基于文氏电桥的超混沌保密通信及其

404Proceedingsofthe26thChineseControlConferenceJuly26-31,2007,Zhangjiajie,Hunan,China基于文氏电桥的超混沌保密通信及其DSP实现*禹思敏1，吕金虎21.广东工业大学自动化学院，广州510090E-mail:[e-mail]2.中国科学院数学与系统科学研究院，北京100080E-mail:[e-mail]摘要：基于一个典型的文氏电桥混沌振荡器，应用非线性环状耦合的方法，我们提出了一种新的超混沌保密通信方案。具体而言，我们通过构建一个包含信号的闭合环路，对有用信息进行加密，实现发送端与接收端之间的超混沌系统的同步，昀后在接收端解调出原信号。利用数字化处理技术，通过对系统的连续时间无量纲状态方程进行离散化处理和变量比例变换，我们提出了用DSP技术实现该方案的一般设计原理，并给出了硬件实现结果。昀后，基于DSP平台，我们提出了一种具有实际应用价值的语音混沌保密通信的方案。关键词：文氏电桥，非线性环形耦合，混沌通信，DSP实现HyperchaoticSecreteCommunicationBasedonWien-BridgeCircuitanditsDSPRealizationYuSimin1，LüJinhu21.CollegeofAutomation，GuangdongUniversityofTechnology，Guangzhou510090，P.R.ChinaE-mail:[e-mail]ystemsScience，ChineseAcademyofSciences，Beijing100080，P.R.ChinaE-mail:[e-mail]:BasedonatypicalchaoticWien-bridgeoscillator，weproposeanovelhyperchaoticsecretecommunicationapproachbyusingthenonlinearringcouplingtechnique.Indetail，wefirstlyconstructaloopwithsignal，thenencrypttheusefulinformationandrealizethehyperchaoticsynchronizationbetweensenderandreceiver，andfinallydemodulatetheoriginalsignalattheend.Byusingdigitalprocessingtechnology，discretingstatevariableofcontinuoustimeequationwithoutdimensionlessandratiotransformation，wepresentthegeneraldesignprinciplesbasedontheDSPtechnologyandsomeexperimentalresults.Moreover，basedonDSPplatform，weproposeavoicesecretecommunicationmethodwithveryhighpracticalvalue.KeyWords:Wien-bridgecircuit，Nonlinearringcoupling，Chaoscommunication，DSPrealization1引言(Introduction)近半个世纪以来，人们对混沌运动的自然规律及其在自然科学和社会科学中的表现有了广泛而深刻的认识[1-10]。混沌的发展经历了从认识了解到深化研究的不同阶段，但如何应用混沌研究的成果为人类服务已经成为21世纪非线性科学发展所面临的挑战。混沌在保密通信中的应用是近年来混沌直接为人类服务的重要发展方向之一。它的起源应该追溯到1990年Pecora和Carroll提出的混沌同步的概念。近年来，混沌理论在保密通信中的应用获得了长足的发展，如混沌掩盖、混沌参数调制、混沌键控、混沌扩频、混沌数字码分多址等。目前，对混沌通信的研究已从以往单纯的计算机模拟和电路实验研究阶段逐步转入当前的实际工程应用，如欧洲一些学者昀近所提出的FM-DCSK、调频式差分混沌键控无线通信、直扩式混沌数字码分多址通信、混沌脉冲位置调制通信等[5-8]。在混沌电子电路的研究方面，人们已设计出诸多不同类型的混沌电路，为混沌通信真正走向实际应用提供了物质基础和实现平台[1]。本文提出了一种文氏电桥非线性环状耦合的超混沌保密通信方法。文氏电桥超混沌保密通信的主要工作原理是:基于两个文氏振荡器，使它们的两个振荡频率之比为某个无理数，并处于失谐状态，再通过非线性电阻的耦合来产生超混沌振荡[9]。在此基础上，利用非线性环形耦合的方法，构建一个包括信号在内的闭合环路，利用两路超混沌信号对信号加密。该方案在发送系统与接收系统参数严格匹配时，可实现发送端与接收端之间超混沌系统的同步，从而能在接收端恢复出原信号。在技术实现方面，由于用模拟电子电路实现时，电子元器件参数的离散性较大，存在发送系统与接收系统之间的电路参数失配问题，还原出信号的保真度得不到保证。解决方案之一是采用数字化处理技术，对连续时间无量纲状态方程进行离散化处理和变量比例变换，用DSP技术实现超混沌保密通信。我们给出了该方案的一般设计原理与硬件实现结果。这些基本原理可以进一步推广到类似系统的混沌保密通信中去，具有广泛的实际应用价值。我们将从以下几个方面具体介绍本文的主要工作。第2节介绍了文氏电桥非线性环形耦合超混沌振*此项工作得到国家自然科学基金资助，项目批准号：20336040，60221301，60572073；中国科学院优秀博士学位论文、院长奖获得者专项基金；中国科学院知识创新工程重要方向项目,项目批准号:KJCX3-SYW-S01；广东省自然科学基金32469，5001818；广州市科技计划项目2004J1-C0291。