一类数字混沌保密语音通信系统

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.02.021 第23卷第2期 北京科技大学学报 Vol.23 No.2 2001年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2001 一 类数字混沌保密语音通信系统 赵耿 郑德玲董冀媛 北京科技大学信息工程学院，北京00083 摘要首次作出了一类数字混沌保密语音通讯系统的应用实验电路，提出了时钟一间隔 脉冲驱动同步方法，分析了系统的噪声特性和保密性能.实验结果表明，基于数字混沌的保密 语音通讯是可靠的. 关键词 数字混沌：保密通讯：混沌遮掩：同步 分类号TP273;TN918 利用混沌同步来实现秘密通信是近年来混 不同的序列.图1为本文混沌遮掩通信主叫方 沌应用中竞争最激烈的研究课题，美国军方研 或被叫方的电路组成方框图 究最为积极.自Carroll和Pecora发现混沌同 ,音频 昏频带通 步后，首先设想利用电子线路来达到混沌通信 麦克风 放大器 滤波器 的目的.Cuomo例等提出了混沌遮掩方法用于模 发送 同步微调→ 同步信号 S 拟信号的保密通讯，并利用Chua电路进行了电 发生器 路实验.其主要依据是：只有当秘密通讯的双方 16位 低通 C 具有完全相同的非线性电路（混沌电路）时，才 参数及初高骸混沌 D/A 平滑 能达到混沌同步.它利用了混沌载波的宽带类 始值选择映射器 转换器 滤波器 接收 噪声特性来掩盖信息信号的频谱从而防止了基 喇叭 音频功率倍频带通， 于谱分析方法的攻击.然而到目前为止，绝大多 放大器门滤波器 同步分离器 数的混沌保密通讯尚仅限于理论研究和仿真阶 图1主叫方及被叫方电路方框图 段，Dmitriev等在RF带中曾作过一个单向无线 Fig.1 Active callor or passive callor circuit frame figure 的语音保密通讯实验.本文仍以混沌遮掩法为 其基本原理是语音信号经麦克风通过音频 基础研究并作出了一种实用的数字混沌双向语 放大器放大为V并与数字混沌产生器经16位 音保密通讯电路，利用了时钟一间隔脉冲驱动 D/A转换器，低通平滑滤波器产生的模拟混沌 同步方法，旨在把混沌保密通信用于真正的实 信号C及时钟一间隔脉冲驱动同步信号$通过 际系统中去 叠加调制并发送出去，在接收端V+C+S混合信 号通过同步信号分离器分离出同步信息，去驱 1 系统构成及数学模型 动接收方数字混沌产生器同步，并通过减法解 11系统构成 调器，解调出原始语音信号 从实用的角度看，实际系统中应用的混沌 12数学模型 序列应该是数字的而非模拟的，其原因是数字 logistic映射是研究和应用最广泛的一种混 混沌序列便于产生和控制对于它的产生只需 沌映射.它的定义是x一4(1-x),这里4∈(1,4]之 一个混沌映射和一个初始条件，这意味着不需 间某个常数.(1)式为离散logistic映射. 要存储长的序列，就能产生大量不同的序列.若 x(k)=ux(k-1)1-xk-1)0(k-1K1(1) 对于保密电话通讯而言，只需给每一个用户分 可以证明且实验结果也表明，随着4值的增加， 配一个初使条件或映射参数值，就能产生大量 系统性态的复杂性稳步增长：不动点一分形态 →混沌态，且当μ>3.5699456,0<x×1时，logistic 收稿日期200009-23赵歌男，36岁，博士生 映射工作处于混沌态.本系统的数字混沌产生 *国家自然科学基金资助项目CN0.69772041)

第 卷 32 期 2 年20 0 1月 4 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u nr a l o 加 f 招U . e i ty 犷 o S c le n c e a n d l b c h . o lo yg B e 恤 ji g Vb l.2 3 N 0 . 2 A P .r 2 0 0 1 一类数字混沌保密语音通信 系统 赵 耿 郑德玲 董冀媛 北京科技大学信息工程学院 , 北京 10 0 83 摘 要 首次作 出了一类数字混 沌保密语音通讯系统的应用 实验电路 ,提 出了时钟一 间隔 脉冲驱动 同步方法 , 分析 了系统的噪声 特性 和保密 性能 . 实验结果表 明 , 基于数字混沌 的保密 语音 通讯是 可靠的 . 关键词 数字混 沌 ; 保密通讯 ; 混沌遮掩 ; 同步 分类号 T P 2 7 3 ; T N 9 1 8 利用混沌 同步来实现秘密通信是近年来混 沌应 用中竞争最激烈 的研究课 题 , 美 国军 方研 究最 为积极 . 