CN1564504A - 一种数据流混沌编解码方法和模块化电路 - Google Patents
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Abstract
一种数据流混沌编解码方法和模块化电路，编解码方法基于单向耦合环状迭代(OCRML)非线性系统(207)、(307)产生混沌信号，并对混沌信号进行截断处理而产生的混沌伪随机序列(204)、(304)对数据流进行加、解密运算：发射端加密系统利用了方程组在数字信号处理器(DSP)(108)中进行迭代运算得到混沌信号xn (m)(206)，并在编码器(202)中对数据流s(n)(201)进行加密编码，产生加密后的密文序列g(n)(203)后发出；接收端解密系统将接受到的密文数据流g’(n)(303)作为驱动信号，在解码器(302)中对接受数据流g’(n)(303)进行解码运算，产生解密后的密文序列s’(n)(301)；本发明公布一种数据流的编解码模块化电路，可以进行实时语音无线混沌保密通信。
Description
一、技术领域
本发明属于混沌保密通信技术领域，涉及到数字化、实时数据流的保密通信方法，尤其是数据流混沌编解码方法和模块化电路。
二、背景技术
已有的混沌保密通信技术主要表现为采用非线性模拟电路如蔡氏电路来产生混沌信号，通信时用模拟的混沌信号掩盖传输信号，从而实现保密通信。但这种方法在保密性能和通信质量两方面难以进一步提高，且抗干扰和抗破译性能差，目前很少被采用。
采用数字化的方法实现混沌保密通信虽然克服了上述不足，但最新研究表明，普通混沌的抗破译性能仍不够高。窃听者在得到原始混沌数据后，运用诸如动力学重构、回复映象及用自同步估计模型参数等技术，仍可以破译加密后的密文。另一方面，普通混沌加解密系统的加解密速度仍然难以满足实时数据流的保密通信要求。
三、发明内容
本发明的目的是实现一种数字化的、高可靠性的、高保密强度的，同时也是高速加解密、高保真效果的安全通信技术，并具有模块化、可方便地嵌入到不同通信系统内的特点。
为达到上述目的，本发明的技术方案是采用具有数值运算能力强的数字信号处理器(DSP)(108)来运行一种快速CPRS混沌(伪随机序列)保密算法(见图2、3)。由于CPRS混沌系统具有自同步能力且同步速度快，其状态参数多，混沌行为复杂，因而该算法具有密钥多，保密性能好，可靠性高、抗破译能力强、并能快速产生加解密混沌伪随机序列(CPRS)、解密密文无失真的特点。
本发明是这样实现：快速CPRS混沌保密算法(见图2、3)基于单向耦合环状迭代(OCRML)非线性系统(207)、(307)，采用运行这种单向耦合环状迭代系统(OCRML)产生混沌信号，并对混沌信号进行截断处理而产生的混沌伪随机序列(亦称CPRS序列)(204)、(304)对数据流进行加、解密运算。
(1)发射端加密系统(图2)利用了如下方程组(0-1)在数字信号处理器(DSP)(108)中进行迭代运算得到混沌信号xn(m)(206)，经Z[]运算(205)后产生混沌伪随机序列rn(204)，并在编码器(202)中对数据流s(n)(201)进行加密编码，产生加密后的密文序列g(n)(203)后发出：
rn＝Z[xn(m)] ——“Z[]”为截断混沌信号的运算
gn＝rnsn ——“”为异或运算
xn+1(1)＝(1-ε)f[xn(1)]+εgn/65536 (0-1)
xn+1(i)＝(1-ε)f[xn(i)]+εf[xn(i-1)]
xn(m+1)＝xn(1) i＝2，3，...，m——为单向耦合环状迭代系统的节点数
(2)接收端解密系统(图3)将接受到的密文数据流g’(n)(303)作为驱动信号，利用如下方程组(0-2)在数字信号处理器(DSP)(108)中进行迭代运算，得到接受端的混沌信号yn(m)(306)，经Z[]运算(305)后产生出接受端的混沌伪随机序列r’n(304)，并在解码器(302)中对接受数据流g’(n)(303)进行解码运算，产生解密后的密文序列s’(n)(301)：
r’n＝Z[yn(m]) ——“Z[]”为截断混沌信号的运算
s’n＝r’ng’n ——“”为异或运算
yn+1(1)＝(1-ε)f[yn(1)+εgn/65536 (0-2)
yn+1(i)＝(1-ε)f[yn(i)+εf[yn(i-1)
