专利名称：基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统。适用于保密通信技术领域。
背景技术：
传统的密码技术是通信双方按预约的法则(密匙)进行信息特殊变换的一种保密手段，密匙简单则密文容易破译，密匙复杂则解密耗时较长，无法满足既安全又及时的通讯要求。混沌信号具有初值敏感性、整体稳定性、非周期随机性、连续宽带频谱、类似噪声等特征，将混沌系统作为密钥流发生器，使传输信号具有天然的隐蔽性。混沌加密的方法 与其他加密方法的不同之处是混沌加密是一种动态的加密方法，并且这种方法的计算效率很高，即可实现通信双方的实时动态加密。从理论上考虑，要破译通过混沌加密的信息可能性几乎为零，具有很高的保密性，因而混沌理论特别适用于保密通信。目前混沌保密通信研究中多采用基于混沌同步理论的保密通信系统。在发射端利用混沌电路掩盖需要保密的信息，在接收端采用混沌同步的方式解调出保密信息，此过程中的混沌系统同步是关键。由于混沌系统对初值的极端敏感性，两个相同混沌系统若初值有细微差异，经过一定的时间后就会形成两个完全不相关的状态，导致收发系统不同步，通过解密输出的信息与所传信息会截然不同，因此要求利用混沌同步通信时，接收端混沌信号必须与发射端的混沌信号严格同步，这是混沌保密通信的关键技术之一。就当前的技术而言，有以下几种方法将混沌同步理论应用于保密通信系统(I)混沌掩盖如图I所示，混沌掩盖通信是最早研究的混沌保密通信技术，它利用具有近似于高斯白噪声统计特性的混沌信号作为一种载体来掩盖所要传送的有用信息，在接收端利用同步后的混沌信号去恢复出有用的信息。混沌掩盖保密通信方式是最简单的混沌同步保密方式，所以，其实现也最为容易。但为了保证同步和有效的掩盖，发送端发送的信号中信息信号比起混沌信号应足够小，通常要小于混沌信号的十分之一。这对两个混沌系统的同步质量要求很高，信号的微小差别就有可能导致有用信息的失真甚至出错。在图I所示原理框图中，发送端通过混沌信号与有用信号的加密运算来加密有用信号。这里的加密运算通常是加法运算、乘法运算或者二者的混合运算。而在接收端的加密逆运算则正好与加密运算相反。(2)混沌键控如图2所示，混沌键控是编码器由两个或更多具有不同参数的混沌吸引子组成，利用它们在特定参数下的混沌吸引子作为所传输信息的码元信号，如“O”和“1”，它们中的一个系统被选中，并发送混沌模拟信号到信道上；在信号的接收端，相同数目相应结构、参数的混沌系统被收到的混沌模拟信号驱动，以便同步编码器所对应的混沌系统。调整参数可使在每一个码元时间内，只有一对混沌系统能同步，检测这个同步的系统即可解码原数字信息。混沌键控是目前研究得较多的一大类键控式数字通信方案，包括CKS(ChaosShift Keying), COOK (Chaotic On-Off Keying), DCSK(Differential Chaos ShiftKeying)和 FM-DCSK (Frequency Modulation Differential Chaos Shift Keying)等数字调制方式。(3)混沌参数调制如图3所示，混沌参数调制技术的基本思想是在发送端利用所传输的有用信号 来调制混沌系统的某个参数，在接收端利用混沌同步信号提取出相应的混沌系统参数，进而恢复出所传输的信号。由于这种方法是彻底的信息融入到了混沌内部，成为了混沌信号的一部分，所以这种方法的保密性最强，而且，由于是直接发送混沌信号，所以该方法的隐蔽性也非常高。当然，其对设备的要求和实现的难度也是几种方法中最大的。实现混沌保密通信的关键技术是实现混沌系统同步。因此要将混沌同步理论更好地应用于保密通信中仍有较多理论和技术上的问题需要解决。主要有一、混沌系统的同步性能问题。目前主要是在理想信道范围内进行对混沌同步通信的研究，但是若要将混沌同步通信应用于实际系统中，就必须考虑到噪声产生的干扰、传输信道的失真等对混沌同步的影响。