專利名稱：：基于fpga的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明是一種基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，屬于混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)設(shè)計方法的改造技術(shù)。
背景技術(shù)：
：現(xiàn)有近十多年來，國際上對混沌系統(tǒng)的同步問題進(jìn)行了較為廣泛深入的研究。1990年，美國海軍實驗室研究人員Pecora和Carroll等人的研究結(jié)果表明，在一個混沌信號的驅(qū)動下，兩個混沌系統(tǒng)之間可能達(dá)到自同步狀態(tài)。在這個基礎(chǔ)上5利用混沌的自同步特性來實現(xiàn)保密通信的方法得到越來越多的研究，其中主要有混沌掩蓋、混沌鍵控、混沌參數(shù)調(diào)制、混沌擴(kuò)頻、混沌碼分多址以及數(shù)字混沌通信技術(shù)等等。盡管如此，混沌保密通信還存在F面一些問題(1)對連續(xù)混沌系統(tǒng)而言，由于電路元件的生產(chǎn)精度有限，參數(shù)不可能完全一致，必然導(dǎo)致收發(fā)雙方混沌系統(tǒng)的差異，從而影響通信的性能。(2)采用在混沌信號中加入小幅度的原始信號的混沌保密通信技術(shù)，為了實現(xiàn)有效的自同步，往往需要原始信號功率相對混沌信號功率很弱，這樣，經(jīng)混沌解密后的信噪比大大降低；同時，這種方案在原則上可以通過線性濾波器來實現(xiàn)解密，因而還不夠保密。(3)混沌系統(tǒng)的自同步特性允許收發(fā)系統(tǒng)的參數(shù)存在一定的不同，使得在系統(tǒng)參數(shù)大致了解的情況下就可能基本恢復(fù)信號，這必然會降低通信的保密性?；煦缦到y(tǒng)作為PRNG(PseudoRandomNumberGeneration)產(chǎn)生傳統(tǒng)密碼算法的密鑰，從傳統(tǒng)密碼算法這一點來看類似于一次一密，而從整個系統(tǒng)來看，本質(zhì)上是將傳統(tǒng)密碼算法的密鑰空間拓展為混沌系統(tǒng)的參數(shù)和初值空間。與各種混沌加密方法相比，這種加密思路具有創(chuàng)造性，極賦生命力。如何把傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)加密算法與混沌加密算法相結(jié)合，應(yīng)用于加密通信具有重要意義，是混沌加密通信發(fā)展的重要方向。眾所周知，數(shù)字通信系統(tǒng)以其抗干擾能力強(qiáng)，易于加密，易于大規(guī)模集成等特點，在通信行業(yè)中將取代模擬通信而占主要地位。而且，數(shù)字混沌系統(tǒng)比較模擬混沌系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，保密性能高等優(yōu)勢，混沌信號是由確定性方程產(chǎn)生的類似隨機(jī)寬頻譜信號，具有優(yōu)良的相關(guān)特性?；煦缧蛄袕?fù)雜、難以長期預(yù)測，并且只需更改系統(tǒng)參數(shù)和狀態(tài)初值即可獲得大量的優(yōu)良序列，因此混沌序列特別適合在保密通信和信息加密領(lǐng)域中應(yīng)用。因而，混沌技術(shù)在數(shù)字保密通信中的應(yīng)用研究也就更具有現(xiàn)實意義。目前，數(shù)字混沌保密通信技術(shù)的研究大都基于一維和二維混沌系統(tǒng)。有研究表明低維混沌系統(tǒng)保密性是不夠的，而且很難實現(xiàn)自同步。因此有必要探索基于高維混沌系統(tǒng)乃至超混沌的自同步加密方法?，F(xiàn)有混沌保密通信還存在下面一些問題(1)對連續(xù)混沌系統(tǒng)而言，由于電路元件的生產(chǎn)精度有限，參數(shù)不可能完全一致，必然導(dǎo)致收發(fā)雙方混沌系統(tǒng)的差異，從而影響通信的性能。(2)釆用在混沌信號中加入小幅度的原始信號的混沌保密通信技術(shù)，為了實現(xiàn)有效的自同步，往往需要原始信號功率相對混沌信號功率很弱，這樣，經(jīng)混沌解密后的信噪比大大降低；同時，這種方案在原則上可以通過線性濾波器來實現(xiàn)解密，因而還不夠保密。(3)混沌系統(tǒng)的自同步特性允許收發(fā)系統(tǒng)的參數(shù)存在一定的不同，使得在系統(tǒng)參數(shù)大致了解的情況下就可能基本恢復(fù)信號，這必然會降低通信的保密性。此外，在目前國內(nèi)外許多有關(guān)混沌通信的文獻(xiàn)中，其研究范圍大多是局限于計算機(jī)仿真和電路仿真而比較缺少對硬件實驗尤其是混沌數(shù)字通信硬件實驗方面的詳細(xì)報道。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于考慮上述問題而提供一種實時性好，具有較高的保密性的基于FPGA的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法。