專利名稱：基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統。適用于保密通信技術領域。
背景技術：
傳統的密碼技術是通信雙方按預約的法則(密匙)進行信息特殊變換的一種保密手段，密匙簡單則密文容易破譯，密匙復雜則解密耗時較長，無法滿足既安全又及時的通訊要求。混沌信號具有初值敏感性、整體穩定性、非周期隨機性、連續寬帶頻譜、類似噪聲等特征，將混沌系統作為密鑰流發生器，使傳輸信號具有天然的隱蔽性。混沌加密的方法 與其他加密方法的不同之處是混沌加密是一種動態的加密方法，并且這種方法的計算效率很高，即可實現通信雙方的實時動態加密。從理論上考慮，要破譯通過混沌加密的信息可能性幾乎為零，具有很高的保密性，因而混沌理論特別適用于保密通信。目前混沌保密通信研究中多采用基于混沌同步理論的保密通信系統。在發射端利用混沌電路掩蓋需要保密的信息，在接收端采用混沌同步的方式解調出保密信息，此過程中的混沌系統同步是關鍵。由于混沌系統對初值的極端敏感性，兩個相同混沌系統若初值有細微差異，經過一定的時間后就會形成兩個完全不相關的狀態，導致收發系統不同步，通過解密輸出的信息與所傳信息會截然不同，因此要求利用混沌同步通信時，接收端混沌信號必須與發射端的混沌信號嚴格同步，這是混沌保密通信的關鍵技術之一。就當前的技術而言，有以下幾種方法將混沌同步理論應用于保密通信系統(I)混沌掩蓋如圖I所示，混沌掩蓋通信是最早研究的混沌保密通信技術，它利用具有近似于高斯白噪聲統計特性的混沌信號作為一種載體來掩蓋所要傳送的有用信息，在接收端利用同步后的混沌信號去恢復出有用的信息。混沌掩蓋保密通信方式是最簡單的混沌同步保密方式，所以，其實現也最為容易。但為了保證同步和有效的掩蓋，發送端發送的信號中信息信號比起混沌信號應足夠小，通常要小于混沌信號的十分之一。這對兩個混沌系統的同步質量要求很高，信號的微小差別就有可能導致有用信息的失真甚至出錯。在圖I所示原理框圖中，發送端通過混沌信號與有用信號的加密運算來加密有用信號。這里的加密運算通常是加法運算、乘法運算或者二者的混合運算。而在接收端的加密逆運算則正好與加密運算相反。(2)混沌鍵控如圖2所示，混沌鍵控是編碼器由兩個或更多具有不同參數的混沌吸引子組成，利用它們在特定參數下的混沌吸引子作為所傳輸信息的碼元信號，如“O”和“1”，它們中的一個系統被選中，并發送混沌模擬信號到信道上；在信號的接收端，相同數目相應結構、參數的混沌系統被收到的混沌模擬信號驅動，以便同步編碼器所對應的混沌系統。調整參數可使在每一個碼元時間內，只有一對混沌系統能同步，檢測這個同步的系統即可解碼原數字信息。混沌鍵控是目前研究得較多的一大類鍵控式數字通信方案，包括CKS(ChaosShift Keying), COOK (Chaotic On-Off Keying), DCSK(Differential Chaos ShiftKeying)和 FM-DCSK (Frequency Modulation Differential Chaos Shift Keying)等數字調制方式。(3)混沌參數調制如圖3所示，混沌參數調制技術的基本思想是在發送端利用所傳輸的有用信號 來調制混沌系統的某個參數，在接收端利用混沌同步信號提取出相應的混沌系統參數，進而恢復出所傳輸的信號。由于這種方法是徹底的信息融入到了混沌內部，成為了混沌信號的一部分，所以這種方法的保密性最強，而且，由于是直接發送混沌信號，所以該方法的隱蔽性也非常高。當然，其對設備的要求和實現的難度也是幾種方法中最大的。實現混沌保密通信的關鍵技術是實現混沌系統同步。因此要將混沌同步理論更好地應用于保密通信中仍有較多理論和技術上的問題需要解決。主要有一、混沌系統的同步性能問題。目前主要是在理想信道范圍內進行對混沌同步通信的研究，但是若要將混沌同步通信應用于實際系統中，就必須考慮到噪聲產生的干擾、傳輸信道的失真等對混沌同步的影響。