自 C ~ n 和 eP c o ar 〔切 发现混 沌同 步后 , 首先设想利 用电子 线路来达到混沌 通信 的 目的 . C uo m ola }等提 出了混沌遮掩方法用于模 拟信 号的保密通讯 , 并利用 Ch u a 电路进行 了 电 路实验 . 其主要依据是 : 只有当秘 密通讯 的双方 具有 完全相 同的非线性 电路 ( 混沌 电路 )时 , 才 能达到混沌 同步 . 它利用 了混沌载波 的宽带类 噪声特性来掩盖信息信号 的频谱从而防止 了基 于谱分析方法的攻击 . 然而到 目前为止 , 绝大多 数 的混沌保密通讯 尚仅限于理论研究和仿真阶 段 , D m itr e v’l 1等在 RF 带 中曾作过一个单向无线 的语 音保 密通讯实验 . 本文仍 以混沌遮掩 法为 基础研究并作 出了一种实用 的数字混沌双 向语 音保 密通讯 电路 , 利用 了时钟一间隔脉冲驱动 同步方法 , 旨在 把混沌保密通信用 于真正 的实 际系统 中去 . 不 同的序列 . 图 l 为本文混沌 遮掩通信主叫方 或被 叫方 的电路组 成方框 图 . 同步信号 发生器 1 6 位 低通 参数及初 高散混 沌 D /A 平滑 始值选择 映射器 转 换器 滤波器 音 频功率 放大器 1 系统构成及数学模型 L l 系统构成 从 实用的角度看 , 实际系统 中应用 的混沌 序 列应该是数字 的而非模 拟的 , 其原 因是 数字 混沌序列便于产生和控制 ” 1 . 对于它的产生只需 一个 混沌映射和一个初始条 件 , 这意 味着 不需 要存储长 的序列 , 就能产生大量不同的序列 . 若 对 于保密 电话通讯而言 , 只需给每一个用 户分 配一个初使条件或 映射参数值 , 就能产生 大量 收稿 日期 20 0刁 -9 23 赵耿 男 , 36 岁 , 博士生 * 国家自然 科学基金资助 项 目困.0 6 97 72 04 1) 图 1 主 叫方及 被 叫方 电路方框图 F i g . l A c 6 v e c a lo r o r P a s s iv e c a lo r e icr u it fr a m e 血 u er 其基本原理是语音信号经麦克风通过音频 放大器放大 为 V 并与数 字混沌产生器 经 16 位 D A/ 转换 器 , 低通平滑滤波器 产生 的模拟混沌 信号 C 及时钟一间隔脉冲驱动 同步信号 S 通过 叠加调制并发送 出去 , 在接收端 +V C + S 混合信 号通过 同步信号分 离器分离出同步信息 , 去驱 动接收方数字混沌 产生器 同步 , 并通 过减法解 调器 , 解调 出原始语 音信号 . 1 .2 数学模型 fo ig ist c 映射是研究 和应用 最广 泛的一种混 沌映射 . 它的定义是 x 一斌1一 x) , 这里 产以 1 , 4〕之 间某个常数 . l( )式 为离散 log i ist c 映射 . 工 (幻节城k一 1 )( l 一x( k一 l )) 0众( k一 l 卜1 ( l ) 可 以证明且实验结果也表明 , 随着产 值 的增加 , 系统性态 的复杂性 稳步增长 : 不动点 一 分形态 , 混沌态 , 且 当产> 3 . 5 6 9 94 5 6 … , o尔 l 时 , l iog s it e 映射工作处 于混沌 态 . 本 系统 的数字混沌 产生 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 02. 021

Vol.23 No.2 赵耿等：一类数字混沌保密语音通信系统 ·169 器中，4是在从14之间可设定的参数.当系统 次迭代都产生同步信号.当=1~N-1)之间值 工作在不动点时相当于通信系统中未加人保 时，保证收发方混沌系统同步的一致性是由晶 密，与一般民用通信一样，因此使系统可控性 振时钟的准确度及软件设计的一致来保证.然 强；在混沌态下该序列非周期，且对初始值x(O) 而，晶振本身会有微小误差；收发方的软件设计 十分敏感，可用于保密通信.混沌加密的过程在 因要完成各自的控制和识别功能，也不可能完 于通过(I)式构成的1 ogistic映射混沌系统，将原 全一致；这2个因素会产生同步累计误差.实验 始信号()调制成类似白噪声的混沌加密信号 表明当k=2000时，同步误差累计效应使复原 x(①，解密时采用逆变换解调出原始信号.本文 的语音信号中有较大的背景噪声，因此本文系 使用混沌遮掩通信方式，调制器为加法器，解调 统中选取N=500时驱动被叫方混沌产生器重 器为减法器 新同步.图2为2个混沌系统同步图 主叫方： [xa(tfa(g.(cu(k-1)1-x(k-1t4()+ 5(k/N)S) 4a(fA(x()-g.(ux(k-1)(1-x(k-1)》 (2) x.(d)=x(t)tn.(t0） 被叫方： xa()=f(g-r(k-1)(1-xk-1)+u() u.