二、混沌同步保密通信的保密性能与鲁棒性的问题。由于混沌系统之间同步的鲁棒性与保密通信系统的保密安全性是互相矛盾的，因此在实际应用中，如何平衡两者之间的关系是必须面对的难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述存在的问题，提供一种保密性好、加解密耗时短的混沌保密通信系统，缩小混沌系统发送端与接收端之间系统误差，解决混沌系统的同步性能问题，提高通信质量与安全性。本发明所采用的技术方案是基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统，其特征在于该系统包括发送端的混沛驱动单元和发送单元、以及接收端的接收单元、混沛响应同步控制单元和解密单元，发送单元与接收单元之间由信道连接，其中混沌驱动单元包括混沌电路I、电压跟随器I和切换器，混沌电路I产生混沌信号，其中一相混沌信号分为两路，一路直接进入切换器，另一路经电压跟随器I后获得该相混沌信号的反相信号进入切换器，此时，2进制明文信号也输入切换器，切换器将明文信号融入混沌信号成为带有密文的混沌信号输至发送单元；与此同时，混沌电路I的另一相混沌信号作为混沌响应同步控制单元的控制参照，直接输至发送单元；发送单元包括单片机I、接口电路I、基准电压I、接口电路II和基准电压II，接口电路I接收来自切换器的带有密文的混沌信号并将该信号发送给单片机I，接口电路II将所述作为混沌响应同步控制单元之控制参照的混沌信号发送给单片机I，接口电路I和接口电路II分别接有基准电压I和基准电压II ；接收单元包括单片机II、接口电路III、基准电压III、接口电路IV和基准电压IV，单片机II用于接收单片机I发送过来的混沌信号，单片机II将带有密文的混沌信号送入接口电路III，并调制解调出进入接口电路I之前的混沌信号，随后送入解密单元的加法电路；同时单片机II将作为同步控制参照的混沌信号送入接口电路IV，并调制解调出进入接口电路II之前的混沌信号；接口电路III和接口电路IV分别接有基准电压III和基准电压IV ；混沌响应同步控制单元包括减法电路、同步控制器、混沌电路II和电压跟随器II，减法电路、同步控制器和混沌电路II组成单变量状态反馈控制器，来自接口电路IV的作为同步控制参照的混沌信号与对应于该混沌信号的来自混沌电路II的混沌信号在减法电路中相减，其差值信号再经同步控制器转化为混沌电路II的同步控制信号，混沌电路II的另一个输出端则输出达到同步的混沌信号，该混沌信号再经电压跟随器II反相后输出至解密单元的加法电路；
解密单元包括加法电路和零阶保持器，加法电路将来自接口电路III的混沌信号和来自电压跟随器II的反相混沌信号求和，加法器求和结果为零的部分为2进制明文信号的低电位，经零阶保持器输出为0，求和结果不为零的部分是2进制明文信号的高电位，经零阶保持器输出为I。所述混沌电路I和混沌电路II主要采用运算放大器LM358和模拟乘法器MC1496并参照典型的Lorenz混沌系统数学模型搭建，并对该模型进行了简化，通过电阻负反馈将减法运算和积分运算融合到一起，简化后的混沌系统数学模型为
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为三个状态的变量，在电路中体现为X、Y、Z三相的信号；Ri、R3> R5>R7、Rn的阻值为IOkQ ;R4、R9、R12的阻值为IOOkQ ；R2的阻值为28k Ω ；R8的阻值为300 Ω ；R10的阻值为37. 5k Ω ；R6的阻值为333 Ω -,C^C^C,的电容值为IOnF。所述混沌电路I和混沌电路II中运算放大器LM358的电源线与地线间加入IOOnF的去耦电容。