基于DSP Builder的混沌保密通信的研究與實(shí)現(xiàn)

周高星，韋 伯，劉興云

（湖北師范學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院，湖北 黃石435002）

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，無線通信和移動(dòng)通信因其給人們的日常生活帶來了便利性而受到日益廣泛的青睞和應(yīng)用，但現(xiàn)在以無線電磁波為媒介傳輸信號(hào)的通信系統(tǒng)都存在一些問題，而混沌通信[1]卻能夠從另一個(gè)角度很好地解決這個(gè)問題。

混沌信號(hào)具有類似噪聲的難以預(yù)測(cè)性，可為信息的保密傳輸提供保證。在傳統(tǒng)的通信方式中，通信的載波多是模擬的正弦載波，若要完成保密工作，需要額外進(jìn)行加密工作，這使通信成本大大增加，而且保密的工作也不一定能夠做得很好。然而混沌通信卻能夠很好地解決這個(gè)問題。混沌通信是利用混沌信號(hào)直接作為載波，而混沌信號(hào)本身又具有非線性和難以預(yù)測(cè)的特點(diǎn)，所以對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后的調(diào)制波是雜亂無章的波形，表面毫無規(guī)律，不易被竊取。而且，混沌通信系統(tǒng)本身就有高的保密性[2]，加之混沌信號(hào)的產(chǎn)生很簡(jiǎn)單，使成本大大降低，也使得這種新技術(shù)易于實(shí)現(xiàn)和推廣。

1 工作原理

本文利用FM-DCSK作為載波，用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制達(dá)到傳輸信息的目的。首先，用Logistic映射產(chǎn)生混沌信號(hào)；然后進(jìn)行FM調(diào)制，形成FM-DCSK信號(hào)，并把它作為新的載波，用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。在接收端，運(yùn)用混沌信號(hào)的自相關(guān)性和互相關(guān)性進(jìn)行解調(diào)，得到數(shù)字序列，實(shí)現(xiàn)信號(hào)恢復(fù)。

1.1 混沌信號(hào)的產(chǎn)生

在非線性電路中產(chǎn)生各種不同類型并適合保密通信的混沌與超混沌信號(hào)[3]是近年來物理學(xué)和信息科學(xué)界所關(guān)注的一個(gè)熱門課題。本文采用Logistic映射方式產(chǎn)生混沌信號(hào)。

邏輯斯蒂(Logistic)[4]模型描述如下：

該拋物線映射蘊(yùn)含著現(xiàn)代混沌理論的基本思想，包括倍周期到混沌、分岔圖等非線性理論的基本框架和模式。其中 μ稱為分枝參數(shù),當(dāng) Xn∈(0，1)且 3.5699456＜μ≤4時(shí)，Logistic映射工作于混沌狀態(tài)。

1.2 FM-DCSK信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)

（1）FM-DCSK調(diào)制相關(guān)原理

先介紹二元DCSK[5]調(diào)制，調(diào)制之后的傳輸信號(hào)可以表示為：

其中，基本函數(shù)為：

在每bit的前半個(gè)周期，傳輸某種混沌信號(hào)作為參考信號(hào)，在后半個(gè)周期，傳輸數(shù)字信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為0時(shí)，依舊傳輸混沌信號(hào)，當(dāng)信號(hào)為1時(shí)，將混沌信號(hào)取反傳輸。

FM-DCSK[6]調(diào)制即先對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)行模擬調(diào)頻，再將調(diào)頻后的混沌信號(hào)作為載波進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。由于周期的正余弦信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的能量是恒定的，所以只要比特周期T是正余弦信號(hào)周期的整數(shù)倍，就可以保證FM-DCSK調(diào)制后的信號(hào)每比特能量不再隨機(jī)變化。而要保證比特周期T是正余弦信號(hào)周期的整數(shù)倍，只要采用相對(duì)混沌信號(hào)頻率高得多的正余弦信號(hào)對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)行調(diào)頻，就能很容易地實(shí)現(xiàn)。這樣的調(diào)制方式就是FM-DCSK調(diào)制。

（2）FM-DCSK解調(diào)相關(guān)原理

接收端采用差分相干解調(diào)，只在后半個(gè)周期里進(jìn)行積分處理。這是因?yàn)樵诿總€(gè)碼元的前半個(gè)周期里傳輸?shù)亩际菂⒖夹盘?hào)，即FM-DCSK信號(hào)，只要把參考信號(hào)與后半個(gè)碼元周期里的信號(hào)進(jìn)行積分，再利用混沌信號(hào)的相關(guān)性就能把傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)分離出來，再根據(jù)某種規(guī)則進(jìn)行判決，就能恢復(fù)原始信號(hào)。

2 模型設(shè)計(jì)

FM-DCSK調(diào)制發(fā)送模塊原理圖如圖1所示，發(fā)送模塊主要由FM-DCSK載波發(fā)生器、二元DCSK調(diào)制器兩大部分組成，前者又是由混沌信號(hào)發(fā)生器、FM調(diào)制器構(gòu)成，后者由開關(guān)電路、延遲單元等構(gòu)成。

FM-DCSK差分調(diào)解接收模塊數(shù)學(xué)描述如圖2所示，接收模塊主要是進(jìn)行二元DCSK的解調(diào)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真

3.1 FM調(diào)制器

仿真模型中Logistics電路產(chǎn)生的混沌信號(hào)輸入正弦波查找表模塊，得到的仿真電路輸出波形如圖3所示。

3.2 二元DCSK解調(diào)器模塊

積分模塊就是一個(gè)乘積累加模塊，a、b分別表示兩個(gè)輸入信號(hào)，sload表示控制模塊。當(dāng)sload輸入高電平時(shí)，這個(gè)模塊完成累加輸出，并把模塊清零。該模塊仿真波形如圖5所示，圖中第一個(gè)波形表示的是輸入的有用信號(hào)，第二個(gè)波形是輸出的FM-DCSK。

20世紀(jì)80年代以來，在國(guó)際上基于混沌的通信系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)處于成熟狀態(tài)，已經(jīng)有幾種可能的通信方案被認(rèn)同和頗具特色。隨著混沌理論和混沌通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和完善，混沌系統(tǒng)表現(xiàn)出來的確定性、隨機(jī)性和復(fù)雜性，使得其在信息安全和保密工作中有廣闊的應(yīng)用前景[7]。

本文針對(duì)混沌通信的保密，在Simulink中利用DSP Builder開放工具建立模型，然后進(jìn)行仿真，利用混沌信號(hào)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)字信號(hào)的加密與解密。

[1]葉麗芬.基于FM-DCSK的混沌通信系統(tǒng)體制研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2006：11-25.

[2]王宏霞.混沌技術(shù)在現(xiàn)代保密通信中的應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2002：3-6.

[3]劉興云，魯池梅，程永山.基于虛擬儀器三維多渦卷混沌電路的研究[J].大學(xué)物理，2008，27(06)：38-39.

[4]韓鳳英，朱從旭.基于Logistic映射混沌加密算法的研究[J].湖南：長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(1)：30-33.

[5]周志波，周童，王進(jìn)祥.一種改進(jìn)的多用戶 DCSK性能分析[J].西安：西安電子科技大學(xué)報(bào)，2009(04)：731-732.

[6]李輝，宋耀良，楊余旺.FM-DCSK超寬帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其多徑信道性能分析[J].南京：南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32(05)：620-621.

[7]許娟.混沌保密通信系統(tǒng)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究[D].江蘇：蘇州大學(xué)，2008：3-5.