摘 要： 對離散時間動力學系統(tǒng)邏輯影射進行變換,，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，構造了語音保密通信系統(tǒng),，并運用單片機實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件實驗。
關鍵詞： 數(shù)字混沌系統(tǒng) 語音加密 硬件實現(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,、類隨機而又確定可再生的混沌序列。近幾年來,，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研究熱點,，其中在保密通信方面的應用研究也越來越得到人們的重視[1－2]。
混沌序列在密碼學方面的應用起源于80年代末期,，由英國數(shù)學家Matthews首先提出[1],，其后得到了一定的發(fā)展。國內(nèi)南京大學聲學研究所的倪皖蓀,、中國科學院的張洪均等也正在進行這方面的研究工作,。
基于混沌系統(tǒng)之間能夠達到自同步[2]，發(fā)展了多種同步技術,，如：混沌掩埋技術[3],、混沌調(diào)制技術[4]、混沌開關技術[5]以及數(shù)字混沌通信技術[6]等,，分別運用于連續(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,，易于加密,，易于大規(guī)模集成等特點，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)具有結構簡單，易于實現(xiàn),，保密性能高等優(yōu)勢,。因而,，混沌技術在數(shù)字保密通信中的應用研究也就更具有現(xiàn)實意義。
本文對離散時間動力學系統(tǒng)邏輯影射進行變換,，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，構造了語音保密通信系統(tǒng),，并運用單片機實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件實驗,。
1 數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生
研究證明邏輯映射
可以產(chǎn)生大量具有均值為零、自相關為δ函數(shù),、互相關為零統(tǒng)計特性的優(yōu)良混沌序列,，因而可作為理想的密碼序列，應用于語音信號的保密傳輸,。
要實現(xiàn)邏輯映射的數(shù)字化,，一種方法是采用浮點運算。實際運算表明,，浮點單精度(32bit)的運算結果脫離了混沌態(tài),，浮點雙精度(64bit)的運算結果與理論接近。但在實際應用中,，64bit浮點雙精度運算需要內(nèi)存空間大,，運算速度慢,，而且不利于數(shù)字硬件實現(xiàn),。下面我們把邏輯映射的迭代過程由浮點運算變換為定點運算。
我們?nèi)粘Ｉ钪衅毡槭褂玫氖M制小數(shù)同計算機中使用的二進制存在如下關系：
其中：,，
從(3)式可知,，X為一十進制整數(shù)，它是由一個十進制小數(shù)映射而來,，而十進制整數(shù)在計算機中可用定點整數(shù)形式來表示,。
我們將(3)式代入邏輯映射(1)可得：
這就是邏輯映射的整數(shù)表達式。在作者即將發(fā)表的另一篇文章中,，對L為64位,、32位和16位分別進行了計算機編程模擬，證明當L＝32時,，式(5)產(chǎn)生的序列仍然處于混沌態(tài)(而同樣32bit條件下,，采用浮點運算得不到混沌序列)。當L＝16時,，式(5)產(chǎn)生的序列已經(jīng)脫離了混沌態(tài),，但經(jīng)過一定的非線性變換仍可產(chǎn)生混沌序列，對式(5)進行微小的改動(即非線性變換)為：
其中Xn＝(XnH)(XnL),，Xn′＝(XnL) (XnH),，即Xn′為Xn的高低字節(jié)互換后的16位二進制數(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)運算優(yōu)于浮點運算,，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比特定點運算,，加快了計算速度,，從而減低了對硬件電路的要求。
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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Usn為發(fā)送端的語音信號,，Xsn為發(fā)送端的混沌編碼序列,，Ysn為發(fā)送端的混沌加密信號，⊕為逐位模二加計算符,。
接受端解密過程為加密過程的逆運算：
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(tǒng)(相同初條件的邏輯映射整數(shù)表達式(6))產(chǎn)生的編碼序列進行加解密,，即Sn＝0,Xrn＝Xsn時，就有Urn＝Usn,。從而實現(xiàn)誤碼率為零 的數(shù)字語音混沌保密通信,。
3 硬件實現(xiàn)
我們運用單片機實現(xiàn)了上述數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)。單片微型計算機是微型計算機發(fā)展中的一個重要分支,，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,。
我們運用8031單片機設計的數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)硬件結構圖如圖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芯片進行數(shù)模轉換；在8031芯片編程產(chǎn)生混沌密碼序列，與輸入的數(shù)字語音信號進行加密運算,，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芯片對解密信號進行數(shù)模轉換變成語音模擬信號并經(jīng)過放大和低通濾波后推動揚聲器播放,，整個通信過程為實時通信。從揚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)生一1kHz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)的設計和實現(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)硬件的復雜程度,。采用本文所述的由浮點運算變換到定點運算的邏輯運算的整數(shù)表達式來產(chǎn)生數(shù)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單片機實現(xiàn)數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng),。當然，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，這就要求單片機具有較高CPU運行速度，可考慮使用高位單片機來實現(xiàn)該語音保密通信的硬件系統(tǒng),。同時,，在選用高速CPU單片機的前提下，也可嘗試利用上述語音數(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現(xiàn)保密通信或進一步改進系統(tǒng)為無線傳輸,，以滿足廣泛的實際應用的要求。
參考文獻
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