所述电压跟随器I和电压跟随器II均包括了运算放大器LM358，将X、Y、Z三相信号中的一相信号转换成该相信号的反相信号后送入切换器。所述接口电路I IV的电路结构完全相同，均包含反相加法器和反相比例放大器，主要由运算放大器TL082CP实现。所述减法电路主要由运算放大器LM358构成，将分别来自于混沌电路I和混沌电路II的、作为同步控制参照的两个混沌信号相减，作为同步控制器的输入。所述同步控制器通过单变量状态反馈控制算法来实现采样同步控制，同步控制器主要由运算放大器TL082CP构成，将减法电路的差值信号转化为对混沌电路II的同步控制信号，同步控制器依据的数学模型为11(e) = ~jk{y2 - V,)其中yi为混沌信号Yl的状态变量；y2为混沌信号Y2的状态变量；y2-yi表示混沌电路II与混沌电路I之间的跟踪误差；u(e)为状态反馈控制变量；C的电容值为IOnF ；k为调节增益，采用极点配置方法计算出控制器中的k值。所述单片机I和单片机II均采用型号为C8051F120单片机，单片机I和单片机II用于发送单元和接收单元间的数字传输。所述加法电路主要由运算放大器LM358构成。本发明的有益效果是本发明利用混沌键控技术对信息进行加密解密，提高典型的Lorenz混沌系统电路标度，使混沌信号的频率提高，更加有利于通信传输，提高通信质量与安全性；本发明优化典型的Lorenz混沌系统电路，在保证混沌电路能顺利输出混沌信号的前提下，减少电气元件数量，从而缩小混沌系统发送单元与接收单元之间系统误差，更加有益于工业生产与工程应用；本发明采用C8051F120单片机实现通信功能，并将混沌电路的模拟传输信号转化为数字传输信号，更加适于远距离的信号传输。本发明通过实验对比明文、密文和译文的示波图，可以明确该保密通信方案的可行性、有效性和优越性。
图I为背景技术混沌掩盖保密通信的原理图。图2为背景技术混沌键控保密通信的原理图。图3为背景技术混沌调制保密通信的原理图。图4为本发明的系统流程图。图5为本发明混沌电路I的原理图。图6为本发明混沌电路II的原理图。图7为本发明电压跟随器I的原理图。图8为本发明电压跟随器II的原理图。图9为本发明接口电路的原理图。图10为本发明单变量状态反馈同步控制器的原理图。图11为本发明减法电路的原理图。图12为本发明加法电路的原理图。图13为典型Lorenz系统电路原理图。图14为优化后的混沌电路吸引子相图(包括四幅相图)。图15为明文信号。图16为密文信号。图17为译文信号。
具体实施例方式如图4所示，本实施例为一种基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统，该系统由混沌驱动单元I、发送单元2、信道3、接收单元4、混沌响应同步控制单元5以及解密单元6组成。发送单元2与接收单元4之间由信道3连接。混沌驱动单元I由混沌电路I 1_1(主要由运算放大器LM358和模拟乘法器MC1496构成)、电压跟随器I 1-2 (主要由运算放大器LM358构成)以及切换器1-3组成，其中混沌电路I 1-1产生混沌信号Xl和Y1，混沌信号Xl —路直接进入切换器1-3，另一路经电压跟随器I 1-2后获得混沌信号Xl的反相信号后也进入切换器1-3。切换器的作用是当2进制的明文信号处于高电位时，直接输出混沌信号XI，当明文信号处于低电位时，切换器输出混沌信号Xl的反相信号。发送单元2由单片机I 2-5、接口电路I 2-1、基准电压I 2_2、接口电路II 2-3以及基准电压II 2-4组成。明文信号经切换器完成加密过程成为密文，经过接口电路I 2-1进入单片机I 2-5。混沌信号Yl作为混沌响应同步控制单元5的控制参照，直接经过接口电路II 2-3进入单片机I 2-5进行发送。本实施例采用的C8051F120单片机中，12位模\数及数\模转换器的输入输出电压范围是(T2.48V，混沌电路的信号电压范围是±3V。