yn(m+1)＝yn(1) i＝2，3，...，m——为单向耦合环状迭代系统的节点数
接受系统同步时，混沌信号yn(m)(306)与混沌信号xn(m)(206)相同，接受端恢复出来的混沌伪随机序列r’n(304)与发送端的混沌伪随机序列rn(204)完全相同，则解码后的数据流s’(n)(301)与发送的数据流s(n)(201)完全相同，接受端准确恢复出原发送数据。
(3)运算“Z[]”(205)与(305)是指将混沌信号xn(m)(206)与yn(m)(306)进行截断取整运算，以得到一个16比特的有符号整型数。
(4)上述方程组(0-1)、(0-2)中的m值可以根据加密强度和数字信号处理芯片(DSP)的运算能力来确定，一般取m≥3。
(5)上述方程组(0-1)、(0-2)中的方程f(x)可以选用非线性方程，如折线方程或二次抛物线方程。
(6)上述方程组(0-1)、(0-2)中系数ε的取值范围为：0＜ε＜1。上述方法的处理程序：
(1)系统启动时，数字信号处理器(DSP)(108)自动下载存贮在程序与数据缓冲存贮器(106)中的快速CPRS混沌保密算法软件，数字信号处理器(DSP)(108)通过其自身的数据口接受嵌入数据流混沌编解码模块化电路(10)的应用系统发出的密钥数据；亦可以通过“键盘、显示与通信口控制”电路(MCU)(11)接受输入的密钥，并将密钥数据处理成CPRS混沌保密算法方程中的有关系数和初始条件值。
(2)发送时，数字信号处理器(DSP)(108)将发送数据流与CPRS混沌伪随机序列直接进行逐位异或运算，从而实现加密处理。密文数据流按需要送传输模块(12)进行信道编码后传输。
(3)接受时，数字信号处理器(DSP)(108)将利用收到的密文数据流自动同步收方的CPRS混沌系统，产生出解码所需的解密CPRS混沌伪随机序列，并将密文数据流与CPRS混沌伪随机序列直接进行逐位异或运算，从而实现解密处理，恢复出原数据流。
(4)由于信道噪声导致接受密文数据流发生误码时，CPRS混沌系统可以在误码发生后很短时间内再次实现同步，该过程无需外部干预，从而恢复正确数据流的输出。
(5)数字信号处理器(DSP)(108)在对发送数据流进行逐位异或加密运算过程中不添加其他信息，因而密文数据流中无冗余，不会给通信信道增加额外负担。
一种数据流混沌编解码模块化电路(10)，其特征是包括数字信号处理器(DSP)(108)、程序与数据缓冲存贮器(106)、逻辑与时序控制电路(107)、输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)、模拟信号的A/D转换电路(102)、输出模拟信号的D/A转换电路(104)、放大与低通滤波电路B(103)、串行输入/输出数字接口电路与串口控制芯片(105)等构成。程序与数据缓冲存贮器(106)、逻辑与时序控制电路(107)是数字信号处理器(DSP)(108)的外围连接电路，输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)连接模拟信号的A/D转换电路(102)，并与数字信号处理器(DSP)(108)通过同步串口(MCBSP)实现无缝连接。数字信号处理器(DSP)(108)通过同一个同步串口(MCBSP)与输出模拟信号的D/A转换电路(104)、放大与低通滤波电路B(103)，实现无缝连接；串行输入/输出数字接口电路通过串口控制芯片(105)与数字信号处理器(DSP)连接，实现串行输入/输出数据流与DSP(108)的直接通信。
上述电路按图一方式相结合组成基本的模块化电路，数字信号处理器(DSP)(108)、程序与数据缓冲存贮器(106)、逻辑与时序控制电路(107)用于对输入数据流进行混沌编解码运算；输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)、模拟信号的A/D转换电路(102)用于将输入模拟信号转换成相应的实时数据流，经同步串口(MCBSP)送数字信号处理器(DSP)(108)进行处理；数字信号处理器(DSP)(108)经同步串口(MCBSP)无缝连接输出模拟信号的D/A转换电路(104)和放大与低通滤波电路B(103)用于将其输出的的数据流转换成模拟信号；标准RS232输入/输出数字接口电路通过串口控制芯片(105)用于和数字信号处理器(DSP)(108)接口，并实现串行输入/输出数据流与DSP(108)的直接通信。
