一種數據流混沌編解碼方法和模塊化電路的製作方法
2023-10-08 05:10:09 1
專利名稱：一種數據流混沌編解碼方法和模塊化電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於混沌保密通信技術領域，涉及到數位化、實時數據流的保密通信方法，尤其是數據流混沌編解碼方法和模塊化電路。
背景技術：
已有的混沌保密通信技術主要表現為採用非線性模擬電路如蔡氏電路來產生混沌信號，通信時用模擬的混沌信號掩蓋傳輸信號，從而實現保密通信。但這種方法在保密性能和通信質量兩方面難以進一步提高，且抗幹擾和抗破譯性能差，目前很少被採用。
採用數位化的方法實現混沌保密通信雖然克服了上述不足，但最新研究表明，普通混沌的抗破譯性能仍不夠高。竊聽者在得到原始混沌數據後，運用諸如動力學重構、回復映象及用自同步估計模型參數等技術，仍可以破譯加密後的密文。另一方面，普通混沌加解密系統的加解密速度仍然難以滿足實時數據流的保密通信要求。
發明內容
本發明的目的是實現一種數位化的、高可靠性的、高保密強度的，同時也是高速加解密、高保真效果的安全通信技術，並具有模塊化、可方便地嵌入到不同通信系統內的特點。
為達到上述目的，本發明的技術方案是採用具有數值運算能力強的數位訊號處理器(DSP)(108)來運行一種快速CPRS混沌(偽隨機序列)保密算法(見圖2、3)。由於CPRS混沌系統具有自同步能力且同步速度快，其狀態參數多，混沌行為複雜，因而該算法具有密鑰多，保密性能好，可靠性高、抗破譯能力強、並能快速產生加解密混沌偽隨機序列(CPRS)、解密密文無失真的特點。
本發明是這樣實現快速CPRS混沌保密算法(見圖2、3)基於單向耦合環狀迭代(OCRML)非線性系統(207)、(307)，採用運行這種單向耦合環狀迭代系統(OCRML)產生混沌信號，並對混沌信號進行截斷處理而產生的混沌偽隨機序列(亦稱CPRS序列)(204)、(304)對數據流進行加、解密運算。
(1)發射端加密系統(圖2)利用了如下方程組(0-1)在數位訊號處理器(DSP)(108)中進行迭代運算得到混沌信號xn(m)(206)，經Z[]運算(205)後產生混沌偽隨機序列rn(204)，並在編碼器(202)中對數據流s(n)(201)進行加密編碼，產生加密後的密文序列g(n)(203)後發出
rn＝Z[xn(m)] ——「Z[]」為截斷混沌信號的運算gn＝rnsn——「」為異或運算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——為單向耦合環狀迭代系統的節點數(2)接收端解密系統(圖3)將接受到的密文數據流g』(n)(303)作為驅動信號，利用如下方程組(0-2)在數位訊號處理器(DSP)(108)中進行迭代運算，得到接受端的混沌信號yn(m)(306)，經Z[]運算(305)後產生出接受端的混沌偽隨機序列r』n(304)，並在解碼器(302)中對接受數據流g』(n)(303)進行解碼運算，產生解密後的密文序列s』(n)(301)r』n＝Z[yn(m])——「Z[]」為截斷混沌信號的運算s』n＝r』ng』n——「」為異或運算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——為單向耦合環狀迭代系統的節點數接受系統同步時，混沌信號yn(m)(306)與混沌信號xn(m)(206)相同，接受端恢復出來的混沌偽隨機序列r』n(304)與發送端的混沌偽隨機序列rn(204)完全相同，則解碼後的數據流s』(n)(301)與發送的數據流s(n)(201)完全相同，接受端準確恢復出原發送數據。
(3)運算「Z[]」(205)與(305)是指將混沌信號xn(m)(206)與yn(m)(306)進行截斷取整運算，以得到一個16比特的有符號整型數。
(4)上述方程組(0-1)、(0-2)中的m值可以根據加密強度和數位訊號處理晶片(DSP)的運算能力來確定，一般取m≥3。
(5)上述方程組(0-1)、(0-2)中的方程f(x)可以選用非線性方程，如折線方程或二次拋物線方程。