二、混沌同步保密通信的保密性能與魯棒性的問題。由于混沌系統之間同步的魯棒性與保密通信系統的保密安全性是互相矛盾的，因此在實際應用中，如何平衡兩者之間的關系是必須面對的難題。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對上述存在的問題，提供一種保密性好、加解密耗時短的混沌保密通信系統，縮小混沌系統發送端與接收端之間系統誤差，解決混沌系統的同步性能問題，提高通信質量與安全性。本發明所采用的技術方案是基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統，其特征在于該系統包括發送端的混沛驅動單元和發送單元、以及接收端的接收單元、混沛響應同步控制單元和解密單元，發送單元與接收單元之間由信道連接，其中混沌驅動單元包括混沌電路I、電壓跟隨器I和切換器，混沌電路I產生混沌信號，其中一相混沌信號分為兩路，一路直接進入切換器，另一路經電壓跟隨器I后獲得該相混沌信號的反相信號進入切換器，此時，2進制明文信號也輸入切換器，切換器將明文信號融入混沌信號成為帶有密文的混沌信號輸至發送單元；與此同時，混沌電路I的另一相混沌信號作為混沌響應同步控制單元的控制參照，直接輸至發送單元；發送單元包括單片機I、接口電路I、基準電壓I、接口電路II和基準電壓II，接口電路I接收來自切換器的帶有密文的混沌信號并將該信號發送給單片機I，接口電路II將所述作為混沌響應同步控制單元之控制參照的混沌信號發送給單片機I，接口電路I和接口電路II分別接有基準電壓I和基準電壓II ；接收單元包括單片機II、接口電路III、基準電壓III、接口電路IV和基準電壓IV，單片機II用于接收單片機I發送過來的混沌信號，單片機II將帶有密文的混沌信號送入接口電路III，并調制解調出進入接口電路I之前的混沌信號，隨后送入解密單元的加法電路；同時單片機II將作為同步控制參照的混沌信號送入接口電路IV，并調制解調出進入接口電路II之前的混沌信號；接口電路III和接口電路IV分別接有基準電壓III和基準電壓IV ；混沌響應同步控制單元包括減法電路、同步控制器、混沌電路II和電壓跟隨器II，減法電路、同步控制器和混沌電路II組成單變量狀態反饋控制器，來自接口電路IV的作為同步控制參照的混沌信號與對應于該混沌信號的來自混沌電路II的混沌信號在減法電路中相減，其差值信號再經同步控制器轉化為混沌電路II的同步控制信號，混沌電路II的另一個輸出端則輸出達到同步的混沌信號，該混沌信號再經電壓跟隨器II反相后輸出至解密單元的加法電路；
解密單元包括加法電路和零階保持器，加法電路將來自接口電路III的混沌信號和來自電壓跟隨器II的反相混沌信號求和，加法器求和結果為零的部分為2進制明文信號的低電位，經零階保持器輸出為0，求和結果不為零的部分是2進制明文信號的高電位，經零階保持器輸出為I。所述混沌電路I和混沌電路II主要采用運算放大器LM358和模擬乘法器MC1496并參照典型的Lorenz混沌系統數學模型搭建，并對該模型進行了簡化，通過電阻負反饋將減法運算和積分運算融合到一起，簡化后的混沌系統數學模型為
X = ~—(v-x)
R1C1、 f
「 ^ , I ( H II Ii y = — ~—X--V--xz
- IOR6M12 J.I r R1 I )
Z 二------XV--Z