也可以附加上“键盘、显示与通信口控制”电路(MCU)(11)与送传输模块(12)组成扩大的模块化电路。
该模块化电路具有多种不同类型的标准接口，可以方便地嵌入到不同类型的通信系统中，成为其完整系统的一部分，使之具有保密通信的功能。
快速CPRS混沌保密算法是一种伪随机流加密方法，该项技术有效地克服通常混沌保密通信的不足。由于在CPRS混沌保密算法中对原始混沌数据进行了人为扰动，使得窃听者将得不到原始混沌数据，使破译者难以猜测原来的非线性系统，从而提高了破译难度。
四、附图说明
图1是本发明的“一种数据流混沌编解码模块化电路”系统框图；
图2是本发明所采用的快速CPRS混沌保密算法发射部分的示意图
图3是本发明所采用的快速CPRS混沌保密算法接受部分的示意图
图4为采用本发明技术方案制作的一种实时语音无线混沌保密通信方案的系统图
图5为采用本发明技术方案制作的一种实时语音无线混沌保密通信方案的信号处理流程图
五、具体实施方案
实时语音无线保密通信装置
该项发明具有模拟和数字信号两种输入/输出接口，因而可以比较方便地应用到各种模拟和数字通信设备中。下面以采用本项发明技术制作的一种实时语音无线混沌保密通信装置为例，说明该技术的具体实施方式。
1、系统结构设计(参考图4)
将本项发明运用到实时语音无线混沌保密通信中，需要针对语音通信的特点采取相应的技术措施。
本装置中输入的语音信号为话筒输出的模拟信号，因此采用型号为TLC2272ACD的集成电路构成输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)，采用型号为TLC320AD50C的集成电路作为输入信号的A/D转换器(102)。接受到的保密语音信号将输出到耳机中，因此输出部分采用型号为LM386的运算放大器构成输出模拟信号的放大与滤波电路B(103)，采用型号为TLC320AD50C的集成电路作为输出信号的D/A转换器(104)(注：输入信号的A/D转换器(102)与输出信号的D/A转换器(104)实际为一片集成电路)。
待发送的语音信号数字化后的码率为128kbps(注：本方案中由于采用的是16bits的A/D转换器)，直接传送需要比较高的信道带宽，因此发送前必须采用语音压缩算法进行压缩，接受时再采用同样的算法进行解压。在众多的语音压缩算法中，我们选择了压缩后的码率低、恢复语音质量较好，但算法较难的ITUG.723.1压缩算法。ITU G.723.1对语音压缩后的码率仅为5.3k/6.3kbps，适合于无线通信。由于该算法的特点，语音压缩会带来至少30ms的延时。
为了对发送的语音信号进行压缩和CPRS混沌加密，对接受到的语音信号进行CPRS混沌解密和解压缩运算，本方案中选择TI公司生产的型号为TMS320VC5409_100的定点运算的数字信号处理器(DSP)(108)，并配套采用型号为SST39VF400A的程序存贮器(106)、型号为TPS767D301的电源变换与滤波芯片。根据理论计算并参照实验结果，这样的选择可以确保足够的运算能力，在对语音信号进行压缩和解压缩，并同时进行CPRS混沌加解密时，系统带来的总延时量约为32ms，完全满足实时语音通信的要求。
为实现无线通信，本方案选用型号为PTR2000的无线传输模块(13)。该模块工作于半双工方式，采用串口通信方式与数字信号处理器(DSP)(108)通信。
本方案中RS232数据输入/输出接口与串口控制(105)采用型号为MAX232和16C550的集成电路，键盘显示与通信口控制(12)采用型号为AT89C51的单片机芯片，外部逻辑与时序控制电路(107)采用可编程芯片PLD_MACH4_32。
2、工作原理说明(参考图5)
采用本发明完成的实时语音无线混沌保密通信装置可以进行“点对点”的保密通信，对软件稍加修改后还可以用来进行“一对多”的可寻址通信等，这里仅对“点对点”的保密通信原理进行说明。
进行保密通信时，双方通信装置中的DSP芯片(108)在开机通电后自动将程序存储器(106)中的快速CPRS混沌保密算法、ITU G.723.1语音压缩解压缩算法等程序装入DSP芯片(108)内的程序存储区，并自动开始执行该程序。通电后的初始化阶段双方将完成初始化设置并经无线信道建立起数据通信的同步