(6)上述方程組(0-1)、(0-2)中係數ε的取值範圍為0＜ε＜1。上述方法的處理程序(1)系統啟動時，數位訊號處理器(DSP)(108)自動下載存貯在程序與數據緩衝存貯器(106)中的快速CPRS混沌保密算法軟體，數位訊號處理器(DSP)(108)通過其自身的數據口接受嵌入數據流混沌編解碼模塊化電路(10)的應用系統發出的密鑰數據；亦可以通過「鍵盤、顯示與通信口控制」電路(MCU)(11)接受輸入的密鑰，並將密鑰數據處理成CPRS混沌保密算法方程中的有關係數和初始條件值。
(2)發送時，數位訊號處理器(DSP)(108)將發送數據流與CPRS混沌偽隨機序列直接進行逐位異或運算，從而實現加密處理。密文數據流按需要送傳輸模塊(12)進行信道編碼後傳輸。
(3)接受時，數位訊號處理器(DSP)(108)將利用收到的密文數據流自動同步收方的CPRS混沌系統，產生出解碼所需的解密CPRS混沌偽隨機序列，並將密文數據流與CPRS混沌偽隨機序列直接進行逐位異或運算，從而實現解密處理，恢復出原數據流。
(4)由於信道噪聲導致接受密文數據流發生誤碼時，CPRS混沌系統可以在誤碼發生後很短時間內再次實現同步，該過程無需外部幹預，從而恢復正確數據流的輸出。
(5)數位訊號處理器(DSP)(108)在對發送數據流進行逐位異或加密運算過程中不添加其他信息，因而密文數據流中無冗餘，不會給通信信道增加額外負擔。
一種數據流混沌編解碼模塊化電路(10)，其特徵是包括數位訊號處理器(DSP)(108)、程序與數據緩衝存貯器(106)、邏輯與時序控制電路(107)、輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)、模擬信號的A/D轉換電路(102)、輸出模擬信號的D/A轉換電路(104)、放大與低通濾波電路B(103)、串行輸入/輸出數字接口電路與串口控制晶片(105)等構成。程序與數據緩衝存貯器(106)、邏輯與時序控制電路(107)是數位訊號處理器(DSP)(108)的外圍連接電路，輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)連接模擬信號的A/D轉換電路(102)，並與數位訊號處理器(DSP)(108)通過同步串口(MCBSP)實現無縫連接。數位訊號處理器(DSP)(108)通過同一個同步串口(MCBSP)與輸出模擬信號的D/A轉換電路(104)、放大與低通濾波電路B(103)，實現無縫連接；串行輸入/輸出數字接口電路通過串口控制晶片(105)與數位訊號處理器(DSP)連接，實現串行輸入/輸出數據流與DSP(108)的直接通信。
上述電路按圖一方式相結合組成基本的模塊化電路，數位訊號處理器(DSP)(108)、程序與數據緩衝存貯器(106)、邏輯與時序控制電路(107)用於對輸入數據流進行混沌編解碼運算；輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)、模擬信號的A/D轉換電路(102)用於將輸入模擬信號轉換成相應的實時數據流，經同步串口(MCBSP)送數位訊號處理器(DSP)(108)進行處理；數位訊號處理器(DSP)(108)經同步串口(MCBSP)無縫連接輸出模擬信號的D/A轉換電路(104)和放大與低通濾波電路B(103)用於將其輸出的的數據流轉換成模擬信號；標準RS232輸入/輸出數字接口電路通過串口控制晶片(105)用於和數位訊號處理器(DSP)(108)接口，並實現串行輸入/輸出數據流與DSP(108)的直接通信。
也可以附加上「鍵盤、顯示與通信口控制」電路(MCU)(11)與送傳輸模塊(12)組成擴大的模塊化電路。
該模塊化電路具有多種不同類型的標準接口，可以方便地嵌入到不同類型的通信系統中，成為其完整系統的一部分，使之具有保密通信的功能。
快速CPRS混沌保密算法是一種偽隨機流加密方法，該項技術有效地克服通常混沌保密通信的不足。由於在CPRS混沌保密算法中對原始混沌數據進行了人為擾動，使得竊聽者將得不到原始混沌數據，使破譯者難以猜測原來的非線性系統，從而提高了破譯難度。
四