(\k\orhr, · R10其中x、y、z為三個狀態的變量，在電路中體現為X、Y、Z三相的信號；Ri、R3> R5>R7、Rn的阻值為IOkQ ;R4、R9、R12的阻值為IOOkQ ；R2的阻值為28k Ω ；R8的阻值為300 Ω ；R10的阻值為37. 5k Ω ；R6的阻值為333 Ω -,C^C^C,的電容值為IOnF。所述混沌電路I和混沌電路II中運算放大器LM358的電源線與地線間加入IOOnF的去耦電容。所述電壓跟隨器I和電壓跟隨器II均包括了運算放大器LM358，將X、Y、Z三相信號中的一相信號轉換成該相信號的反相信號后送入切換器。所述接口電路I IV的電路結構完全相同，均包含反相加法器和反相比例放大器，主要由運算放大器TL082CP實現。所述減法電路主要由運算放大器LM358構成，將分別來自于混沌電路I和混沌電路II的、作為同步控制參照的兩個混沌信號相減，作為同步控制器的輸入。所述同步控制器通過單變量狀態反饋控制算法來實現采樣同步控制，同步控制器主要由運算放大器TL082CP構成，將減法電路的差值信號轉化為對混沌電路II的同步控制信號，同步控制器依據的數學模型為11(e) = ~jk{y2 - V,)其中yi為混沌信號Yl的狀態變量；y2為混沌信號Y2的狀態變量；y2-yi表示混沌電路II與混沌電路I之間的跟蹤誤差；u(e)為狀態反饋控制變量；C的電容值為IOnF ；k為調節增益，采用極點配置方法計算出控制器中的k值。所述單片機I和單片機II均采用型號為C8051F120單片機，單片機I和單片機II用于發送單元和接收單元間的數字傳輸。所述加法電路主要由運算放大器LM358構成。本發明的有益效果是本發明利用混沌鍵控技術對信息進行加密解密，提高典型的Lorenz混沌系統電路標度，使混沌信號的頻率提高，更加有利于通信傳輸，提高通信質量與安全性；本發明優化典型的Lorenz混沌系統電路，在保證混沌電路能順利輸出混沌信號的前提下，減少電氣元件數量，從而縮小混沌系統發送單元與接收單元之間系統誤差，更加有益于工業生產與工程應用；本發明采用C8051F120單片機實現通信功能，并將混沌電路的模擬傳輸信號轉化為數字傳輸信號，更加適于遠距離的信號傳輸。本發明通過實驗對比明文、密文和譯文的示波圖，可以明確該保密通信方案的可行性、有效性和優越性。
圖I為背景技術混沌掩蓋保密通信的原理圖。圖2為背景技術混沌鍵控保密通信的原理圖。圖3為背景技術混沌調制保密通信的原理圖。圖4為本發明的系統流程圖。圖5為本發明混沌電路I的原理圖。圖6為本發明混沌電路II的原理圖。圖7為本發明電壓跟隨器I的原理圖。圖8為本發明電壓跟隨器II的原理圖。圖9為本發明接口電路的原理圖。圖10為本發明單變量狀態反饋同步控制器的原理圖。圖11為本發明減法電路的原理圖。圖12為本發明加法電路的原理圖。圖13為典型Lorenz系統電路原理圖。圖14為優化后的混沌電路吸引子相圖(包括四幅相圖)。圖15為明文信號。圖16為密文信號。圖17為譯文信號。
具體實施例方式如圖4所示，本實施例為一種基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統，該系統由混沌驅動單元I、發送單元2、信道3、接收單元4、混沌響應同步控制單元5以及解密單元6組成。發送單元2與接收單元4之間由信道3連接。混沌驅動單元I由混沌電路I 1_1(主要由運算放大器LM358和模擬乘法器MC1496構成)、電壓跟隨器I 1-2 (主要由運算放大器LM358構成)以及切換器1-3組成，其中混沌電路I 1-1產生混沌信號Xl和Y1，混沌信號Xl —路直接進入切換器1-3，另一路經電壓跟隨器I 1-2后獲得混沌信號Xl的反相信號后也進入切換器1-3。切換器的作用是當2進制的明文信號處于高電位時，直接輸出混沌信號XI，當明文信號處于低電位時，切換器輸出混沌信號Xl的反相信號。發送單元2由單片機I 2-5、接口電路I 2-1、基準電壓I 2_2、接口電路II 2-3以及基準電壓II 2-4組成。明文信號經切換器完成加密過程成為密文，經過接口電路I 2-1進入單片機I 2-5。混沌信號Yl作為混沌響應同步控制單元5的控制參照，直接經過接口電路II 2-3進入單片機I 2-5進行發送。本實施例采用的C8051F120單片機中，12位模\數及數\模轉換器的輸入輸出電壓范圍是(T2.48V，混沌電路的信號電壓范圍是±3V。