本發(fā)明實現(xiàn)了混沌加密體制與傳統(tǒng)密碼體制的相結(jié)合，基本上實現(xiàn)了"一次一密"的加密體制，本發(fā)明設(shè)計的保密通信系統(tǒng)不僅可以用于語音保密通信，還可以傳送機(jī)密的二進(jìn)制文件，只要是能表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以進(jìn)行保密通信，本發(fā)明設(shè)計的系統(tǒng)可運(yùn)用圖像加密/解密和通過以太網(wǎng)傳輸。本發(fā)明的技術(shù)方案是本發(fā)明基于FPGA的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，其包括有如下步驟1)通過FPGA硬件對連續(xù)混沌系統(tǒng)作離散化處理；2)通過FPGA硬件設(shè)計混沌離散系統(tǒng)，使其在一定精度下產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，采用該數(shù)字混沌序列作為密鑰；3)以混沌離散系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計驅(qū)動響應(yīng)式同步保密通信系統(tǒng)，構(gòu)建一個信號在內(nèi)的閉環(huán)回路，用網(wǎng)格狀蔡混沌實現(xiàn)兩塊FPGA開發(fā)板的有限數(shù)字語音通信，實現(xiàn)基于網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)的實時語音保密通信系統(tǒng)的設(shè)計。上述步驟3)基于網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)的實時語音保密通信系統(tǒng)的設(shè)計過程如下建立網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)動力學(xué)方程:<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage9</formula>(1)式中",A，mo，mj為參數(shù)"=8.5~10，-=16，附0=0.5,^=0.25;典型值為對(1)式歸一化和離散化后的2x2網(wǎng)格狀多渦巻蔡氏吸引子的無量綱狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage9</formula>式中a，b，c,d，e，f,g，h,k為方程參數(shù)，(2)發(fā)端網(wǎng)格狀蔡氏電路的狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(3)收端網(wǎng)格狀蔡氏電路的狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(4)其中<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>，冠密后的語音信號<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>。通過配置語音芯片，模擬語音信號經(jīng)過取樣、、編碼變成16位串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，根據(jù)控制時鐘把16位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位的并行數(shù)據(jù)，這16位數(shù)字語音信號用行向量表示S=[S15S14…《S。]?；跀?shù)字語吝信號置亂擴(kuò)展機(jī)理。利用網(wǎng)格狀蔡系統(tǒng)的混沌序列構(gòu)造規(guī)則的矩陣P，在此稱為置亂擴(kuò)展矩陣。戶是一個WXW矩陣，表達(dá)式為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage10</formula>(5)其中m的取值與并行語音信號位數(shù)相同，所以m-16。由于采用的是IEEE-754浮點數(shù)雙精度標(biāo)準(zhǔn)，所以取打二64;16位語音信號行向量S=p15S4…SS。]與P矩陣進(jìn)行相乘就可以把并行語音信號進(jìn)行置亂擴(kuò)展，表達(dá)式如下:<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>=[M63M62…M,M0]M就是經(jīng)置亂擴(kuò)展后的隱藏了語音的64位并行信號，采用混沌密鑰X(n)對此并行信號進(jìn)行加密的過程為C=X()@M，得密文C=[C63C62…C,QJ，在加密的過程中根據(jù)密鑰的指數(shù)不同選擇置亂擴(kuò)展矩陣P,這樣就可以使語音信號的置亂度進(jìn)一步提高，抗破譯性增強(qiáng)，具體方法是把P矩陣分為g和A兩部分，即<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage11</formula>式中12附216;在(9)式中，s和S相乘得到^=[Af63，M62M50M49]，這些位和混沌密鑰的符號位、指數(shù)位、尾位的前四位要進(jìn)行異或得到的部分密文C,[CwC62...C5QC49],由于密文還要作為系統(tǒng)的迭代值，所以這些位是不能改變的，否則混沌吸引子將會收斂或發(fā)散；A矩陣是由單位矩陣l空初等變換而來，所以尸2每一行必定有一個單位1，每一列最多只能有一個單位1，滿足這樣條件的g矩陣總共有《6(約為5xl025)種，在加密的時候根據(jù)指數(shù)的大小來選擇不同的矩陣，這樣語音信號就可以很好的隱藏；密碼分析者就很難知道語音信號和混沌密鑰異或的具體的位置，因為異或位置根據(jù)指數(shù)隨時在變，只有系統(tǒng)設(shè)計者才知道指數(shù)和矩陣對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，這樣就是系統(tǒng)的安全性大大的提高；解密算法是上述加密算法的逆過程，解密過程為似=^'()@€";根據(jù)x'(")的指數(shù)e'(n)來選擇P矩陣，因為尸是奇異矩陣，所以存在尸的逆矩陣尸-、那么解密后的語音S、Mxf;加密算法和解密算法從結(jié)構(gòu)上來說，它是一種對稱的算法；一是構(gòu)造置亂擴(kuò)展矩陣，二是混沌序列的產(chǎn)生釆用了IEEE-754的浮點數(shù)算法標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生的義(")，Z(M)混沌序列具有更強(qiáng)的偽隨機(jī)特性，三是根據(jù)混沌序列的指數(shù)選擇置亂擴(kuò)展矩陣，從而提高語音數(shù)據(jù)流置亂程度和算法的破譯難度；網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)和初始值高度敏感性，使得算法的密鑰空間非常大，使加密者可以隨意地選擇密鑰，這樣的選擇可以使算法有著幾乎-次一密的安全特性。本發(fā)明由于采用提出將混沌掩蓋、混沌調(diào)制和數(shù)字混沌通信技術(shù)相結(jié)合的一種新的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，并且用FPGA硬件實現(xiàn)，硬件實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實時性好，較高的保密性，克服了連續(xù)混沌系統(tǒng)的缺點。本發(fā)明將網(wǎng)格狀蔡離散混沌系統(tǒng)、混沌調(diào)制與明文置亂擴(kuò)展技術(shù)進(jìn)行有效地相結(jié)合，設(shè)計一種保密性更強(qiáng)、密鑰空間更大、加密效率更高、適應(yīng)現(xiàn)代密碼體制要求的數(shù)字加密方法。這些基本原理可以進(jìn)一步推廣到類似系統(tǒng)的混沌保密通信中去，具有廣泛的實際應(yīng)用價值。本發(fā)明可應(yīng)用于實際的保密通信系統(tǒng)，其硬件設(shè)計較為完備，軟件設(shè)計可行，保密性強(qiáng)，在混沌數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)中，數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生是很重要的一個方面，它產(chǎn)生的方法直接影響到通信系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。采用IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的浮點運(yùn)算來產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，可以極大地加大混沌序列的復(fù)雜度。本發(fā)明提出的基于IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)和FPGA技術(shù)的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了混沌加密體制與傳統(tǒng)密碼體制的相結(jié)合。給出了一種基于網(wǎng)格狀蔡三維混沌系統(tǒng)的置亂擴(kuò)展混沌加密算法。并用數(shù)字語音信號進(jìn)行了FPGA硬件實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時性好，較高的保密性，克服了連續(xù)混沌系統(tǒng)的缺點。本發(fā)明的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)，不僅可以用于語音保密通信，還可以傳送機(jī)密的二進(jìn)制文件，只要是能表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以進(jìn)行保密通信，本發(fā)明設(shè)計的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)可運(yùn)用圖像加密/解密和通過以太網(wǎng)傳輸。