通信装置正常工作时，通信双方的A/D转换芯片(TLC320AD50C)(102)分别同时对放大和滤波(101)后的语音信号进行采集，采集后的信号经数字化后成为128kbps的数据流经同步串口存入到DSP芯片(108)的缓冲区中。A/D芯片(102)每30ms发出一次中断要求DSP(108)对该数据进行处理。
双方的DSP芯片(108)定时对采集的语音数据按ITU G723.1语音压缩标准进行压缩，压缩后的数据需进行CPRS混沌加密编码(参考图2)以保证数据的安全性，然后再对该数据按传输要求打包，送入发送缓冲区经无线传输模块(13)发出。
双方的无线传输模块(13)接受的数据经纠错后亦分别送DSP芯片(108)进行CPRS混沌解密编码(参考图3)与数据解压缩处理。解压后的数据同时送至D/A转换芯片(104)，经数模转换和放大滤波(103)后还原出对方的声音，从而实现语音保密通信。
通信系统在正常工作过程中，双方按半双工方式轮流收和发，整个收发过程自动实现同步，通信双方并无任何不畅的感觉。
通信双方可以通过各自的键盘(12)选择正常或保密通话方式，选择保密通话方式时需要输入约定的加解密密钥，通话双方的密钥不同时，耳机中重放出无序的噪音，以提醒通话方所使用的密钥有误需重新设置。
装置中的液晶显示器(12)可以显示输入的信息和当前的工作状态。
通信过程中的一方或双方关断电源时，通信中断。断电方的电源恢复后会自动进行初始化设置并和另一方重新进行握手以建立起通信信道和同步关系。
3、实现的主要性能与技术指标
本项应用实例中，语音的采集速率为8KHz、16位量化，采用高速TMS320VC5409_100DSP器件和ITU G723.1协议对语音进行实时处理和压缩，压缩后的数据码率为5.3/6.3Kbps，可传输的语音带宽达到100-3400Hz，传输延时不大于32ms。无线通信方式为FSK半双工，通信速率为不大于8kbps，这些技术水平和指标均不低于普通数字通信设备的要求。
4、应用前景
本项应用实例中，利用了数字型号处理器(DSP)运算能力强的特点，进行语音的实时压缩与解压缩和CPRS混沌加解密，具有速度快，通信延迟小，模块化，接口灵活且可方便地嵌入到普通的模拟通信设备中，如车载电话、短波电台、普通的报话机、企业集群移动电话、家庭用无绳电话中，亦可以运用于公安部门或安全保密部门的应急保密通信、军用保密通信、网上通话、微波通信、卫星通信等。该项技术还可以方便地用来改造各种模拟通信设备如普通报话机和短波电台使其成为可寻址的通信设备。其语音通话质量优于GSM的语音质量，信息安全性能高。
Claims (6)
1、一种数据流混沌编解码方法，其特征在于，编解码算法基于单向耦合环状迭代(OCRML)非线性系统(207)、(307)，采用运行这种单向耦合环状迭代系统(OCRML)产生混沌信号，并对混沌信号进行截断处理而产生的混沌伪随机序列(204)、(304)对数据流进行加、解密运算：
(1)发射端加密系统利用了如下方程组(0-1)在数字信号处理器(DSP)(108)中进行迭代运算得到混沌信号xn(m)(206)，经Z[]运算(205)后产生混沌伪随机序列rn(204)，并在编码器(202)中对数据流s(n)(201)进行加密编码，产生加密后的密文序列g(n)(203)后发出：
rn＝Z[xn(m)]——“Z[]”为截断混沌信号的运算
gn＝rnsn——“”为异或运算
xn+1(1)＝(1-ε)f[xn(1)]+εgn/65536 (0-1)
xn+1(i)＝(1-ε)f[xn(i)]+εf[xn(i-1)]
xn(m+1)＝xn(1) i＝2，3，...，m——为单向耦合环状迭代系统的节点数
(2)接收端解密系统将接受到的密文数据流g’(n)(303)作为驱动信号，利用如下方程组(0-2)在数字信号处理器(DSP)(108)中进行迭代运算，得到接受端的混沌信号yn(m)(306)，经Z[]运算(305)后产生出接受端的混沌伪随机序列r’n(304)，并在解码器(302)中对接受数据流g’(n)(303)进行解码运算，产生解密后的密文序列s’(n)(301)：
r’n＝Z[yn(m)7——“Z[]”为截断混沌信号的运算
s’n＝r’ng’n——“”为异或运算
yn+1(1)＝(1-ε)f[yn(1)]+εgn/65536 (0-2)
yn+1(i)＝(1-ε)f[yn(i)]+εf[yn(i-1)]