由于單片機接口電壓與混沌電路的信號電壓并不匹配，因此本實施例設計了接口電路。首先，接口電路衰減混沌信號的峰峰值，通過電阻的分壓作用，將混沌信號的峰峰值衰減到原來的1/3。其次，將衰減后的混沌信號零點抬高，由基準電壓分壓得到原輸入輸出電壓范圍的1/2，即I. 24V，使其與被壓縮過的混沌信號相融合，得到符合高頻發送要求的混沌信號。本實施例中的基準電壓均可在電壓范圍-2. 4r+2. 4V間連續可調，在保密通信系統調試過程中參與整定信號，使其滿足單片機的發送要求。單片機I 2-5將混沌信號Yl和融入明文成 為密文的混沌信號Xl發送至接收單元4。接收單元4由單片機II 4-1、接口電路III 4-2、基準電壓III 4-3、接口電路IV 4-4以及基準電壓IV 4-5組成。單片機II 4-1的作用是接收混沌信號Yl和融入明文成為密文的混沌信號Xl。混沌信號Xl進入接口電路III 4-2，調制解調出進入接口電路I 2-1之前的混沌信號XI，送入解密單元6的加法電路6-1。混沌信號Yl進入接口電路IV 4-4，調制解調出進入接口電路II 2-3之前的混沌信號Y1，送入混沌響應同步控制單元5的減法電路5-1。本實施例中4個接口電路的電路結構完全相同，均包含反相加法器和反相比例放大器，主要由運算放大器TL082CP實現。4個基準電壓也相同。混沌響應同步控制單元5由減法電路5-1 (主要由運算放大器LM358構成)、同步控制器5-2 (主要由運算放大器TL082CP構成)、混沌電路II 5-3 (主要由運算放大器LM358和模擬乘法器MC1496構成)以及電壓跟隨器II 5-4 (主要由運算放大器LM358構成)組成。混沌電路II 5-3與混沌電路I 1-1的元器件和型號均相同，電路結構和初值有所不同。根據混沌的特性，兩個混沌電路會因初值的極其微小差異，經過幾個運算周期，最終體現出完全不同的輸出。即，如果不加任何控制措施，混沌電路I和混沌電路II的輸出信號完全不相同。混沌響應同步控制單元5的主要作用是將混沌信號Yl作為控制參照，使得混沌電路II與混沌電路I達到完全同步，得到混沌信號X2，這是本實施例中最重要的步驟之一。混沌信號X2經過電壓跟隨器II 5-4反相后輸出X2的反相信號。來自接口電路IV 4-4的混沌信號Yl和來自混沌電路II 5-3的混沌信號Y2都送入減法電路5-1，獲得兩者的差值信號，差值信號經過同步控制器5-2成為同步控制信號，作用于混沌電路II 5-3的Y2相控制端(接口位置見圖10)。同步控制器5-2是通過單變量狀態反饋控制算法實現同步控制，其數學模型為u(e) = --^kLv2 - Λ)其中yi為混沌信號Yl的狀態變量；y2為混沌信號Y2的狀態變量；y2-yi表示混沌電路II與混沌電路I之間的跟蹤誤差；u(e)為狀態反饋控制變量；C的電容值為IOnF ；k為調節增益，采用極點配置方法計算出控制器中的k值，本實施例中k = 3. 8，由運算放大器TL082CP 實現。狀態反饋控制算法的控制目標是使跟蹤誤差為零，即混沌信號Yl和混沌信號Y2達到同步。又由于混沌電路的特性，X、Y、Z三相之間存在強耦合關系，混沌信號Yl和混沌信號Y2達到同步會迫使混沌信號Xl和混沌信號X2達到同步；如此，達到同步的混沌信號X2可被送入解密單元6的加法電路6-1。解密單元6由加法電路6-1 (主要由運算放大器LM358構成)和零階保持器6_2組成。加法電路6_1將混沛/[目號Xl和混沛/[目號X2的反相/[目號求和。混沛/[目號Xl和混沛/[目號X2的反相信號中完全重合的部分代表了明文信號中的高電位；混沌信號Xl和混沌信號X2的反相信號中互為鏡像的部分代表了明文信號中的低電位。所以，加法電路求和結果為零的部分是明文信號中的低電位，經過零階保持器輸出為 O ;求和結果不為零的部分是明文信號中的高電位，經過零階保持器輸出為I。這樣就于接收端在密文信號中解密出明文。本實施例參照的Lorenz混沌系統模型的非線性常微分方程為