(t)=fi(xm()-gAux,(k-1)(1-x.(k-1))-6(K/N)S) x.(t)=x(t)+n.(t) (3) 其中，xmu(t0),hm(t),nm(t)及x(0),4n(t),n.(0分别为 主叫方和被叫方调制信号、解调信号和线路噪 声信号；x,x为双方信道接收信号；g(),g() 为16一24位D/A转换和平滑低通滤波引起的 稳定的非线性函数；()，()为调制、解调线 HEHORY 性函数或非线性函数 1 when六1,2） S1 UF timing: RECORDER (4) START \0 else disp clr: 式中，N为非1正整数常数.显然，被叫方调制 OK 的混沌遮掩信号中不含同步信号(S). csr:OFF (b) 图2()2个同步的混沌信号波；b)g(,g)的李沙 2通信性能分析 育图形 2.1同步 Fig.2 (a)Two synchronous chafic signal ;(b)g.(),g()'s 同步是混沌保密通信的关键所在，收发方 phase figure 2.2噪声分析 混沌不同步将无法解调出原始信号，同步不好 由(2)，(3)式看出，主叫方和被叫方接收到的 会使信噪比降低.传统的混沌同步方法如驱动 信号中包含有噪声信息n(),n.(),这主要由电 一响应和主动一被动同步方法，都是在连续混 路和信道上产生的噪声组成.但实验表明，该项 沌动力学系统中由带有小信息信号的混沌信号 噪声可进行有效的抑制，即它具有很大的信噪 去驱动接收电路，只是在发射端，前者由带有小 比.然而随着时间的增加，噪声呈增大趋势，这 信息的混沌信号驱动，而后者由纯混沌信号驱 说明混沌信号的引人产生了同步累计误差，形 动.在本文所述系统中，发射和接收端均产生混 成了同步噪声， 沌信号，靠主叫方发射端每迭代N步发出的同 设信道输入已调信号x(),信道输出信号 步信号去驱动接收端同步 x。(),它们之间的关系为：x()=()x)+n(十s(). 由于(4)式中N为非1正整数，也即并非每 式中：)是依赖于网络的特性，()是不依赖

、 b . J 3 N O J 赵耿 等 : 一类 数字 混沌 保密 语音通 信系 统 器 中 , 夕是在从 1礴 之间可设定 的参数 . 当系统 工作 在 不动 点 时相 当于通 信 系统 中未加 人保 密 , 与一般 民 用通信一样 , 因此使系统可控性 强 ; 在混沌态下该序列非周期 , 且对 初始值 戏0) 十分敏感 , 可用于保密通信 . 混沌加密的过程在 于通过 (l) 式构成 的 log i ist 。 映射混沌系统 , 将原 始信号 u( t) 调 制成类 似 白噪声 的混沌加密信号 城t) , 解密 时采用逆变换 解调 出原始信号 . 本文 使用混沌遮掩 通信方式 , 调制器为加法器 , 解调 器为减法器 . 主叫方 : 次迭代 都产生 同步信号 . 当 =k 抓1气N 一 1) 之 间值 时 , 保证收发方混沌 系统 同步 的一致性是 由晶 振 时钟的准确度及软件设计 的一致来 保证 . 然 而 , 晶振本身会有微小误差 ; 收发方的软件设计 因要 完成各 自的控制 和识 别功能 , 也不可能完 全一致 ; 这 2 个 因素会产生 同步累计误差 . 实验 表 明当 k = 2 0 0 时 , 同步误差 累计 效应使复原 的语音 信号 中有较大 的背 景噪声 , 因此本文 系 统 中选取 N 二 5 0 时 驱动 被叫方 混沌 产生 器重 · 新 同步 . 图 2 为 2 个混 沌系统 同步 图 . 耘k( 一 1》 卜蝙(t) + k( 一 l )( 1一耘k( 一 1 ))) (2 ) 被 叫方 : {翔(心杭 够恤 ` k( 一 l ))(( l 一` k( 一 l ))) + ` ( t) ) {` (t) 书伽恤( 0 一乡恤城k一 IXI 一石(无一 ID一占俩叼必 { 尤仙 (t) =xm s( t) + nr (t) ( 3 ) 其 中 , 耘 (t) , 蝙(t) , mn (t) 及 xs, ()t , 陈(t) , nr (t) 分 别 为 主叫方 和被 叫方调制信号 、 解 调信号和线路噪 声信号 ; xmr , xsr 为双方信道接收信号 ; 乡( · ) , 以 · ) 为 16一2 4 位 D /A 转换 和平滑 低通滤波引起 的 稳定 的非线性 函数 ; fm ( · ) , 关( · ) 为调制 、 解调线 性 函数 或非线性 函数 . 、 一~ ,侧少二 初、 份 · 归一 · , J甲~ 一 , 州 , , ,. , ` ,. , , , , 州 ~ 户 , , 、 、 { 1 w h e n 0 气万下 ) = 1 Z y l L0 。