由于单片机接口电压与混沌电路的信号电压并不匹配，因此本实施例设计了接口电路。首先，接口电路衰减混沌信号的峰峰值，通过电阻的分压作用，将混沌信号的峰峰值衰减到原来的1/3。其次，将衰减后的混沌信号零点抬高，由基准电压分压得到原输入输出电压范围的1/2，即I. 24V，使其与被压缩过的混沌信号相融合，得到符合高频发送要求的混沌信号。本实施例中的基准电压均可在电压范围-2. 4r+2. 4V间连续可调，在保密通信系统调试过程中参与整定信号，使其满足单片机的发送要求。单片机I 2-5将混沌信号Yl和融入明文成 为密文的混沌信号Xl发送至接收单元4。接收单元4由单片机II 4-1、接口电路III 4-2、基准电压III 4-3、接口电路IV 4-4以及基准电压IV 4-5组成。单片机II 4-1的作用是接收混沌信号Yl和融入明文成为密文的混沌信号Xl。混沌信号Xl进入接口电路III 4-2，调制解调出进入接口电路I 2-1之前的混沌信号XI，送入解密单元6的加法电路6-1。混沌信号Yl进入接口电路IV 4-4，调制解调出进入接口电路II 2-3之前的混沌信号Y1，送入混沌响应同步控制单元5的减法电路5-1。本实施例中4个接口电路的电路结构完全相同，均包含反相加法器和反相比例放大器，主要由运算放大器TL082CP实现。4个基准电压也相同。混沌响应同步控制单元5由减法电路5-1 (主要由运算放大器LM358构成)、同步控制器5-2 (主要由运算放大器TL082CP构成)、混沌电路II 5-3 (主要由运算放大器LM358和模拟乘法器MC1496构成)以及电压跟随器II 5-4 (主要由运算放大器LM358构成)组成。混沌电路II 5-3与混沌电路I 1-1的元器件和型号均相同，电路结构和初值有所不同。根据混沌的特性，两个混沌电路会因初值的极其微小差异，经过几个运算周期，最终体现出完全不同的输出。即，如果不加任何控制措施，混沌电路I和混沌电路II的输出信号完全不相同。混沌响应同步控制单元5的主要作用是将混沌信号Yl作为控制参照，使得混沌电路II与混沌电路I达到完全同步，得到混沌信号X2，这是本实施例中最重要的步骤之一。混沌信号X2经过电压跟随器II 5-4反相后输出X2的反相信号。来自接口电路IV 4-4的混沌信号Yl和来自混沌电路II 5-3的混沌信号Y2都送入减法电路5-1，获得两者的差值信号，差值信号经过同步控制器5-2成为同步控制信号，作用于混沌电路II 5-3的Y2相控制端(接口位置见图10)。同步控制器5-2是通过单变量状态反馈控制算法实现同步控制，其数学模型为u(e) = --^kLv2 - Λ)其中yi为混沌信号Yl的状态变量；y2为混沌信号Y2的状态变量；y2-yi表示混沌电路II与混沌电路I之间的跟踪误差；u(e)为状态反馈控制变量；C的电容值为IOnF ；k为调节增益，采用极点配置方法计算出控制器中的k值，本实施例中k = 3. 8，由运算放大器TL082CP 实现。状态反馈控制算法的控制目标是使跟踪误差为零，即混沌信号Yl和混沌信号Y2达到同步。又由于混沌电路的特性，X、Y、Z三相之间存在强耦合关系，混沌信号Yl和混沌信号Y2达到同步会迫使混沌信号Xl和混沌信号X2达到同步；如此，达到同步的混沌信号X2可被送入解密单元6的加法电路6-1。解密单元6由加法电路6-1 (主要由运算放大器LM358构成)和零阶保持器6_2组成。加法电路6_1将混沛/[目号Xl和混沛/[目号X2的反相/[目号求和。混沛/[目号Xl和混沛/[目号X2的反相信号中完全重合的部分代表了明文信号中的高电位；混沌信号Xl和混沌信号X2的反相信号中互为镜像的部分代表了明文信号中的低电位。所以，加法电路求和结果为零的部分是明文信号中的低电位，经过零阶保持器输出为 O ;求和结果不为零的部分是明文信号中的高电位，经过零阶保持器输出为I。这样就于接收端在密文信号中解密出明文。本实施例参照的Lorenz混沌系统模型的非线性常微分方程为