x = a(y-x)i y = bx - xz — y
z-xy- cz當參數a = 10, b = 28, c = 8/3時,系統處于混沛狀態。根據Lorenz系統模型搭建混沌電路，電路如圖13所示，在示波器中可以看到波形緩慢的變換，通過頻譜分析可以發現系統產生的信號頻率過低，如果采用傳統的3dB的帶寬標準，混沌信號的頻率不會超過100Hz，這給混沌信號的傳輸帶來了困難。本實施例中對典型的Lorenz系統電路優化方法如下首先對電路進行標度變換，使其更適合電路實現，并確保變換后的電路依然是混沌電路。通常認為系統產生信號的頻率與系統中的電容容量成反關系，為解決混沌信號頻率不高的問題，本實施例中將積分器中的三個電容容值下調1000倍。變換后的混沌信號頻率有所提升，高頻段的總能量也一并提高。同時，高頻能量在頻段內相對均勻分布，這導致信號的各個頻率分量的能量都比較小(均小于-13dB，符合通信要求)。這也在一定程度上體現了混沌信號的寬頻譜和低功率的特性。其次本實施例為保證2個混沌電路間的參數匹配，選用千分之一精度的精密電阻和誤差值在±0. InF以內的CBB電容來搭建電路，使得混沌電路I和混沌電路II中相應參
數誤差小于百分之一。最后為便于工業生產與工程應用，本實施例進一步簡化混沌電路。由于混沌的特性決定了混沌電路對元件參數極其敏感。而在典型的混沌電路中，使用了較多的電阻、電容以及運算放大器，這對于元件參數的匹配很不利，即便是使用軍用級別的電路元件，微小誤差會通過電路逐級放大，導致兩個混沌系統不能很好同步。所以需要對電路進行簡化，通過電阻負反饋將減法運算和積分運算融合到一起，減少元件的個數。本實施例簡化后的混沌系統數學模型為
權利要求
1.一種基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統，其特征在于該系統包括發送端的混沌驅動單元和發送單元、以及接收端的接收單元、混沌響應同步控制單元和解密單元，發送單元與接收單元之間由信道連接，其中 混沌驅動單元包括混沌電路I、電壓跟隨器I和切換器，混沌電路I產生混沌信號，其中一相混沌信號分為兩路，一路直接進入切換器，另一路經電壓跟隨器I后獲得該相混沌信號的反相信號進入切換器，此時，2進制明文信號也輸入切換器，切換器將明文信號融入混沌信號成為帶有密文的混沌信號輸至發送單元；與此同時，混沌電路I的另一相混沌信號作為混沌響應同步控制單元的控制參照，直接輸至發送單元； 發送單元包括單片機I、接口電路I、基準電壓I、接口電路II和基準電壓II，接口電路I接收來自切換器的帶有密文的混沌信號并將該信號發送給單片機I，接口電路II將所述作為混沌響應同步控制單元之控制參照的混沌信號發送給單片機I，接口電路I和接口電路II分別接有基準電壓I和基準電壓II ； 接收單元包括單片機II、接口電路III、基準電壓III、接口電路IV和基準電壓IV，單片機II用于接收單片機I發送過來的混沌信號，單片機II將帶有密文的混沌信號送入接口電路III，并調制解調出進入接口電路I之前的混沌信號，隨后送入解密單元的加法電路；同時單片機II將作為同步控制參照的混沌信號送入接口電路IV，并調制解調出進入接口電路II之前的混沌信號；接口電路III和接口電路IV分別接有基準電壓III和基準電壓IV ； 混沌響應同步控制單元包括減法電路、同步控制器、混沌電路II和電壓跟隨器II，減法電路、同步控制器和混沌電路II組成單變量狀態反饋控制器，來自接口電路IV的作為同步控制參照的混沌信號與對應于該混沌信號的來自混沌電路II的混沌信號在減法電路中相減，其差值信號再經同步控制器轉化為混沌電路II的同步控制信號，混沌電路II的另一個輸出端則輸出達到同步的混沌信號，該混沌信號再經電壓跟隨器II反相后輸出至解密單元的加法電路； 解密單元包括加法電路和零階保持器，加法電路將來自接口電路III的混沌信號和來自電壓跟隨器II的反相混沌信號求和，加法器求和結果為零的部分為2進制明文信號的低電位，經零階保持器輸出為O，求和結果不為零的部分是2進制明文信號的高電位，經零階保持器輸出為I。