幸 , , 2 , e l s e , l 助卜卜 (4 ) t 二奋明 : 3 t 自砚T 式 中 , N 为非 1 正整数常数 . 显然 , 被 叫方调制 的混沌遮掩信 号 中不含 同步信号 ( 5) . d l 一 ` l r : 0 目 c ` r : O F F 2 通信性能分析 .2 1 同步 同步是混沌保 密通信的关键所在 , 收发方 混沌不 同步将无 法解调 出原始信号 , 同步不好 会使信噪 比降低 . 传统 的混沌 同步方法如驱动 一响应 和主动一被动 同步方法 , 都是在连续混 沌动力学系统 中由带有小信息信号 的混沌信号 去驱动接收电路 , 只 是在发射端 , 前 者由带有小 信息 的混沌信号驱动 , 而后者 由纯混沌信号驱 动 . 在本文所述系统 中 , 发射和接收端均产生混 沌信号 , 靠主 叫方发射端每迭代 N 步发 出的同 步信号去驱 动接收端同步 . 由于 (4) 式 中 N 为非 1 正整数 , 也 即并非每 圈 2 a( ) 2 个 同步的 混沌伯 号 波 ; 伪) g, ( · ) ,以 · ) 的李沙 育圈形 Fig . 2 (a ) T 钟0 yS n e h or n o u s c h a 6 c s妙 a l : 伪)以 · ) , 以 · ) ’ s Ph a se flg u er .2 2 嗓声分析 由(2 ) , (3) 式看 出 , 主叫方 和被 叫方接收到 的 信号 中包 含有噪声信息 mn (t) , n, ()t , 这 主要 由电 路和信道上产生 的噪声组成 . 但实验表明 , 该项 噪声 可进行 有效的抑制 , 即它具有很 大的信噪 比 . 然 而随着时间 的增加 , 噪声呈增天趋势 , 这 说 明混沌信号的引人产生 了同步累计误差 , 形 成 了 同步噪声 . 设信道输人 已 调信号 xt( t) , 信道输 出信号 xo ()t , 它们之间的关系为 : xo (O = 双尔 i ( t) +n (t) + s (.t) 式 中 : 权t) 是依 赖 于 网络的特 性 , 试t) 是不依 赖

170· 北京科技大学学报 2001年第2期 于网络的特性；s()为同步误差噪声.k)和() 映射，经D/A和平滑低通滤波而转换成模拟信 的存在对输人信号来说都是干扰，但乘性噪声 号.这相当于又引入了非线性，如式(2)，(3)中 )一般是一个复杂的函数，很可能包括线性 g(·)g()使载波信号所包含的混沌系统的动力 畸变、非线性畸变等.经大量观察表明，本系统 学特征大大减少，且信息信号功率可以相当高. 中()基本上不随时间变化，易于抑制，因此信 此外对于用程序迭代产生的混沌映射，每次迭 号中仅含加性噪声n(t),s(). 代时间并非等间隔且是非线性的，只要4，x(O) 信噪比sNR-10-1g号0 (5) 一确定，则迭代每次的时间序列便确定了.由于 其中，U为信号功率，n为信道加性噪声功率， 迭代间隔不均、转换非线性和叠加有同步信号， ()为同步误差噪声功率，它是随时间而增加的 严格地说载波混沌信号已非严格意义上的混沌 非线性函数. 信号，这就使得由传输信号重构出的回归映射 设每迭代一次的时间组成的序列为 不再被吸引到纯净映射曲线附近，而是接近均 [f(4,x0),左（山，x(0)》,6(4,x0),…,五4，x(0)],则 匀分布整个空间，因而无法正确恢复出原信号. 有： 对于相空间重构法，除要求有上述2条以 k-1 外，还要求窃获信号应具有较强的短时相关性. t=Ef4,xO)]+△=-+△△∈(-，) 本文所述系统中采用离散算法，行列中相应各 显然t是迭代次数k的非线性函数，若设定一个 点的相关性极小，就更雅用此法恢复出被遮掩 N值，使n=W为正整数时，重新同步，可使信 的信号 噪比SNR大于20dB,满足通信要求.显然N值 愈小，信噪比愈高 3 数字混沌产生器 2.3保密性能分析 3.1数字混沌产生器硬件电路 针对混沌遮掩保密通信方案，先后有人提 数字混沌产生电路如图3所示，它由89C51 出了多种办法进行破译，其中以回归映射和相 单片机、16位DP开关组成的参数及初值选择 空间重构方法为好.但回归映射要求：(1)混沌载 器、2个12位D/A转换器、集成运放及其他逻辑 波为时间连续驱动信号；(2)叠加信息信号的功 门电路等组成.其中2个12位D/A转换器通过 率比载波低30dB左右 特别设计组成一个16一24位D/A转换器，电路 本文所述系统中，由于采用离散数字混沌 采用24MHz晶振， 2M ro0M IOUTi 20e 74儿B8■ 肉0G7621 LP347 74L588 L CHAOS 4 3串68668888 47 B2C56 2 8828型00日888 roS ToUTI ●中1 A0C7621 图3数字混沌产生器电路 Fig.3 The circuit of digital chaos generator

