一種新型CD－QCSK混沌保密通信系統設計

柯俊霄

(四川托普信息技術職業學院，四川成都 611743)

0 引言

如何提高通信系統的數據傳輸速率，同時希望運算檢測結果穩定，減少誤碼率，更重要的適用于現代數字通信系統中對信息的保密性越來越高的要求，是目前混沌保密通信研究的努力方向。針對上述這一系列的問題，對QCSK數字調制方式進行了改進，提出了一種新型的混沌鍵控數字保密通信方案—相關延遲－差分四項相移混沌鍵控(CD-QCSK)通信系統。該混沌鍵控系統同時兼具CDSK系統保密性高和QCSK誤碼率低的優點，系統的誤碼率性能和保密性也都有所提高，并且系統的傳輸速率是原有鍵控方式的4倍。

1 CD-QCSK的設計原理

CD-QCSK通信系統調制與解調的原理框圖如圖1所示，改進后得到的CD-QCSK系統在原理上主要結合了QCSK誤碼率低和CDSK保密性高的優點，并且將信號的傳輸速率提高了2倍。

圖1 相關延遲－差分混沌鍵控(CD-QCSK)系統原理框圖

2 CD-QCSK通信系統的仿真分析

這里選擇logistic混沌映射作為發送端的混沌發射系統，通過Matlab/Simulink中的可視化模塊搭建CD-DCSK通信系統仿真框圖，來分析該通信系統的性能。首先從時域上仿真分析一下系統的可實現性，需要傳輸的有用信號如圖2所示，將需要傳輸的二值信息“0，1”序列先調制成“+1，－1”序列，然后再通過發射端進行調制發送，通信系統經過3 s后同步解調出了有用信息。通過圖3可以看出在接收端很好地將接收信號解調出來了。

圖2 需要傳輸的有用信號

圖3 接收端解調出的信號

改進的CD-QCSK系統借鑒CDSK的調制原理，信道中傳輸的是混沌信號與延遲后并經發送信息符號調制后的疊加信號，所以在信道中，沒有重復或相位相同的混沌信號，這就使得信號傳輸的保密性得到了保證。而且在一個相同的符號周期內，改進的CD-QCSK利用相位延遲時間差，在2個半段符號周期都攜帶有用信號，提高了頻帶的利用率，傳輸速率是QCSK的2倍。CD-QCSK系統在信道中傳輸的是經過相關延遲疊加后混沌信號，利用了混沌序列所特有的性能，所以在信道中，信號傳輸的保密得到了保證。CD-QCSK信道中傳輸的調制后的混沌信號如圖4所示，可以看出在CD-QCSK信道中傳輸的信號的保密性較其他鍵控方式更勝一籌，而且CDQCSK信道中傳輸的信號比特能量比CDSK和QCSK信道中更加均勻，不會產生接收端因單位比特能量隨著時間改變造成估計問題。

圖4 CD-QCSK信道中傳輸的調制后的混沌信號

在這里僅需對比分析DCSK、CDSK和改進的DCSK系統，以及碼元傳輸速率和改進的CD-DCSK相當的QCSK系統在GN信道中的誤碼率性能。在AWGN信道下，CDSK通信系統的誤碼率性能較另外鍵控方式相比較差，而QCSK系統的性能要好于DCSK系統。當信噪比較高時，CD-DCSK和QCSK的誤碼率性能比較接近;在QCSK的誤碼率CD-DCSK逐漸增大;在給定BER=10/3條件下，CD-QCSK較QCSK調制方信噪比提高了2.2～2.7 dB。所以總體上看，CD-QCSK系統的誤碼率性能要優于QCSK、CDSK和DCSK系統。

3 數字化后的混沌遮掩的實現

3.1 混沌加密前后效果圖

利用Matlab和Dsp Builder軟件搭建仿真系統模型，由于數字化后的混沌信號為0，1序列，因此傳輸的數字圖像選擇為256×256像素的Lena二值圖像，驅動系統的初始值為(10，20，15)，響應系統的初始值為(1，2，3)。首先仿真實現數字化后的混沌序列與二值圖像的像素值相加實現圖像信號的遮掩同步保密通信，然后數字化后的混沌遮掩同步通信系統傳輸二值圖像信號的仿真結果如圖5所示。

圖5 數字化后的混沌遮掩疊加加密數字圖像仿真結果

由圖像傳輸的仿真結果可以看出，在采用離散數字化后的混沌序列直接與二值圖像進行疊加這一方式時，數字化后的混沌遮掩同步通信系統并沒有很好地掩蓋傳輸的數字圖像信號，在信道中傳輸的時頻信號就已經泄漏出了發送的數字信號。由于傳輸的二值圖像的像素值只有0和1兩種情況，所以原圖像和加密后圖像的相鄰像素的相關性和圖像的統計直方圖的比較無法從圖像中體現出來，但是我們還是可以通過比較原圖像和加密中灰度值為0和1的像素的個數，和計算相鄰像素的相關系數得到加密圖像的安全性能。

由混沌鍵控通信系統信道中信號的相關程度的仿真圖可以看出，與之前的研究分析相符合，改進得到的CD-QCSK系統的信道的安全性最好，幾乎相當于高斯白噪聲的自相關程度，相對來講QCSK系統的信道中傳輸信號的相關系數最大。我們改進得到的CD-QCSK系統通過調制信道中的混沌信號實現數字信息的保密傳輸，傳輸的數字信息不會直接參與信道中的發送，從系統的誤碼率和信息傳輸速率來考慮，其保密性能要更好。

4 結束語

基于Matlab/Simulink軟件實現了仿真，改進得到新型混沌鍵控保密通信系統CD-QCSK的數字圖像信號的保密傳輸，并且對混沌遮掩保密通信的加密方式進行了改進，也取得了較好的效果。然后依據混沌系統圖像加密技術的評價標準分析比較了這幾種通信系統的傳輸性能，CD-QCSK鍵控系統的信道傳輸信號不同時刻的自相關系數最小，驗證了它們具有更優越的安全性，很好的應用價值。

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