實(shí)意義。

本文對離散時(shí)間動(dòng)力學(xué)系統邏輯影射進(jìn)行變換，使其在一定精度下產(chǎn)生數字混沌序列，采用該數字混沌序列作為密碼，構造了語(yǔ)音保密通信系統，并運用單片機實(shí)現了該系統的硬件實(shí)驗。

１ 數字混沌序列的產(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，它是由一個(gè)十進(jìn)制小數映射而來(lái)，而十進(jìn)制整數在計算機中可用定點(diǎn)整數形式來(lái)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(jiǎn)化：

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

２ 數字語(yǔ)音混沌通信系統

我們利用上述數字混沌序列作為密碼構建了一個(gè)有混沌加密裝置的語(yǔ)音數字通信系統（系統框圖如圖２）

發(fā)送端加密過(guò)程為：



其中，Yrn為接收到的加密信號，Sn為信道的接收噪聲，Urn為解密輸出。顯然，當通道噪聲為零，收發(fā)雙方采用相同的混沌系統（相同初條件的邏輯映射整數表達式（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)現誤碼率為零 的數字語(yǔ)音混沌保密通信。

３ 硬件實(shí)現

我們運用單片機實(shí)現了上述數字語(yǔ)音混沌通信系統。單片微型計算機是微型計算機發(fā)展中的一個(gè)重要分支，它具有體積小、功能擴展性強、環(huán)境適應性強等獨特結構和性能。用單片機實(shí)現數字語(yǔ)音混沌保密通信系統可以滿(mǎn)足保密通信的隱蔽性、靈活性、保密性等要求。

我們運用8031單片機設計的數字語(yǔ)音混沌通信系統硬件結構圖如圖3所示。在發(fā)送系統中，從話(huà)筒輸入的語(yǔ)音信號經(jīng)過(guò)4066芯片采樣保持，根據人類(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)行數模轉換；在8031芯片編程產(chǎn)生混沌密碼序列，與輸入的數字語(yǔ)音信號進(jìn)行加密運算，然后把密文發(fā)送到通信線(xiàn)路上（采用基帶通信）。接收端的單片機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)行數模轉換變成語(yǔ)音模擬信號并經(jīng)過(guò)放大和低通濾波后推動(dòng)揚聲器播放，整個(gè)通信過(guò)程為實(shí)時(shí)通信。從揚聲器能夠清晰的聽(tīng)到從發(fā)送端話(huà)筒輸入的語(yǔ)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(shuō)明該系統保密通信效果，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，并編寫(xiě)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(guān)察到兩種輸出結果，加密信號的時(shí)間波形雜亂無(wú)章，完全覆蓋了原始信號，從揚聲器聽(tīng)到的是一片噪聲。信號的加密、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與輸入方波信號比較出現了一定的失真，但主要是高頻失真，因而該系統成功的實(shí)現了語(yǔ)音保密通信。

４ 討論

在數字語(yǔ)音混沌通信系統的設計和實(shí)現中，數字混沌序列的產(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硬件的復雜程度。采用本文所述的由浮點(diǎn)運算變換到定點(diǎn)運算的邏輯運算的整數表達式來(lái)產(chǎn)生數字混沌序列，可以極大地加快計算速度，降低對計算精度的要求，因而可用廣泛使用的8031單片機實(shí)現數字語(yǔ)音混沌通信系統。當然，要提高通信的效果，還要提高語(yǔ)音信號的采集速度，減少量化噪聲，這就要求單片機具有較高CPU運行速度，可考慮使用高位單片機來(lái)實(shí)現該語(yǔ)音保密通信的硬件系統。同時(shí)，在選用高速CPU單片機的前提下，也可嘗試利用上述語(yǔ)音數字通信系統對大數據量的圖形、圖象和多媒體信號實(shí)現保密通信或進(jìn)一步改進(jìn)系統為無(wú)線(xiàn)傳輸，以滿(mǎn)足廣泛的實(shí)際應用的要求。