北 京 科 技 于网络的特性 ; : ()t 为同步误差噪声 . 权)t 和 (n )t 的存 在对输人信号来说 都是干扰 , 但 乘性噪声 双t) 一般是 一个复杂 的函数 , 很 可能包括线性 畸变 、 非线性畸变 等 . 经大量观察表 明 , 本系统 中 双t) 基本上不 随时间变化 , 易于抑制 , 因此信 号 中仅含加性噪声 n (t) , s (t) . 信 噪 比 s N R = 10 · 19 以 耐式t) ( 5 ) 其 中 , 以 为信号 功率 , 万 为信道加性 噪声 功率 , 式t) 为同步误差噪声功率 , 它是 随时间而增加 的 非 线性 函数 . 设 每 迭 代 一 次 的 时 间 组 成 的 序 列 为 以 伍 , 城O) , 关伍 , x ( 0 ) ,关伍 , x ( 0 ) , … , 五伍 , x ( 0 )〕 , 则 有 : t = 艺厂叻 , 式0) 〕 + △` = ` 一 l +A ` △` e k(t 一 ; , xt) . 显然 t 是迭代次数 k 的非线性 函数 , 若设定一个 N 值 , 使 甲= 脚N 为正整数时 , 重新 同步 , 可使信 噪 比 SN R 大于 20 dB , 满足 通信要 求 . 显然 N 值 愈 小 , 信噪 比愈高 . 2 .3 保密性能分析 针对 混沌遮掩保密通信方 案 , 先后有人提 出了多种办法进行破译 , 其 中以 回归 映射和 相 空 间重构方 法为好 . 但 回归映射要求 : ( 1) 混沌载 波 为时间连续驱动信号 ; (2 )叠加信息 信号的功 率 比载波低 30 dB 左右 . 本文所 述系统 中 , 由于采用 离散数字混沌 大 学 学 报 20 1 年 第 2 期 映射 , 经 D /A 和平滑低通滤波 而转 换成模拟信 号 . 这相 当于又引人 了非线性 , 如式 (2) , ( 3) 中 gm ( · 琢( · ) 使载波信号所包含的混沌 系统 的动力 学特征大大减少 , 且信息信号功率可 以 相当高 . 此外对 于用程序迭代产 生的混沌 映射 , 每次迭 代时 间并 非等间隔且是非线 性的 , 只要 声 , x( 0) 一确定 , 则迭代每次 的时间序列便确定了 . 由于 迭代间隔不均 、 转换非线性和叠加有同步信号 , 严格地说载波混沌信 号已非严格意义上的混沌 信号 , 这就使得 由传 输信号重构 出的回 归映射 不 再被 吸引到纯净映射 曲线 附近 , 而是 接近均 匀分布整个空 间 , 因而无法正确恢复出原信号 . 对于相空 间重构 法 , 除要求有 上述 2 条 以 外 , 还要求窃获信号应具有较强的短 时相关性 . 本文所述 系统 中采用离散算 法 , 行列 中相应各 点 的相关性极 小 , 就更难用 此法恢复 出被遮掩 的信号 . 3 数字混沌产生器 .3 1 数字混沌产生器硬件电路 数字混沌产生 电路如图 3 所示 , 它 由 89 C 51 单片机 、 16 位 D IP 开关组成 的参数及初值选 择 器 、 2 个 12 位 D A/ 转换 器 、 集 成运 放及其他逻辑 门电路等组成 . 其 中 2 个 12 位 D A/ 转换 器通过 特别设计组 成一个 16一2 4 位 D A/ 转换 器 , 电路 采用 24 M H z 晶振 . 陕. p 人整2 锹p . 2 . 月旧〔习 . 0 1 … . . . . . . ~ I . , p l 】 p . , . p 」1 . 1 . Il 1 . p 几4 P . 心 一 旧} 〔 阅 . 0: 1 . 2 自 1 . . , 」. 2 . . P 蕊` p二 p:二 , O奋. , . . p l ` P . ` 巨日旧别 、 . -一 . 仲门1 . 心 { 口 , I . 0 二. 二一 . 刁 : 吕盆釜璧 , . p 盏, P . 7 、 ~ ~~ - . 卜l` 二 二 川` ` . 二 1 二 NO . . 二蔑鉴是 , 君鑫全 、 . . . ~ . 0月肠 . ` 1 . , . . 0 . . ` . 吕: : o 。 , : : 衬 t . 户2 2 二 ,护 . , O . . , . :孟 x 。。 , : . . 目摊 0 P Z , l -目〔 目 L l二 万 r l 阅二 . 0 1护 云 二 . t : 户2 4 ~ CL , X 二 :伟 。 , l -旧 } . 匕 I 卜 l } . 匀 P Z S . 孟 P Z` l -二 l . 目二 1 . 洲盆 p Z争 . r二 . :渗 l 娜, l l , 材 O l } } l 卜 . 曰 } . } l . . l .