本發(fā)明是一種方便實用的基于FPGA的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法。圖l為本發(fā)明設(shè)計數(shù)字保密通信系統(tǒng)的原理圖；圖2為本發(fā)明語音傳輸保密通信硬件實驗系統(tǒng)；圖3為本發(fā)明兩塊FPGA加密語音信號的串口傳輸原理圖4為本發(fā)明加密算法原理圖5為本發(fā)明解密算法原理圖。具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明1.混沌自同步與數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計混沌系統(tǒng)是一種高度復(fù)雜的非線性動態(tài)系統(tǒng)，具有對初始條件和混沌參數(shù)非常敏感，生成的混沌序列具有非周期性、寬噪聲和偽隨機(jī)性的特性。因此，混沌系統(tǒng)可被應(yīng)用于保密通信領(lǐng)域，也可以作為加密的一種方法。序列密碼是密碼學(xué)中重要的加密方式之一，序列密碼體制由于其對信號加密的時延小、無誤碼擴(kuò)散等特點，廣泛應(yīng)用于數(shù)字加密通信系統(tǒng)，適合于各種信道傳輸質(zhì)量的場合?；煦缧蛄屑用芊椒ɡ没煦缧蛄械姆侵芷诤蛡坞S機(jī)特性，把混沌序列作為密鑰流(用二進(jìn)制表示)和原始明文序列(用二進(jìn)制表示)逐位進(jìn)行異或所得的結(jié)果作為密文。基于序列密碼體制的數(shù)字保密通信系統(tǒng)原理圖如圖l所示。數(shù)字加密通信系統(tǒng)主要包括信源編碼模塊、加密算法模塊、混沌驅(qū)動系統(tǒng)序列密碼發(fā)生器模塊、密碼同步檢測模塊、解密算法模塊、參數(shù)調(diào)制模塊、混沌響應(yīng)系統(tǒng)序列密碼發(fā)生器模塊、信源解碼模塊等部分，各個部分的作用如下。信源編碼模塊在發(fā)送端將模擬信號進(jìn)過取樣、量化、編碼變成二進(jìn)制數(shù)字序列送加密算法模塊。加密算法模塊一般采用異或運(yùn)算，在發(fā)送端，它將來自信源編碼的二進(jìn)制數(shù)字序列與密碼序列進(jìn)行異或運(yùn)算產(chǎn)生密文序列。加密完成后在通知驅(qū)動系統(tǒng)迭代一次，這樣就可以保證數(shù)據(jù)的完整性，同時基本實現(xiàn)一次一密的密鑰體制?；煦珧?qū)動系統(tǒng)序列密碼發(fā)生器模塊的主要功能是產(chǎn)生用于加密的密碼序列，它是數(shù)字加密通信系統(tǒng)中加密可靠性的核心部分，包括加密序列的產(chǎn)生(在發(fā)送端用于對明文的加密)，因為是自同步系統(tǒng)，所以加密后的混沌序列還要作為驅(qū)動系統(tǒng)的迭代值。解密算法模塊也是采用異或運(yùn)算，在接受端，則將密文序列與密碼序列進(jìn)行異或運(yùn)算還原成二進(jìn)制明文序列。密碼同步檢測模塊主要是產(chǎn)生密碼同步信號來驅(qū)動響應(yīng)系統(tǒng)密碼發(fā)生器模塊，用于對收方的密碼序列產(chǎn)生器的狀態(tài)進(jìn)行更新，置入和驅(qū)動系統(tǒng)相同的初始值，使解密方的響應(yīng)系統(tǒng)自同步。它的工作原理是判斷從經(jīng)信道傳輸?shù)拿芪氖欠裨撟?，如果變化了，就產(chǎn)生一個驅(qū)動信號，一方面是驅(qū)動?xùn)|響應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行下一次迭代，另一方面是驅(qū)動解密算法模塊進(jìn)行解密?；煦珥憫?yīng)系統(tǒng)序列密碼發(fā)生器模塊的主要功能是產(chǎn)生用于解密的密碼序列，當(dāng)它接收到密碼同步檢測模塊生成的密碼同步驅(qū)動信號，響應(yīng)系統(tǒng)就迭代一次。信源編碼模塊在接收端則把二進(jìn)制數(shù)字還原為模擬信號，再經(jīng)過直流分量濾波。為了進(jìn)一步提高混沌系統(tǒng)的保密性能，我們還可以把上述的方案拓展到高階級聯(lián)混沌同步系統(tǒng)。限于篇幅我們在這將不在講述。2.基于網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)的實時語音保密通信系統(tǒng)的設(shè)計現(xiàn)以網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)為例，對上述的保密通信系統(tǒng)進(jìn)行FPGA硬件實驗，并通過語音數(shù)字保密通信來進(jìn)行驗證這個系統(tǒng)。值得注意的一點是，上述的系統(tǒng)對能自同步的混沌系統(tǒng)都是適用的。