文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2011)10-0141-03
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,因此語音無線通信的保密顯得尤為重要,。
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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