x = a(y-x)i y = bx - xz — y
z-xy- cz当参数a = 10, b = 28, c = 8/3时,系统处于混沛状态。根据Lorenz系统模型搭建混沌电路，电路如图13所示，在示波器中可以看到波形缓慢的变换，通过频谱分析可以发现系统产生的信号频率过低，如果采用传统的3dB的带宽标准，混沌信号的频率不会超过100Hz，这给混沌信号的传输带来了困难。本实施例中对典型的Lorenz系统电路优化方法如下首先对电路进行标度变换，使其更适合电路实现，并确保变换后的电路依然是混沌电路。通常认为系统产生信号的频率与系统中的电容容量成反关系，为解决混沌信号频率不高的问题，本实施例中将积分器中的三个电容容值下调1000倍。变换后的混沌信号频率有所提升，高频段的总能量也一并提高。同时，高频能量在频段内相对均匀分布，这导致信号的各个频率分量的能量都比较小(均小于-13dB，符合通信要求)。这也在一定程度上体现了混沌信号的宽频谱和低功率的特性。其次本实施例为保证2个混沌电路间的参数匹配，选用千分之一精度的精密电阻和误差值在±0. InF以内的CBB电容来搭建电路，使得混沌电路I和混沌电路II中相应参
数误差小于百分之一。最后为便于工业生产与工程应用，本实施例进一步简化混沌电路。由于混沌的特性决定了混沌电路对元件参数极其敏感。而在典型的混沌电路中，使用了较多的电阻、电容以及运算放大器，这对于元件参数的匹配很不利，即便是使用军用级别的电路元件，微小误差会通过电路逐级放大，导致两个混沌系统不能很好同步。所以需要对电路进行简化，通过电阻负反馈将减法运算和积分运算融合到一起，减少元件的个数。本实施例简化后的混沌系统数学模型为
权利要求
1.一种基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统，其特征在于该系统包括发送端的混沌驱动单元和发送单元、以及接收端的接收单元、混沌响应同步控制单元和解密单元，发送单元与接收单元之间由信道连接，其中 混沌驱动单元包括混沌电路I、电压跟随器I和切换器，混沌电路I产生混沌信号，其中一相混沌信号分为两路，一路直接进入切换器，另一路经电压跟随器I后获得该相混沌信号的反相信号进入切换器，此时，2进制明文信号也输入切换器，切换器将明文信号融入混沌信号成为带有密文的混沌信号输至发送单元；与此同时，混沌电路I的另一相混沌信号作为混沌响应同步控制单元的控制参照，直接输至发送单元； 发送单元包括单片机I、接口电路I、基准电压I、接口电路II和基准电压II，接口电路I接收来自切换器的带有密文的混沌信号并将该信号发送给单片机I，接口电路II将所述作为混沌响应同步控制单元之控制参照的混沌信号发送给单片机I，接口电路I和接口电路II分别接有基准电压I和基准电压II ； 接收单元包括单片机II、接口电路III、基准电压III、接口电路IV和基准电压IV，单片机II用于接收单片机I发送过来的混沌信号，单片机II将带有密文的混沌信号送入接口电路III，并调制解调出进入接口电路I之前的混沌信号，随后送入解密单元的加法电路；同时单片机II将作为同步控制参照的混沌信号送入接口电路IV，并调制解调出进入接口电路II之前的混沌信号；接口电路III和接口电路IV分别接有基准电压III和基准电压IV ； 混沌响应同步控制单元包括减法电路、同步控制器、混沌电路II和电压跟随器II，减法电路、同步控制器和混沌电路II组成单变量状态反馈控制器，来自接口电路IV的作为同步控制参照的混沌信号与对应于该混沌信号的来自混沌电路II的混沌信号在减法电路中相减，其差值信号再经同步控制器转化为混沌电路II的同步控制信号，混沌电路II的另一个输出端则输出达到同步的混沌信号，该混沌信号再经电压跟随器II反相后输出至解密单元的加法电路； 解密单元包括加法电路和零阶保持器，加法电路将来自接口电路III的混沌信号和来自电压跟随器II的反相混沌信号求和，加法器求和结果为零的部分为2进制明文信号的低电位，经零阶保持器输出为O，求和结果不为零的部分是2进制明文信号的高电位，经零阶保持器输出为I。
