音頻混沌保密無線通信及在DSP上的實現(xiàn)*

張海合,禹思敏

（廣東工業(yè)大學，廣東 廣州 510006）

無線語音通信技術是未來語音傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢，它具有分布靈活、使用簡便、幾乎不受空間條件限制等特點。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，利用混沌序列良好的保密性能[1-4]，實現(xiàn)了一種洛倫茲混沌語音保密通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計簡單、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)

本設計選用Lorenz系統(tǒng)，Lorenz方程為三維方程，屬于高維混沌系統(tǒng)。應用Lorenz方程等高維系統(tǒng)構(gòu)造序列密碼的優(yōu)點在于：可以對多個系統(tǒng)變量進行處理產(chǎn)生序列密碼；同時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)快速地進入混沌狀態(tài)。結(jié)合實際情況，lorenz方程的所有參數(shù)采用浮點型，以便使混沌吸引子達到最佳效果。

2 混沌方程的離散化及加密方法

要想使混沌系統(tǒng)應用到DSP上，必須把混沌方程離散化。這里采用歐拉法進行方程的離散化。

其中,T在試驗中根據(jù)實際情況可調(diào)節(jié)。

利用上述產(chǎn)生的混沌方程的序列作為密碼構(gòu)建一個有混沌加密的語音無線通信系統(tǒng)。發(fā)送端加密過程為:

其中,h(n)為發(fā)送端的語音信號，x(n)為發(fā)送端的混沌編碼序列，U(n)為發(fā)送端的混沌加密信號，“+”代表混沌信號和語音信號求和。接收端解密過程為加密過程的逆運算:

其中，U(n)為接收到的加密信號，S(n)為信道的接收噪聲，h(n)為解密輸出。收發(fā)雙方采用相同的混沌系統(tǒng)產(chǎn)生的編碼序列進行加解密，即可實現(xiàn)誤碼率為零的語音混沌保密通信[6]。

3 混沌系統(tǒng)的同步

在本設計中，采用了改進形式的掩蓋保密通信方式—響應同步，這樣能實現(xiàn)嚴格同步不受輸入信號的影響,如圖1所示。設計中要求 m(t)幅度比混沌信號u(t)的幅度小一些，系統(tǒng)才能正常工作，否則就會破壞混沌吸引子的穩(wěn)定性，甚至導致發(fā)散。m(t)幅度的具體數(shù)值需根據(jù)實際混沌系統(tǒng)的特點而定[6]。

4 無線數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)設計

4.1 硬件電路設計

系統(tǒng)發(fā)送端邏輯框架如圖2所示，接收端相同，只是輸出端換成揚聲器即可。

4.1.1 核心處理器

本設計的核心處理器采用TI公司的TMS320C6713 DSP（以下簡稱 C6713），主要負責所有設備控制、任務調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議控制、混沌保密算法的實施。本設計增加了外擴SDRAM存儲器，用的是MT48LC4M32B2，SDRAM存儲器被映射到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實現(xiàn)語音信號的采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼后傳輸給DSP進行信號調(diào)理。CODEC選用TI公司的TLV320AIC23B(以下簡稱 AIC23B),與 DSP的 McASP模塊實現(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,特別適合工業(yè)控制場合。nRF24L01工作于Enhanced ShockBurst模式下時具有自動應答和自動再發(fā)射功能，而且具有可選的內(nèi)置包應答機制，極大地降低丟包率[8]。

4.1.4 主體硬件連接

C6713有 2個 McASP(多通道音頻接入接口)，McASP的串行數(shù)據(jù)多達8根，具有很強的編程能力，也可以配置多種同步串行標準，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 AIC23寫控制字，其基本的引腳連接圖如圖4所示。C6713還有兩個 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腳主要負責無線模塊的發(fā)送接收啟動、GP13腳主要負責幀信號的同步。

4.2 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括接收和發(fā)送兩部分，而這兩部分又可各自分為三個主要部分，包括硬件驅(qū)動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停止當前的處理，進入中斷去取數(shù)據(jù)。

硬件驅(qū)動程序主要是包括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，否則會導致混沌發(fā)散。迭代方程中的比例系數(shù)的調(diào)節(jié)很關鍵，根據(jù)經(jīng)驗值，混沌信號一般大于去直流信號后語音信號的10～100倍。軟件設計流程圖如圖5所示。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配的解決

通過示波器測試分析,含有15個數(shù)據(jù)的信息包的傳輸時間大約為750μs，按此速度計算，每個數(shù)據(jù)的傳輸時間平均為50μs，混沌加解密算法占用的時間約為20 μs,而AIC23B的采樣率設置為8kS/s，每個語音信號采集時間約120μs，50μs+20μs遠小于120μs，加入一定的延時時間和設置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就會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，導致混沌吸引子發(fā)散。

5 實驗結(jié)果分析

通過示波器觀看到發(fā)送端原始信號波形圖與接收端未解密出來的信號對比，如圖6所示?？梢钥闯觯用芎蟮男盘柺请s亂無章的，趨向于噪聲。另外接收到的語音信號的質(zhì)量無明顯下降,如圖7所示。也可以看出解密后的信號幾乎與原始信號一樣。解密端僅有一些延時，由于距離和加解密程序的耗時，這是難以避免的?；煦绫Ｃ芡ㄐ欧譃橛芯€通信和無線通信兩大類。無線混沌保密通信相對有線混沌保密通信難度大得多。本文設計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，對語音信號進行加密和解密,成功實現(xiàn)了語音無線混沌通信。由于語音無線通信設計中采用了各種糾錯方式，使得語音混沌無線通信具有更好的實際可行性。

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