網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)是三維多渦卷混沌系統(tǒng)，以該系統(tǒng)生成加密混沌序列有三大優(yōu)點一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較一般的三維系統(tǒng)復(fù)雜，當(dāng)然也比低維系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)變量的實數(shù)值序列更不可預(yù)測；二是采用了IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的混沌序列更具有隨機(jī)性，使得加密序列的設(shè)計非常靈活；三是該系統(tǒng)的可以實現(xiàn)自同步，即使在驅(qū)動和響應(yīng)系統(tǒng)初始值不一樣的時候也可以正確的解密，這就說明了在數(shù)據(jù)有部分傳輸錯誤的時候，將不影響視聽效果，若設(shè)計過程中再加入部分控制變量，加密算法的密鑰空間將大大高于低維混沌系統(tǒng)。網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)動力學(xué)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage16</formula>式中"，"，m。，/^為系統(tǒng)參數(shù)，典型值為"=8.5~10，-=16，=0.5，^=0.25;網(wǎng)格狀蔡三維系統(tǒng)需要用數(shù)值積分來求得實數(shù)值混沌序列。典型的數(shù)值積分法有Euler算法、改進(jìn)Euler算法和Runge-Kutta法。這三種離散化的方法各有優(yōu)缺點，Runge-Kutta法精度較高，但用FPGA實現(xiàn)時需耗費(fèi)很大的硬件資源，只有一些較簡單的混沌系統(tǒng)才能使用這一方法。若在芯片型號為EP2C35F672C6的DE2開發(fā)平臺上產(chǎn)生網(wǎng)格狀多渦卷混沌吸引子，由于受到硬件資源限制，只能用Euler算法來對(1)式作離散化處理。根據(jù)(l)式，經(jīng)推導(dǎo)，得離散化后的迭代方程(或差分方程)。首先對(1)式歸一化和離散化后的2x2網(wǎng)格狀多渦卷蔡氏吸引子的無量綱狀態(tài)方程為x(w+1)二+(/2)+csgn(x(w))+<isgn(y<y(w+1)=++z(w+1)二O)+A;sgn(y())+(w)式中a,b，c，d，e，f,g，h，k為方程參數(shù)，它們的十進(jìn)制格式與IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)下的雙精度格式之間的關(guān)系如表1所示。表1網(wǎng)格狀多渦卷2x2蔡氏吸引子參數(shù)的十進(jìn)制格式與雙精度格式的對應(yīng)關(guān)系<table>complextableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>根據(jù)2x2網(wǎng)格狀多渦卷蔡氏吸引子的無量綱狀態(tài)方程我們設(shè)計網(wǎng)格狀蔡氏電路同步系統(tǒng)。網(wǎng)格狀蔡氏電路驅(qū)動系統(tǒng)的狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage18</formula>網(wǎng)格狀蔡氏電路響應(yīng)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage18</formula>DE2的音頻輸入/輸出由Wolfson公司的低功耗立體聲音頻編/解碼芯片WM8731完成。WM8731的音頻采樣速率為8一96kHz可調(diào)；支持四種音頻數(shù)據(jù)模式；數(shù)據(jù)位可以是16位或32位。包括了線路輸入、麥克風(fēng)輸入及耳機(jī)輸出。兩路線路輸入能以1.5dB的步距在+12~34.5dB范圍內(nèi)進(jìn)行對數(shù)字音量調(diào)節(jié)，完成A/D轉(zhuǎn)換后，還可以進(jìn)行高通數(shù)字濾波，有效去除輸入的直流成分。音頻的數(shù)據(jù)傳輸是串行傳輸，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器輸出，可以直接驅(qū)動線路輸出，也可以通過音響放大輸出，以驅(qū)動音響。實時語音混沌加密通信系統(tǒng)如圖2所示。在發(fā)送端，首先把模擬語音信號以48K釆樣頻率經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)據(jù)比特流，在經(jīng)串/并轉(zhuǎn)換成明文數(shù)據(jù)流，然后，在發(fā)送端，將語音信號數(shù)據(jù)流與混沌序列之和取模運(yùn)算后得到密文序列再嵌入驅(qū)動系統(tǒng)混沌映射的輸入端進(jìn)行迭代運(yùn)算以實現(xiàn)調(diào)制；在接收端，把通過信道傳輸?shù)拿芪男蛄幸环矫嬉鳛轫憫?yīng)系統(tǒng)混沌映射的輸入值，一方面要響應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌序列進(jìn)行異或運(yùn)算解密，還原成二進(jìn)制語音流，最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換而恢復(fù)成模擬語音信號通過揚(yáng)聲器聽到悅耳的音樂。