基于统一混沌模型的保密通信理论与实现

摘要

在20世纪的80年代,人们普遍认为混沌系统是有害的,它带来了不可捉摸的不确定性,当时的研究重点是采用控制来消除混沌现象,这些研究导致了“混沌的控制”这样一个研究方向,至今也有了丰富的成果。然而,从20世纪90年代开始,人们发现混沌是一个有用的现象,它可以做很多有用意义的事情。如混沌保密通信就是其中一个重要应用。混沌信号具有伪随机性、非周期性、连续宽带频谱、类噪声的特性,具有异常复杂的运动轨迹和不可预测性,使它具有天然的隐蔽性,适合作为保密通信的载体。在发送端,把信息表示成具有混沌特性的波形或者码流；在接收端,要从接收到的信号中恢复出正确的信息。同时要求发送端和接收端的混沌系统同步,否则无法解密出正确的信息。本文的创新点在于：已有的混沌保密通信研究主要集中于两个通信者之间的通信,本文设计了一种基于统一混沌系统的有限群体语音保密通信系统,该系统的特点是利用统一混沌系统来产生不同类型的混沌。统一混沌系统是吕金虎和陈关荣在2001年提出的,该系统在Lorenz系统和Chen系统之间架起了桥梁,且代表Lorenz和Chen系统之间的整个混沌家族,因此统一混沌系统在不同参数的条件下能产生不同的混沌。因此我们可以在同一混沌系统模型下生成不同密钥,让有限群体中用户两两通信,但第三方不能解密出通信的内容。同时,本文在DSP上实现了我们设计的混沌保密通信系统,我们选择的DSP系统是TI公司的TMS320VC5416 DSP STARTER KIT(DSK) ,TMS320C5416 DSK是TI公司向应用者提供的DSP开发平台和应用评估工具。TMS320C5416 DSK主要包括一块VC5416目标板和一个运行于PC机的集成开发环境—Code Composer Studio v2.1 IDE。VC5426通过USB接口与主机相连。用户使用Code Composer Studio (CCS)完成程序的编写,再经过编译和连接等过程生成可执行代码,可执行代码被下载到目标板上的存储器中运行。而且,TMS320C5416 DSK上包括有一块PCM3002芯片,该芯片是TI公司推出的16/20位立体声音频编解码芯片,PCM3002通过音频输入接口采样模拟信号,然后转换成数字信号由微处理器(DSP)进行处理。微处理器处理完数据后,再由PCM3002转换成模拟信号输出。最后,我们根据系统的特点,提供了一些抗噪声的措施。包括：对DSP板的抗噪声措施,通信信道中的扛噪声措施,软件中的抗噪声措施以及对语音进行的增强措施。

目录

摘要

Abstract

第一章 引言

1.1 混沌的提出

1.2 什么是混沌？

1.3 混沌的应用

第二章 统一混沌模型

2.1 几个基本概念

2.1.1 非线性动力学

2.1.2 自治系统

2.1.3 非自治系统

2.1.4 耗散系统

2.1.5 Lyapunov 指数

2.1.6 平衡点

2.1.7 分岔

2.1.8 混沌吸引子

2.2 Lorenz 系统

2.2.1 动力学方程

2.2.2 基本性质

2.2.3 平衡点和分岔

2.2.4 吸引子

2.3 Chen 系统

2.3.1 动力学方程

2.3.2 基本性质

2.3.3 平衡点与分岔

2.3.4 吸引子

2.4 Lǚ系统

2.4.1 动力学方程

2.4.2 基本性质

2.4.3 平衡点与分岔

2.4.4 吸引子

2.5 统一混沌系统

2.5.1 概述

2.5.2 动力学方程

2.5.3 性质

2.5.4 平衡点和稳定性

2.5.5 吸引子

第三章 保密通信

3.1 保密通信概述

3.1.1 通信和保密通信

3.1.2 保密通信技术的发展阶段

3.1.3 保密通信技术的未来

3.2 密码学的基本问题

3.2.1 基本定义

3.2.2 加密与解密的发展过程

3.2.3 评价标准

3.3 混沌保密通信

3.3.1 混沌保密通信提出

3.3.2 混沌保密通信的分类

3.3.3 混沌保密通信的优势

3.4 移动通信中的对保密通信的要求

第四章 应用混沌设计的保密通信框架

4.1 语音处理要求

4.1.1 语音信号的特点

4.1.2 语音信号的预滤波和数字化

4.1.3 采样

4.1.4 编码

4.1.5 PCM 编码

4.1.6 通信信道

4.2 混沌信号处理

4.2.1 离散化

4.2.2 滤波放大

4.3 方案设计

4.4 工作流程

4.5 同步方案

第五章 应用混沌设计的保密通信实现

5.1 概述

5.2 DSP 语音处理系统

5.2.1 DSP 语音处理系统的构成

5.2.2 DSP 语音处理系统的特点

5.2.3 DSP 语音处理系统的设计过程

5.3 硬件设计

5.3.1 DSP 芯片的选择

5.3.2 TM5320VC5416 DSK 性能介绍

5.3.3 PCM3002 介绍

5.4 软件设计

5.4.1 软件开发环境简介

5.4.2 集成开发环境CCS

5.4.3 程序流程图

5.4.4 文件关系图

5.5 实验结果

第六章 抗干扰的措施

6.1 概述

6.2 DSP 抗干扰的措施

6.2.1 抑制干扰源

6.2.2 切断干扰路径以及增加敏感元件的抗干扰性

6.3 传输过程中抗干扰的措施

6.3.1 无线通信的干扰源

6.3.2 抗干扰的措施

6.4 软件抗干扰的措施

6.5 语音增强

6.5.1 语音噪声类型

6.5.2 语音增强

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间发表的论文