基于无线超短波的混沌语音保密通信系统设计

作者：汪艳丽乔彬

来源：《科技创新导报》2012年第20期

摘要:本文提出了一种新的数字语音保密通信系统设计方案。该方案以ATMEGA128单片机为核心,采用改进的混沌算法进行语音加密。本文系统地介绍了语音保密通信系统的工作原理和工作过程,重点叙述了混沌加密模块。实验结果表明,该方案具有良好的语音加密性能。

关键词:单片机混沌加密语音加密

中图分类号:TN91 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2012)07(b)-0024-01

Abstract:This paper proposes a new digital voice secure communication system design.The program ATMEGA128 microcontroller as the core,chaos algorithm for voice encryption.This paper systematically introduces the working principle and process of the voice secure communication system mainly describes the chaotic encryption module.The experimental results show that the program has a good voice encryption performance.

Keywords:microcontroller Chaotic Encryption Voice Encryption

语音通信是人们最常用、最方便的通信方式之一。随着通信技术的不断发展和进步,对于通信的质量、安全性和可靠性都提出了较高的要求。加密技术成为语音通信的核心技术,纵观密码学知识可以知道,混沌信号具有非周期性、连续宽频带、似噪声等特点,特别适合应用于保密通信中。目前利用混沌系统进行加密主要有三种方式:混沌掩盖、混沌参数调制和混沌键控。它们都是以混沌同步为基础。混沌掩盖既可以掩盖模拟信号又可以掩盖数字信号,而混沌参数调制和混沌键控主要用来传输数字信号。混沌掩盖只能传输能量较小的信号,即使是掩盖小能量信号,混沌信号遮掩有用信号的方式主要是相乘、相加和异或,所以很容易受到分析者的攻击;混沌参数调制只适用于慢变信号,对快变信号和时变信号还不能很好的处理,对外界的干扰也很敏感。与前两种通信方式相比,混沌键控抗噪声和参数失配的能力较强,克服了混沌遮掩通信方式中要求混沌载波功率远大于有用信号功率的缺点。本文所提出的无线语音保密通信系统设计方案,首先将语音信号数字化,而后用一种混沌序列对数据进行加密并通过无线超短波发射出去,同时在接受端有对应的解密设计。此种方案能较好地满足我们在实际中对语音通信安全性和实时性的要求。

1 系统工作原理

本系统的硬件电路主要有主控制模块、语音数字化模块、混沌加密模块和无线超短波发射模块组成:以单片机ATMEGA128为核心的中央处理器,辅以外围信号采集、A/D转换、信号压缩编码、混沌加密和无线发射。

2 混沌信号的产生和加密

2.1 混沌序列的产生

混沌是指确定的非线性系统在一定条件下所呈现的不确定的随机现象。混沌运动具有对初值的高度敏感性、运动轨迹的遍历性、非相关性和随机性等特点。混沌序列产生的方法有很多种,本文采用一种应用最广泛的Logistic方程产生混沌序列。Logistic映射形式如式(1)所示。

(1)

式(1)中,称为分岔参数,,Logistic映射是经过倍周期分岔达到混沌的,Logistic分岔,为式(1)中的稳定点。当3.5699456＜μ≤4时,Logistic映射工作于混沌状态。

2.2 混沌加密

混沌键控通信是一种用于传输数字信号的调制方式,以其具有较强的抗噪声、抗干扰能力、保密性强和频带利用率高等优点,使其一直被应用于数字通信中。现有的键控方式有混沌移位键控(CSK)、混沌开关键控(COOK)、差分键控(DCSK)等。DCSK是目前相对于其他键控最好的调制方式,但是DCSK存在传输速率不高和频带利用率低等缺点。为了改善其缺点,本文设计一种改进型的DCSK方案,就是在原有的DCSK调制时加一个延迟。

在发送端把开关换作加法器,使发送端可以连续工作,同时也避免了信号的重复发送。在发送端,混沌信号经过延迟后的与数字化的语音信号进行迭代,使其产生的信号再与原始的语音信号和混沌序列再次叠加输出加密后的信号。

在Matlab2011a、WindowsXP环境下编写相关函数进行试验,实验结果表明,加密后的语音波形分布均匀,能抵御统计分析方法的攻击,证明其可实行。同时改进型的DCSK的传输速率提高了一倍,并且保密也有一定的提高。

3 结语

在Logistic映射基础上,对DCSK方式进行改进,仿真分析验证了,改进后的DCSK方案与传统的方案相比在频带利用率和传输效率上提高了一倍,且具有很强的抗攻击性能。无线数字通信比有线通信实现起来难度要大,且要求很高的实时性。本方案采用单片机作为控制中心,成功的实现了语音信号的混沌加/解密、无线发射和接收。改进后的混沌加密方案适合于应用到实际的数字保密通信的语音的加密传输中,且易于实现。可见,这种改进是有意义的。为推广混沌数字保密通信奠定了很好的基础。