圖1是本發明的「一種數據流混沌編解碼模塊化電路」系統框圖；圖2是本發明所採用的快速CPRS混沌保密算法發射部分的示意3是本發明所採用的快速CPRS混沌保密算法接受部分的示意4為採用本發明技術方案製作的一種實時語音無線混沌保密通信方案的系統5為採用本發明技術方案製作的一種實時語音無線混沌保密通信方案的信號處理流程圖五、具體實施方案實時語音無線保密通信裝置該項發明具有模擬和數位訊號兩種輸入/輸出接口，因而可以比較方便地應用到各種模擬和數字通信設備中。下面以採用本項發明技術製作的一種實時語音無線混沌保密通信裝置為例，說明該技術的具體實施方式
。
1、系統結構設計(參考圖4)將本項發明運用到實時語音無線混沌保密通信中，需要針對語音通信的特點採取相應的技術措施。
本裝置中輸入的語音信號為話筒輸出的模擬信號，因此採用型號為TLC2272ACD的集成電路構成輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)，採用型號為TLC320AD50C的集成電路作為輸入信號的A/D轉換器(102)。接受到的保密語音信號將輸出到耳機中，因此輸出部分採用型號為LM386的運算放大器構成輸出模擬信號的放大與濾波電路B(103)，採用型號為TLC320AD50C的集成電路作為輸出信號的D/A轉換器(104)(注輸入信號的A/D轉換器(102)與輸出信號的D/A轉換器(104)實際為一片集成電路)。
待發送的語音信號數位化後的碼率為128kbps(注本方案中由於採用的是16bits的A/D轉換器)，直接傳送需要比較高的信道帶寬，因此發送前必須採用語音壓縮算法進行壓縮，接受時再採用同樣的算法進行解壓。在眾多的語音壓縮算法中，我們選擇了壓縮後的碼率低、恢復語音質量較好，但算法較難的ITUG.723.1壓縮算法。ITU G.723.1對語音壓縮後的碼率僅為5.3k/6.3kbps，適合於無線通信。由於該算法的特點，語音壓縮會帶來至少30ms的延時。
為了對發送的語音信號進行壓縮和CPRS混沌加密，對接受到的語音信號進行CPRS混沌解密和解壓縮運算，本方案中選擇TI公司生產的型號為TMS320VC5409_100的定點運算的數位訊號處理器(DSP)(108)，並配套採用型號為SST39VF400A的程序存貯器(106)、型號為TPS767D301的電源變換與濾波晶片。根據理論計算並參照實驗結果，這樣的選擇可以確保足夠的運算能力，在對語音信號進行壓縮和解壓縮，並同時進行CPRS混沌加解密時，系統帶來的總延時量約為32ms，完全滿足實時語音通信的要求。
為實現無線通信，本方案選用型號為PTR2000的無線傳輸模塊(13)。該模塊工作於半雙工方式，採用串口通信方式與數位訊號處理器(DSP)(108)通信。
本方案中RS232數據輸入/輸出接口與串口控制(105)採用型號為MAX232和16C550的集成電路，鍵盤顯示與通信口控制(12)採用型號為AT89C51的單片機晶片，外部邏輯與時序控制電路(107)採用可編程晶片PLD_MACH4_32。
2、工作原理說明(參考圖5)採用本發明完成的實時語音無線混沌保密通信裝置可以進行「點對點」的保密通信，對軟體稍加修改後還可以用來進行「一對多」的可尋址通信等，這裡僅對「點對點」的保密通信原理進行說明。
進行保密通信時，雙方通信裝置中的DSP晶片(108)在開機通電後自動將程序存儲器(106)中的快速CPRS混沌保密算法、ITU G.723.1語音壓縮解壓縮算法等程序裝入DSP晶片(108)內的程序存儲區，並自動開始執行該程序。通電後的初始化階段雙方將完成初始化設置並經無線信道建立起數據通信的同步通信裝置正常工作時，通信雙方的A/D轉換晶片(TLC320AD50C)(102)分別同時對放大和濾波(101)後的語音信號進行採集，採集後的信號經數位化後成為128kbps的數據流經同步串口存入到DSP晶片(108)的緩衝區中。A/D晶片(102)每30ms發出一次中斷要求DSP(108)對該數據進行處理。
雙方的DSP晶片(108)定時對採集的語音數據按ITU G723.1語音壓縮標準進行壓縮，壓縮後的數據需進行CPRS混沌加密編碼(參考圖2)以保證數據的安全性，然後再對該數據按傳輸要求打包，送入發送緩衝區經無線傳輸模塊(13)發出。