2.根據權利要求I所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述混沌電路I和混沌電路II主要采用運算放大器LM358和模擬乘法器MC1496并參照典型的Lorenz混沌系統數學模型搭建，并對該模型進行了簡化，通過電阻負反饋將減法運算和積分運算融合到一起，簡化后的混沌系統數學模型為
3.根據權利要求2所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述混沌電路I和混沌電路II中運算放大器LM358的電源線與地線間加入IOOnF的去耦電容。
4.根據權利要求I所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述電壓跟隨器I和電壓跟隨器II均包括了運算放大器LM358,將X、Y、Z三相信號中的一相信號轉換成該相信號的反相信號后送入切換器。
5.根據權利要求I所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述接口電路I IV的電路結構完全相同，均包含反相加法器和反相比例放大器，主要由運算放大器TL082CP實現。
6.根據權利要求I所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述減法電路主要由運算放大器LM358構成，將分別來自于混沌電路I和混沌電路II的、作為同步控制參照的兩個混沌信號相減，作為同步控制器的輸入。
7.根據權利要求6所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述同步控制器通過單變量狀態反饋控制算法來實現采樣同步控制，同步控制器主要由運算放大器TL082CP構成，將減法電路的差值信號轉化為對混沌電路II的同步控制信號，同步控制器依據的數學模型為uie) =-J-JiKy2-) 其中yi為混沌信號Yl的狀態變量；y2為混沌信號Y2的狀態變量；y2-yi表示混沌電路II與混沌電路I之間的跟蹤誤差；u(e)為狀態反饋控制變量；C的電容值為IOnF ；k為調節增益，采用極點配置方法計算出控制器中的k值。
8.根據權利要求I所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述單片機I和單片機II均采用型號為C8051F120單片機，單片機I和單片機II用于發送單元和接收單元間的數字傳輸。
9.根據權利要求I所述的混沌保密通信系統，其特征在于所述加法電路主要由運算放大器LM358構成。
全文摘要
本發明涉及一種基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統。本發明的目的是提供一種保密性好、加解密耗時短的混沌保密通信系統，縮小混沌系統發送端與接收端之間系統誤差，解決混沌系統的同步性能問題，提高通信質量與安全性。本發明的技術方案是基于數字采樣同步控制器的混沌保密通信系統，其特征在于該系統包括發送端的混沌驅動單元和發送單元、以及接收端的接收單元、混沌響應同步控制單元和解密單元，發送單元與接收單元之間由信道連接。本發明適用于保密通信技術領域。
文檔編號H04L9/00GK102957532SQ201210437279
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月5日 優先權日2012年11月5日
發明者高振華, 施云瓊, 羅丹, 曾國強, 吳火軍, 解翠翠 申請人:中國水電顧問集團華東勘測設計研究院