- 目目 r 飞 F , i卜一井 r 熊; 非卜; : : : ; : ; : : 吕全釜璧 , … l 二 . 0 1 … 二 1 二 N O 二 l1 . 1 . 0 1已 . 几「一一 - 洲 二 , . , I O U丫含 p 二1 . 之 , p 二2 . 2 , . 0 二1 . , . . 巨二. 0】 「 一一一 月 , 二. , I O U甲二 . 0 川1 . 4 . . 门I 二` 四叨 !!!{!{ . 0 1` … . 0 1弓 . 心 : 盆万 吕」 . 0口` . t 二月舀 . ` } }二 , . 卜,尸 . 下 . 0 ,护 O` . 2 {{!{{{ ~ 仁I . K 一 已I . , l } . 的写 . 1 卜 口 ` K 口 r . 卜 l } 一 , 护 , r 子甲哈八沪 甘 子 八 勺 创 气 、 尹 户 嘴嘴{{谧{{ 谧{谧州 日皿四 曰勺、 户 「v 门 八喇、 尸 确, . 护分 目 曰 . . 叫 口. 图 3 数字混 沌产 生器 电路 F i叻 T h e e i 代u it o f d i gl 加1 c h a o s ge n e r a t o r

Vol.23 No.2 赵歌等：一类数字混沌保密语音通信系统 171。 3.2软件设计 长为34位二进制 软件设计主要由校准及混沌产生二大模块 组成.混沌产生及同步模块完成数字迭代算法 4有线语音传输保密通信实验 及产生同步驱动信号（流程图略）.为避免数字 根据图1结构我们设计了混沌遮掩保密通 混沌系统中的有限字长效应，迭代算法运算字 信实验电路，实验结果见图4所示 (a) 多RECORD车 b)· 幸1 trig: trig: SINGLE SINGLE OFF 原始语音 OFF 原始语音 1 TRT 混沌载波 time: 混沌载波 t1 28s xl 280e) 2a, shot: 250IW 250IW Printer: OFF OFF eer:OFF 混沌解调 混沌解调 4YMTATAPA 恢复语音 恢复语音 (c) 章RECORD车 (d) RECRD车 OFF 原始语音 31 2 M tlg7ir 混沌载波 288t 280 元1 288s》 208w】 shot: shot: 250I9 2501V printer: Printer: OFF DFF car:OFF HEHORY HEHORY 混沌解调 型型 7 恢复语音 图4通信信号测试.(a)单向，)不同步单向，(c)不同初值单向，d)双向：曲线12,3,8为主叫方：5,6,7,4为被叫方 Fig.4 Communication signal test

V匕】 . 23 N 0 . 2 赵耿 等 : 一类 数字 混沌 保密 语音通 信系 统 一 1 71 - .3 2 软件设计 软件设计主要 由校准及混沌产 生二大模块 组成 . 混沌产生及 同步模块完 成数字迭代算法 及产生同步驱动信号 (流程图略 ) 为避免数字 混沌 系统中的有限字长效应 , 迭代算法运算字 长 为 3 4 位二进制 . 4 有线语音传输保密通信实验 根据图 1 结构 我们 设计 了混沌遮掩保 密通 信实验 电路 , 实验结果 见图 4 所示 . (a) ` 始语认` “ 匕“ “ ; 漱麟嘛 卿 混沌解 卿 调 哟卿卿咧卿 从械翩翩俪嘛 恢复语音 * RECO. . 布 t r I g : 5 1门` L E 5 1 . F F * l口回四加 t r . g : $ I 目` t E 3 1 . FF t l 一 I二 : s T舰T I , 舀一 1. , : 哥 t加 T t 且. . : 2. . . . x l 2. ` . ) 一 ` o t : 2 5. 1甘 , r l 一 t . r : . FF c . r : OFF t 1. . : 2. . . . x 1 《 2. ` . ) 。 ` o t : 25. 1甘 p r l . t . r : OF{ OF一 骊盈圈. 恢复语音 4 骊譬图口 ( e ) t 日E仁. R. 称 * 砚E〔0倪. t t r l . : $ I目` LE t r l . : $ I目` LE 8 1 . FF 3皿 O FF 原始语音 t l 一 I二 : 8了. RT t 一 I二: 8! 曲. t t 亩. . : 2 . . . . x 1 2川. . 5 ) 0卜o t : 2 5 0 1甘 p r l . t . r : :「票 ( d) J ` 日匕. 月自` . 日胜目七 山曰止 J 删哪{脚侧}删 朋 周脸 t … : 2 . . . . x 盆 2. 肠. ) . ` . t : 2 5 0 1甘 , r 二 t . r : OF F 二 r ; OF F :嘿 ; , {棚国四 附训洲柳侧}鲡 ;阮 自幽幽 目山1.. 碑边 如七 圈 4 通 伯信 号测试 . a( )单向 ,伪)不 同步单 向 , (c) 不 同初值单 向 , d( )双 向 : 曲线 1召入8 为主 叫方 ; 氏6, 7, 4 为被 叫方 F咭 · 4 C o m m u . ica tio n , ig n a l t o t