雙方的無線傳輸模塊(13)接受的數據經糾錯後亦分別送DSP晶片(108)進行CPRS混沌解密編碼(參考圖3)與數據解壓縮處理。解壓後的數據同時送至D/A轉換晶片(104)，經數模轉換和放大濾波(103)後還原出對方的聲音，從而實現語音保密通信。
通信系統在正常工作過程中，雙方按半雙工方式輪流收和發，整個收發過程自動實現同步，通信雙方並無任何不暢的感覺。
通信雙方可以通過各自的鍵盤(12)選擇正常或保密通話方式，選擇保密通話方式時需要輸入約定的加解密密鑰，通話雙方的密鑰不同時，耳機中重放出無序的噪音，以提醒通話方所使用的密鑰有誤需重新設置。
裝置中的液晶顯示器(12)可以顯示輸入的信息和當前的工作狀態。
通信過程中的一方或雙方關斷電源時，通信中斷。斷電方的電源恢復後會自動進行初始化設置並和另一方重新進行握手以建立起通信信道和同步關係。
3、實現的主要性能與技術指標本項應用實例中，語音的採集速率為8KHz、16位量化，採用高速TMS320VC5409_100DSP器件和ITU G723.1協議對語音進行實時處理和壓縮，壓縮後的數據碼率為5.3/6.3Kbps，可傳輸的語音帶寬達到100-3400Hz，傳輸延時不大於32ms。無線通信方式為FSK半雙工，通信速率為不大於8kbps，這些技術水平和指標均不低於普通數字通信設備的要求。
4、應用前景本項應用實例中，利用了數字型號處理器(DSP)運算能力強的特點，進行語音的實時壓縮與解壓縮和CPRS混沌加解密，具有速度快，通信延遲小，模塊化，接口靈活且可方便地嵌入到普通的模擬通信設備中，如車載電話、短波電臺、普通的報話機、企業集群行動電話、家庭用無繩電話中，亦可以運用於公安部門或安全保密部門的應急保密通信、軍用保密通信、網上通話、微波通信、衛星通信等。該項技術還可以方便地用來改造各種模擬通信設備如普通報話機和短波電臺使其成為可尋址的通信設備。其語音通話質量優於GSM的語音質量，信息安全性能高。
權利要求
1.一種數據流混沌編解碼方法，其特徵在於，編解碼算法基於單向耦合環狀迭代(OCRML)非線性系統(207)、(307)，採用運行這種單向耦合環狀迭代系統(OCRML)產生混沌信號，並對混沌信號進行截斷處理而產生的混沌偽隨機序列(204)、(304)對數據流進行加、解密運算(1)發射端加密系統利用了如下方程組(0-1)在數位訊號處理器(DSP)(108)中進行迭代運算得到混沌信號xn(m)(206)，經Z[]運算(205)後產生混沌偽隨機序列rn(204)，並在編碼器(202)中對數據流s(n)(201)進行加密編碼，產生加密後的密文序列g(n)(203)後發出rn＝Z[xn(m)]——「Z[]」為截斷混沌信號的運算gn＝rnsn——「」為異或運算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——為單向耦合環狀迭代系統的節點數(2)接收端解密系統將接受到的密文數據流g』(n)(303)作為驅動信號，利用如下方程組(0-2)在數位訊號處理器(DSP)(108)中進行迭代運算，得到接受端的混沌信號yn(m)(306)，經Z[]運算(305)後產生出接受端的混沌偽隨機序列r』n(304)，並在解碼器(302)中對接受數據流g』(n)(303)進行解碼運算，產生解密後的密文序列s』(n)(301)r』n＝Z[yn(m)7——「Z[]」為截斷混沌信號的運算s』n＝r』ng』n——「」為異或運算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——為單向耦合環狀迭代系統的節點數接受系統同步時，混沌信號yn(m)(306)與混沌信號xn(m)(206)相同，接受端恢復出來的混沌偽隨機序列r』n(304)與發送端的混沌偽隨機序列rn(204)完全相同，則解碼後的數據流s』(n)(301)與發送的數據流s(n)(201)完全相同，接受端準確恢復出原發送數據；(3)運算「Z[]」(205)與(305)是指將混沌信號xn(m)(206)與yn(m)(306)進行截斷取整運算，以得到一個16比特的有符號整型數；(4)上述方程組(0-1)、(0-2)中的m值可以根據加密強度和數位訊號處理晶片(DSP)的運算能力來確定，一般取m≥3；(5)上述方程組(0-1)、(0-2)中的方程f(x)可以選用非線性方程，如折線方程或二次拋物線方程；(6)上述方程組(0-1)、(0-2)中係數ε的取值範圍為0＜ε＜1。