405荡器与信号加密的基本工作原理。第3节详细介绍了保密通信系统的具体构成。第4节和第5节分别介绍了系统的离散化与DSP硬件实现以及部分实验结果。昀后，第6节简要的总结了本文的主要工作。2文氏电桥非线性环形耦合超混沌振荡器与信号加密(HyperchaoticOsillatorofNonlinearCircleCouplingWien-BridgeCircuitandItsSignalEncryption)我们提出的文氏电桥超混沌信号加密器的电路如图1所示。该电路是在文氏电桥超混沌振荡器的基础上，通过非线性环状耦合的方法，构建一个包括信号在内的闭合环路来实现的。与原来的文氏电桥超混沌振荡器的主要区别是:在图1中，通过两个文氏电桥振荡器①和②、两个非线性电阻NR、两个跟随器NF和一个加法器Adder构成了包括信号)(ts在内的非线性耦合逆时钟闭合环路。利用跟随器NF，将加密后的输出信号)(tp通过支路①中的非线性电阻NR单方向耦合到文氏电桥②，而混沌信号)(3tVC则通过支路②中的非线性电阻NR单方向耦合到文氏电桥①。此外，为了进一步增加破译的难度，利用两个超混沌信号)(1tVC和)(3tVC同时对有用信号)(ts加密，产生加密后的信号)(])([)()()()(311tsCtVKtVtQtVtPCCC⋅++=+=为保证注入信号)(ts后电路仍处于超混沌状态并且有较好的信息安全性，要求衰减系数K较小，满足3110~)(/)(tQtVC。此外，为避免在接收端解调时出现除数为0而造成信息失真的情况，常数C的取值应满足0)(3+CtVC。图1中NR的伏安特性为()(1/)0.5(1/1/)DDDDDDTHDTHIFVrVRrVVVV==+−⎡+−−⎤⎣⎦如图2所示。其中DI为流过NR的电流，DV为NR两端的电压，R为并联可调电阻，改变R的大小，可改变中间区域的斜率，0DDnrr=为),2,1(=nn个二极管串联时总的导通电阻，0Dr为单个二极管的导通电阻，0THTHnVV=为n个二极管串联时总的导通电压值，0THV为单个二极管的导通电压值。可根据需要选择串联二极管的个数来调节THV和Dr的大小。图1文氏电桥超混沌信号加密器图2NR的伏安特性3保密通信系统的构成(StructureoftheSecreteCommunicationSystem)在图1的基础上，我们提出一种用文氏电桥超混沌振荡器构成的保密通信系统，如图3所示。该通信系统由发送端混沌系统、信道和接收端混沌系统三个部分组成。发送端混沌系统为文氏电桥超混沌信号加密器，其工作原理如上所述。根据非线性环形耦合的原理，首先将加密器的输出)(tP通过信道和NR单向耦合到接收端混沌系统的文氏电桥④中，同时又将)(tP通过NR单向耦合到发送端混沌系统的文氏电桥②中。这种方案的主要特点是，文氏电桥②和④受到同一信号)(tP的驱动，当发送端混沌系统和接收端混沌系统的参数严格匹配时，可实现两个混沌系统之间的严格同步，通过接收端混沌系统的逆运算后，能将信号)(ts恢复出来。4系统的离散化与DSP硬件实现(SystemDiscretingandItsDSPHardwareRealization)DSP(DigitalSignalProcessor)是一种用于实时、快速实现各种数字信号处理算法的器件。目前主要有DSP2000系列(如TMS320C2812等)、DSP5000系列(如TMS320C5509等)、DSP6000系列(如TMS320C6416和TMS320C6713等)。DSP6000系列是目前用于语音数字通信与信号处理的高档产品。因此，在本实验中，我们采用了两款北京合众达公司生产的DSP6000系列中的SEED-DEC6713来实现图3所示的语音保密通信，其中的一款用于实现图3中发送端混沌系统的加密，另一款则用于实现图中接收端混沌系统的解密，信道则是用通信线路将两款DSP的I/O口连接起来，实现发送端混沌系统与接收端混沌系统之间的同步与通信。在SEED-DEC6713中，除了用于通信所必备的I/O口等其它部件外，还包括以下两个主要部件:(1)高性能的32位浮点运算DSP芯片TMS320C6713，主频昀高可达300MHz，处理性能高达2400MIPS，完全能满足本实验的要求;(2)高性能立体声音频编码解码(Codec)芯片TLV320AIC23B，该芯片既可用于A/D转换，将两路模拟立体声语音信号转换成离散信号，又可用于D/A转换，将两路离散语音信号或离散NF(2)NR406混沌信号转换成模拟信号，昀后送到示波器上，可显示语音信号和混沌信号的时域波形以及混沌吸引子的相图。采用两款北京合众达公司生产的SEED-DEC6713来实现图3所示的语音混沌保密通信实验系统。图中左边的DSP用于发送端的混沌加密，加密后的信号通过图中的输出口输出。图3中右边的DSP则用于接收端的混沌解密。用通信线路将图中的输出口和输入口连接起来，可将发送端输出的加密信号传输到接收端，从而实现图3所示的语音混沌保密通信。为了能在DSP平台上实现语音混沌保密通信，首先，可根据图3写出关于电路的无量纲状态方程，并作比例扩张变换。其次，对连续时间混沌方程作离散化处理。昀后，通过选取适当的离散化参数和变量比例扩张系数，从而满足系统离散化的要求，限于篇幅，这些内容不再列出。图3用文氏电桥超混沌振荡器构成的保密通信系统图4在SEED-DEC6713平台上实现语音混沌保密通信的原理框图5DSP技术实现与硬件实验结果(DSPTechnologyRealizationandExperimentalResults)图4为基于SEED-DEC6713平台的语音混沌保密通信原理框图。该系统的工作原理与实现过程如下：①利用立体声音频编码解码(Codec)芯片TLV320AIC23B将输入的语音信号)(ts转换成离散信号)(ns。②任意给