◆172· 北京科技大学学报 2001年第2期 由德国造Hioki8840 MEMORY Hicorder高 脉冲驱动同步法.实验结果表明，尽管比起无加 速记录仪记录.图4(a),b),(c)为单向通信信号测 密系统，数字混沌保密系统信噪比还有待改进， 试图；图4()为双向通信信号测试图 但完全可进人实用.新的同步技术、电路设计技 图4(a,b,(c)中曲线1,2,3,4分别为原始语 术，完全有可能使保密信号臻于完善，我们还将 音信号、混沌载波信号、混沌解调信号、恢复语 专门撰文讨论. 音信号；图4()中曲线1,2,3,8分别为主叫方原 参考文献 始语音信号、混沌解调信号、混沌载波信号、恢 I Pecora L M,Carroll T L.Synchronization in Chaotic Sys- 复语音信号；图4(d)中曲线5,6,7,4分别为被叫 tems.Phys Rev lett,1990,64(8):821 方原始语音信号、混沌解调信号、混沌载波信 2 Carroll T L,Pecora L M.Synchronization in Chaotic Cir- 号、恢复语音信号 cuits.IEEE Trans on CAS,1991,CAS-38(4):453 3 Cuomo K M,Oppenheim A V,Strogatz S H.Synchroniza- 5结论 tion of Lorenz-based Chaotic Circuits with Applications to Communications.IEEE Trans on CAS,1993,CAS-40 研究了一个可应用于实际的保密通信系 (10:626 统，其硬件设计较为完备，软件设计可行，保密 4 Dmitriev A S,Panes A I,Starker S O.Experiments on RF Band Communications Using Chaos.International Jour- 性强，它可用于局域保密电话系统，有线电视传 nal of Bifurcation and Chaos,1997,7(11):2527 送等系统中.在该系统中还研究了混沌遮掩法 5王可人，薛磊.混沌DS通信的一种实现方法.中国人 用于数字混沌保密通信，并提出了时钟一间隔 民解放军电子工程学院学报，1997,16(2)：13 A Secure Speech Communication System Based on a Digital Chaos ZHAO Geng,ZHENG Deling,DONG Jiyuan Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A experiment circuit of secure communication system based on a digital chaos is developed for the first time.Synchronization is completed with a new method-cycles and interval pulses drive.The noise characteristic and secure capability of system are analyzed.Experimental results turn out that the secure com- munication system is reliability. KEY WORDS digital chaos;secure communication;chaos hiding;synchronization