2.根據權利要求1所述的數據流混沌編解碼方法，其特徵在於(1)系統啟動時，數位訊號處理器(DSP)(108)自動下載存貯在程序與數據緩衝存貯器(106)中的快速CPRS混沌保密算法軟體，數位訊號處理器(DSP)(108)通過其自身的數據口接受嵌入數據流混沌編解碼模塊化電路(10)的應用系統發出的密鑰數據；亦可以通過「鍵盤、顯示與通信口控制」電路(MCU)(11)接受輸入的密鑰，並將密鑰數據處理成快速CPRS混沌保密算法方程中的有關係數和初始條件值；(2)發送時，數位訊號處理器(DSP)(108)將發送數據流與混沌偽隨機序列(CPRS序列)直接進行逐位異或運算，從而實現加密處理。密文數據流按需要送傳輸模塊(12)進行信道編碼後傳輸；(3)接受時，數位訊號處理器(DSP)(108)將利用收到的密文數據流自動同步收方的CPRS混沌系統，產生出解碼所需的解密混沌偽隨機序列(CPRS序列)，並將密文數據流與混沌偽隨機序列(CPRS序列)直接進行逐位異或運算，從而實現解密處理，恢復出原數據流；(4)由於信道噪聲導致接受密文數據流發生誤碼時，CPRS混沌系統可以在誤碼發生後很短時間內再次實現同步，該過程無需外部幹預，從而恢復正確數據流的輸出；(5)數位訊號處理器(DSP)(108)在對發送數據流進行逐位異或加密運算過程中不添加其他信息，因而密文數據流中無冗餘，不會給通信信道增加額外負擔。
3.一種數據流混沌編解碼模塊化電路(10)，其特徵是包括數位訊號處理器(DSP)(108)、程序與數據緩衝存貯器(106)、邏輯與時序控制電路(107)、輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)、模擬信號的A/D轉換電路(102)、輸出模擬信號的D/A轉換電路(104)、放大與低通濾波電路B(103)、串行輸入/輸出數字接口電路與串口控制晶片(105)等構成，程序與數據緩衝存貯器(106)、邏輯與時序控制電路(107)是數位訊號處理器(DSP)(108)的外圍連接電路，輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)連接模擬信號的A/D轉換電路(102)，並與數位訊號處理器(DSP)(108)通過同步串口(MCBSP)實現無縫連接。數位訊號處理器(DSP)(108)通過同步串口(MCBSP)與輸出模擬信號的D/A轉換電路(104)、放大與低通濾波電路B(103)，實現無縫連接；串行輸入/輸出數字接口電路通過串口控制晶片(105)與數位訊號處理器(DSP)連接，實現串行輸入/輸出數據流與DSP(108)的直接通信。
4.由權利要求3所述的數據流混沌編解碼模塊化電路(10)，其特徵是設有模擬和數位訊號兩種輸入/輸出接口。
5.由權利要求3所述的數據流混沌編解碼模塊化電路(10)，其特徵是採用型號為TLC2272ACD的集成電路構成輸入模擬信號的放大與濾波電路A(101)，採用型號為TLC320AD50C的集成電路作為輸入信號的A/D與D/A轉換器(102)。
6.由權利要求3所述的數據流混沌編解碼模塊化電路(10)，其特徵是採用型號為PTR2000的無線傳輸模塊(13)。外部邏輯與時序控制電路(107)採用可編程晶片PLD_MACH4_32。
全文摘要
一種數據流混沌編解碼方法和模塊化電路，編解碼方法基於單向耦合環狀迭代(OCRML)非線性系統(207)、(307)產生混沌信號，並對混沌信號進行截斷處理而產生的混沌偽隨機序列(204)、(304)對數據流進行加、解密運算發射端加密系統利用了方程組在數位訊號處理器(DSP)(108)中進行迭代運算得到混沌信號x
文檔編號H04K1/02GK1564504SQ200410014400
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月23日 優先權日2004年3月23日
發明者季曉勇, 倪皖蓀, 王新龍, 韓康榕, 陸侃雲, 單增羅布(藏) 申請人:南京大學