《電子技術(shù)應(yīng)用》
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音頻混沌保密無線通信及在DSP上的實(shí)現(xiàn)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2011年第10期
張海合, 禹思敏
(廣東工業(yè)大學(xué),, 廣東 廣州 510006)
摘要: 針對(duì)無線語音通信易被監(jiān)聽等特點(diǎn),,設(shè)計(jì)了一種基于混沌保密的無線語音通信系統(tǒng)。采用洛倫茲系統(tǒng),以TMS320C6713 DSP和射頻收發(fā)器為核心,,在分析系統(tǒng)的工作原理和工作過程并給出了硬件原理圖及軟件流程圖的基礎(chǔ)上,,說明了洛倫茲系統(tǒng)在DSP上的實(shí)現(xiàn)方法及改進(jìn)型混沌同步。最后,,利用DSP進(jìn)行了混沌保密的無線語音通信實(shí)驗(yàn)并得到了相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果,。
關(guān)鍵詞: DSP 混沌 保密 無線通信
中圖分類號(hào): TN910; TN918
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)10-0141-03
Audio wireless communication of chaos security and its realization on DSP
Zhang Haihe, Yu Simin
Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006, China
Abstract: For the characteristic of wireless communication, a wireless voice secure communication system based on digital chaos is introduced.It takes TMS320C6713B DSP and RF transceiver as core using the Lorenz′s chaotic system.Based on analyzing the working principle and process of the system,the hardware structure chart and software flowchart are also given, this dissertation elaborated the implement method of Lorenz′s chaotic system with DSP and improved chaos synchronization. Finally, DSP experiment of digital voice secure communication is implemented and the corresponding tested-photos also be given.
Key words : chaos; secure; DSP; wireless communications


 無線語音通信技術(shù)是未來語音傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢(shì),,它具有分布靈活,、使用簡便、幾乎不受空間條件限制等特點(diǎn),。然而由于無線語音通信主要以無線電波為信息載體,,易被監(jiān)聽,因此語音無線通信保密顯得尤為重要,。
 本文結(jié)合無線數(shù)字語音通信系統(tǒng)的特點(diǎn),,利用混沌序列良好的保密性能[1-4],實(shí)現(xiàn)了一種洛倫茲混沌語音保密通信系統(tǒng),,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單,、靈活多變,保密性優(yōu)于一般混沌掩蓋加密,。
1 洛倫茲混沌系統(tǒng)
 本設(shè)計(jì)選用Lorenz系統(tǒng),,Lorenz方程為三維方程,,屬于高維混沌系統(tǒng)。應(yīng)用Lorenz方程等高維系統(tǒng)構(gòu)造序列密碼的優(yōu)點(diǎn)在于:可以對(duì)多個(gè)系統(tǒng)變量進(jìn)行處理產(chǎn)生序列密碼,;同時(shí)能提供大量密鑰空間[5],。
    選取系統(tǒng)參數(shù):A=10.0,B=30.0,C=8.0/3,初值的選取可以是不為零的任意數(shù),最好能選取在系統(tǒng)混沌吸引子中,,這樣可以使系統(tǒng)快速地進(jìn)入混沌狀態(tài),。結(jié)合實(shí)際情況,lorenz方程的所有參數(shù)采用浮點(diǎn)型,,以便使混沌吸引子達(dá)到最佳效果,。

其中,T在試驗(yàn)中根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)節(jié)。
 利用上述產(chǎn)生的混沌方程的序列作為密碼構(gòu)建一個(gè)有混沌加密的語音無線通信系統(tǒng),。發(fā)送端加密過程為:

4.1.1核心處理器
    本設(shè)計(jì)的核心處理器采用TI公司的TMS320C6713 DSP(以下簡稱C6713),,主要負(fù)責(zé)所有設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度,、功能協(xié)調(diào),、通信協(xié)議控制、混沌保密算法的實(shí)施,。本設(shè)計(jì)增加了外擴(kuò)SDRAM存儲(chǔ)器,,用的是MT48LC4M32B2,SDRAM存儲(chǔ)器被映射到DSP的CE0空間,,工作頻率為100 MHz,,字節(jié)地址為0X8000 0000~0X801F FFFF,大小為2 MB,,SDRAM與DSP的連接原理框圖如圖3所示,。