北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 1年 第 z 期 由德 国造 H i iok 8 8 40 M E M O RY iH co r d e r 高 速记 录仪记 录 . 图 4( a), 伪) ,c( )为单 向通信信号测 试 图 ; 图 4( d) 为双 向通 信信号测试 图 图 4 (a) , (b) , c( ) 中 曲线 1 ,2 3 ,4 分 别为原始语 音信号 、 混沌 载波信号 、 混沌解 调信号 、 恢复语 音信号 ; 图 4 ( d) 中 曲线 1 , 2, 3, 8 分别 为主 叫方原 始语 音信号 、 混沌解 调信号 、 混沌 载波信号 、 恢 复语音信号 ; 图 4 (d) 中曲线 5, ,6 7, 4 分别为被 叫 方原始语音信号 、 混沌解调信号 、 混沌载波信 号 、 恢复语音信号 . 5 结论 研 究 了一个可 应用 于 实 际 的保密通 信系 统 , 其硬 件设 计较为完备 , 软件 设计可行 , 保密 性强 , 它可用于局域保密电话 系统 , 有线电视传 送 等系统 中 . 在该 系统 中还研究 了混沌遮掩法 用 于数字混 沌保密通信 , 并 提 出了时钟一间隔 脉 冲驱动 同步法 . 实验结果表 明 , 尽管 比起无加 密系统 , 数字混沌保密 系统信噪 比还有待改进 , 但完全可进人实用 . 新的 同步技术 、 电路设计技 术 , 完全有 可能使 保密信号臻于完善 , 我们还将 专 门撰 文讨论 . 参 考 文 献 1 P e e oar L M, C别比 o ll T L . Sy n c hr o n i刃劝 i o n in C h a o ti e s y s - t e m s Ph y s 称 v let , 199 0 , 64 ( 8) : 8 2 1 Z C 翻 r o l l T L , P e co r a L M . Sy n c hr o n iaz t i o n in C h a o ti e C ir - e u ist . IE E E 介an s on C A S , 1 99 1 , C A S 一 3 8 (4) : 4犯 3 C u o 们以 o K M , OP P e hn e 油 A V, Sotr g ast S H . Sy n c hr o in aZ . ti on o f L o re n z七 a s e d C h aot i e C icr u it s w i ht A PPlic at i osn ot C o m们。 u n l e at i o n s . I E E E T r出” on C A S , 19 3 , C A S一0 ( 10) : 62 6 4 D m iitr e v A S , P ane s A I , S公吐k e r S O , E x pe ir m e nst o n RF B an d C om m un ic iat ons U s ing C h a o s . I n t e由a t i o n a l J o U比~ na l o f B i if 扛c at i呱 an d Ch a o s , 19 97 , 7( 11) : 2 5 2 7 5 王 可人 ,薛磊 . 混 沌 D S 通信的一种 实现方法 . 中国人 民解放军电子工 程学院学报 , 19 7 , 16 (2 ) : 13 A S e e uer S P e e e h C o m 力以u n i c at i o n S y s et m B a s e d o n a D i g iat l C h a o s 乙阮咬口 G e gn, Z付 E N G D le i g,n D O N G 戎卿 a n 玩允 n刀 时 i on Egn in e e inr g Se h o o凡 U S T B e ij ign , B e ij ing 10 0 0 8 3 , C h j o a A B S T R A C T A e x Pe ir m ent c ir c u it o f se c u 了e c o n u n u n l c iat on sy s t e m ba se d on a id g 1at 1 e h a d s is d e v e 1叩e d for het 份st t加e . S y n e hr o in aZ t ion 15 c p m P let e d w 汕 a n e w m e ht o d - - - - 心y d es an d 云lt e vr al P u l s es d ir v e . T七e no is e hc acr t e r i ist c an d s e e uer e aP ab iliyt o f sy set m aer a n a ly ez d . E xP e r 如ent a l er s u lt s t 切刀 0 以 ht at ht e s e e ur e e om - m un i c iat on 盯s t em 1 5 er liab ili .yt K E Y W O R D S id g ialt c h a os ; se c uer co n l n 切lr c iat on ; c h a o s hi idn ;g s ” e hr o n 切功