yn(m+1)＝yn(1) i＝2，3，...，m——为单向耦合环状迭代系统的节点数
接受系统同步时，混沌信号yn(m)(306)与混沌信号xn(m)(206)相同，接受端恢复出来的混沌伪随机序列r’n(304)与发送端的混沌伪随机序列rn(204)完全相同，则解码后的数据流s’(n)(301)与发送的数据流s(n)(201)完全相同，接受端准确恢复出原发送数据；
(3)运算“Z[]”(205)与(305)是指将混沌信号xn(m)(206)与yn(m)(306)进行截断取整运算，以得到一个16比特的有符号整型数；
(4)上述方程组(0-1)、(0-2)中的m值可以根据加密强度和数字信号处理芯片(DSP)的运算能力来确定，一般取m≥3；
(5)上述方程组(0-1)、(0-2)中的方程f(x)可以选用非线性方程，如折线方程或二次抛物线方程；
(6)上述方程组(0-1)、(0-2)中系数ε的取值范围为：0＜ε＜1。
2、根据权利要求1所述的数据流混沌编解码方法，其特征在于：
(1)系统启动时，数字信号处理器(DSP)(108)自动下载存贮在程序与数据缓冲存贮器(106)中的快速CPRS混沌保密算法软件，数字信号处理器(DSP)(108)通过其自身的数据口接受嵌入数据流混沌编解码模块化电路(10)的应用系统发出的密钥数据；亦可以通过“键盘、显示与通信口控制”电路(MCU)(11)接受输入的密钥，并将密钥数据处理成快速CPRS混沌保密算法方程中的有关系数和初始条件值；
(2)发送时，数字信号处理器(DSP)(108)将发送数据流与混沌伪随机序列(CPRS序列)直接进行逐位异或运算，从而实现加密处理。密文数据流按需要送传输模块(12)进行信道编码后传输；
(3)接受时，数字信号处理器(DSP)(108)将利用收到的密文数据流自动同步收方的CPRS混沌系统，产生出解码所需的解密混沌伪随机序列(CPRS序列)，并将密文数据流与混沌伪随机序列(CPRS序列)直接进行逐位异或运算，从而实现解密处理，恢复出原数据流；
(4)由于信道噪声导致接受密文数据流发生误码时，CPRS混沌系统可以在误码发生后很短时间内再次实现同步，该过程无需外部干预，从而恢复正确数据流的输出；
(5)数字信号处理器(DSP)(108)在对发送数据流进行逐位异或加密运算过程中不添加其他信息，因而密文数据流中无冗余，不会给通信信道增加额外负担。
3、一种数据流混沌编解码模块化电路(10)，其特征是包括数字信号处理器(DSP)(108)、程序与数据缓冲存贮器(106)、逻辑与时序控制电路(107)、输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)、模拟信号的A/D转换电路(102)、输出模拟信号的D/A转换电路(104)、放大与低通滤波电路B(103)、串行输入/输出数字接口电路与串口控制芯片(105)等构成，程序与数据缓冲存贮器(106)、逻辑与时序控制电路(107)是数字信号处理器(DSP)(108)的外围连接电路，输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)连接模拟信号的A/D转换电路(102)，并与数字信号处理器(DSP)(108)通过同步串口(MCBSP)实现无缝连接。数字信号处理器(DSP)(108)通过同步串口(MCBSP)与输出模拟信号的D/A转换电路(104)、放大与低通滤波电路B(103)，实现无缝连接；串行输入/输出数字接口电路通过串口控制芯片(105)与数字信号处理器(DSP)连接，实现串行输入/输出数据流与DSP(108)的直接通信。
4、由权利要求3所述的数据流混沌编解码模块化电路(10)，其特征是设有模拟和数字信号两种输入/输出接口。
5、由权利要求3所述的数据流混沌编解码模块化电路(10)，其特征是采用型号为TLC2272ACD的集成电路构成输入模拟信号的放大与滤波电路A(101)，采用型号为TLC320AD50C的集成电路作为输入信号的A/D与D/A转换器(102)。
6、由权利要求3所述的数据流混沌编解码模块化电路(10)，其特征是采用型号为PTR2000的无线传输模块(13)。外部逻辑与时序控制电路(107)采用可编程芯片PLD_MACH4_32。
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