4.1.2 CODEC
    CODEC實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換,、編碼后傳輸給DSP進(jìn)行信號(hào)調(diào)理,。CODEC選用TI公司的TLV320AIC23B(以下簡稱AIC23B),與DSP的McASP模塊實(shí)現(xiàn)無縫連接,串行傳輸數(shù)據(jù),;而DSP通過I2C總線初始化AIC23B[7],。
4.1.3 無線接收發(fā)送
    無線接收發(fā)送數(shù)據(jù)采用Nordic公司的nRF24L01,該芯片是一款新型單片射頻收發(fā)器件,高效GFSK調(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合,。nRF24L01工作于Enhanced ShockBurst模式下時(shí)具有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能,,而且具有可選的內(nèi)置包應(yīng)答機(jī)制,極大地降低丟包率[8],。
4.1.4 主體硬件連接
 C6713有2個(gè)McASP(多通道音頻接入接口),,McASP的串行數(shù)據(jù)多達(dá)8根,具有很強(qiáng)的編程能力,,也可以配置多種同步串行標(biāo)準(zhǔn),,直接與各種器件高速接口,。利用McASP1與AIC23的數(shù)據(jù)口相連,完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,,而6713的IIC0口與AIC23的控制口相連,,對(duì)AIC23寫控制字,其基本的引腳連接圖如圖4所示,。C6713還有兩個(gè)McBSP(多通道緩沖串口),,利用McBSP1與GPIO口協(xié)作,共同控制24L01的數(shù)據(jù)與控制線,,從而達(dá)到一幀30 B的傳輸效果,,其中McBSP主管數(shù)據(jù)和同步脈沖,GPIO的GP8腳主要負(fù)責(zé)無線模塊的發(fā)送接收啟動(dòng),、GP13腳主要負(fù)責(zé)幀信號(hào)的同步,。

 

 

4.2 軟件設(shè)計(jì)
 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括接收和發(fā)送兩部分,而這兩部分又可各自分為三個(gè)主要部分,,包括硬件驅(qū)動(dòng)程序和各硬件間的協(xié)調(diào)調(diào)度以及混沌加解密程序,。發(fā)送和接收的各部分幾乎相同,只是接收部分需要中斷,,以提醒DSP停止當(dāng)前的處理,進(jìn)入中斷去取數(shù)據(jù),。
 硬件驅(qū)動(dòng)程序主要是包括DSP各寄存器配置,、SDRAM的配置、AIC23B寄存器的配置,、24L01的配置,。這些配置在主函數(shù)中以初始化的形式編寫。
 各硬件間的協(xié)調(diào)調(diào)度是進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)闹匾ぷ鲀?nèi)容,,其中包括利用AIC23B的取得或播放數(shù)據(jù),、數(shù)據(jù)進(jìn)入緩沖區(qū)或流出緩沖區(qū)、混沌保密環(huán)節(jié)的取或出數(shù)據(jù),、24L01接收和發(fā)送數(shù)據(jù),。接收端程序采用中斷程序+循環(huán)主程序的方式。
 混沌加解密程序是系統(tǒng)保密的核心部分,,加密端與解密端的混沌方程參數(shù)一定要相同才能解密出原始信號(hào),,否則會(huì)導(dǎo)致混沌發(fā)散。迭代方程中的比例系數(shù)的調(diào)節(jié)很關(guān)鍵,,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值,,混沌信號(hào)一般大于去直流信號(hào)后語音信號(hào)的10~100倍。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示,。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配的解決
 通過示波器測(cè)試分析,含有15個(gè)數(shù)據(jù)的信息包的傳輸時(shí)間大約為750 μs,,按此速度計(jì)算,,每個(gè)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間平均為50 μs,混沌加解密算法占用的時(shí)間約為20 μs,而AIC23B的采樣率設(shè)置為8 kS/s,,每個(gè)語音信號(hào)采集時(shí)間約120 μs,,50 μs+20 μs遠(yuǎn)小于120 μs,加入一定的延時(shí)時(shí)間和設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就會(huì)解決速度匹配的問題,。另外盡量保證發(fā)送數(shù)據(jù)速度小于接收速度,,以免丟失數(shù)據(jù)包,導(dǎo)致混沌吸引子發(fā)散,。
5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    通過示波器觀看到發(fā)送端原始信號(hào)波形圖與接收端未解密出來的信號(hào)對(duì)比,,如圖6所示??梢钥闯?,加密后的信號(hào)是雜亂無章的,趨向于噪聲,。另外接收到的語音信號(hào)的質(zhì)量無明顯下降,如圖7所示,。也可以看出解密后的信號(hào)幾乎與原始信號(hào)一樣。解密端僅有一些延時(shí),,由于距離和加解密程序的耗時(shí),,這是難以避免的。


    混沌保密通信分為有線通信和無線通信兩大類,。無線混沌保密通信相對(duì)有線混沌保密通信難度大得多,。本文設(shè)計(jì)了語音無線通信的硬件和軟件系統(tǒng),并以洛倫茲混沌系統(tǒng)為加密方式,,用Euler算法作離散化處理,,對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加密和解密,成功實(shí)現(xiàn)了語音無線混沌通信。由于語音無線通信設(shè)計(jì)中采用了各種糾錯(cuò)方式,,使得語音混沌無線通信具有更好的實(shí)際可行性,。
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