2.根据权利要求I所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述混沌电路I和混沌电路II主要采用运算放大器LM358和模拟乘法器MC1496并参照典型的Lorenz混沌系统数学模型搭建，并对该模型进行了简化，通过电阻负反馈将减法运算和积分运算融合到一起，简化后的混沌系统数学模型为
3.根据权利要求2所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述混沌电路I和混沌电路II中运算放大器LM358的电源线与地线间加入IOOnF的去耦电容。
4.根据权利要求I所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述电压跟随器I和电压跟随器II均包括了运算放大器LM358,将X、Y、Z三相信号中的一相信号转换成该相信号的反相信号后送入切换器。
5.根据权利要求I所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述接口电路I IV的电路结构完全相同，均包含反相加法器和反相比例放大器，主要由运算放大器TL082CP实现。
6.根据权利要求I所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述减法电路主要由运算放大器LM358构成，将分别来自于混沌电路I和混沌电路II的、作为同步控制参照的两个混沌信号相减，作为同步控制器的输入。
7.根据权利要求6所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述同步控制器通过单变量状态反馈控制算法来实现采样同步控制，同步控制器主要由运算放大器TL082CP构成，将减法电路的差值信号转化为对混沌电路II的同步控制信号，同步控制器依据的数学模型为uie) =-J-JiKy2-) 其中yi为混沌信号Yl的状态变量；y2为混沌信号Y2的状态变量；y2-yi表示混沌电路II与混沌电路I之间的跟踪误差；u(e)为状态反馈控制变量；C的电容值为IOnF ；k为调节增益，采用极点配置方法计算出控制器中的k值。
8.根据权利要求I所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述单片机I和单片机II均采用型号为C8051F120单片机，单片机I和单片机II用于发送单元和接收单元间的数字传输。
9.根据权利要求I所述的混沌保密通信系统，其特征在于所述加法电路主要由运算放大器LM358构成。
全文摘要
本发明涉及一种基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统。本发明的目的是提供一种保密性好、加解密耗时短的混沌保密通信系统，缩小混沌系统发送端与接收端之间系统误差，解决混沌系统的同步性能问题，提高通信质量与安全性。本发明的技术方案是基于数字采样同步控制器的混沌保密通信系统，其特征在于该系统包括发送端的混沌驱动单元和发送单元、以及接收端的接收单元、混沌响应同步控制单元和解密单元，发送单元与接收单元之间由信道连接。本发明适用于保密通信技术领域。
文档编号H04L9/00GK102957532SQ201210437279
公开日2013年3月6日 申请日期2012年11月5日 优先权日2012年11月5日
发明者高振华, 施云琼, 罗丹, 曾国强, 吴火军, 解翠翠 申请人:中国水电顾问集团华东勘测设计研究院