本實驗在同一型號的兩塊FPGA開發(fā)板中實現(xiàn)，其中信道傳輸中采用了RS-232串口(如圖3所示)，其傳輸速率為115200bps，注意要用交叉線傳輸。即使在相同的開發(fā)板，在實際應(yīng)用中，由于存在晶振誤差，所以頻率還是有所不同的，所以不能采用相同的時間間隔迭代驅(qū)動和響應(yīng)系統(tǒng)的方程的方法進(jìn)行同步，通過實驗驗證此方法聽到的語音還是有雜音，并且雜音成周期性。通過以上的實驗，我們在響應(yīng)系統(tǒng)加上密碼同步檢測模塊，這樣就能很好的進(jìn)行同步。可見，實現(xiàn)保密通信的關(guān)鍵是實現(xiàn)驅(qū)動和響應(yīng)系統(tǒng)混沌序列發(fā)生器的自同步，理論分析和FPGA硬件實驗證明，如果發(fā)送器和接收器的初始狀態(tài)不同，則經(jīng)過短暫的瞬態(tài)過程，系統(tǒng)就能達(dá)到同步。從而可以得出結(jié)論，假如信道傳輸有瞬間的誤差，經(jīng)過短暫的瞬態(tài)過程，系統(tǒng)還是可以正確解密，該方法具有較強(qiáng)的容錯能力。發(fā)端網(wǎng)格狀蔡氏電路的狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage20</formula>收端網(wǎng)格狀蔡氏電路的狀態(tài)方程為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage20</formula>其中/;(")=jc(")aS("),解密后的語音信號=A")a;c(")。3.加密/解密算法通過配置WM8731語音芯片，模擬語音信號經(jīng)過取樣、量化、編碼變成16位串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，我們根據(jù)控制時鐘把16位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位的并行數(shù)據(jù)，這16位數(shù)字語音信號用行向量表示S=[S15S14…S,S。]。基于數(shù)字語音信號置亂擴(kuò)展機(jī)理。利用網(wǎng)格狀蔡系統(tǒng)的混沌序列構(gòu)造規(guī)則的矩陣/>，在此稱為置亂擴(kuò)展矩陣。p是一個mx"矩陣，表達(dá)式為<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage21</formula>其中w的取值與并行語音信號位數(shù)相同，所以附=16。由于我們釆用的是IEEE-754浮點數(shù)雙精度標(biāo)準(zhǔn)，所以取"=64。16位語音信號行向量S-^15S14…《S。]與P矩陣進(jìn)行相乘就可以把并行語音信號進(jìn)行置亂擴(kuò)展，表達(dá)式如下:<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage21</formula>(8)m就是經(jīng)置亂擴(kuò)展后的隱藏了語音的64位并行信號，釆用混沌密鑰對此并行信號進(jìn)行加密的過程為C=X(")@Af，得密文C-[QC62…C,C。]，在加密的過程中我們根據(jù)密鑰的指數(shù)不同選擇置亂擴(kuò)展矩陣P(如圖4所示)。這樣就可以使語音信號的置亂度進(jìn)一步提高，抗破譯性增強(qiáng)。具體方法是把P矩陣分為^和A兩部分，即<formula>complexformulaseeoriginaldocumentpage21</formula>(9)式中l(wèi)《m^16。在(9)式中，S和S相乘得到似，=[似63，Af62，…，Af50M49],這些位和混沌密鑰的符號位、指數(shù)位、尾位的前四位要進(jìn)行異或得到的部分密文C,-[QC62…C5。C+9],由于密文還要作為系統(tǒng)的迭代值，所以這些位是不能改變的，否則混沌吸引子將會收斂或發(fā)散。g矩陣是由單位矩陣經(jīng)初等變換而來，所以尸2每一行必定有一個單位1，每一列最多只能有一個單位1，滿足這樣條件的/>2矩陣總共有《6(約為5xl025)種，在加密的時候根據(jù)指數(shù)的大小來選擇不同的矩陣，這樣語音信號就可以很好的隱藏。密碼分析者就很難知道語音信號和混沌密鑰異或的具體的位置，因為異或位置根據(jù)指數(shù)隨時在變，只有系統(tǒng)設(shè)計者才知道指數(shù)和矩陣對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系。這樣就是系統(tǒng)的安全性大大的提高。解密算法是上述加密算法的逆過程，解密過程為M二jrw④c;根據(jù)X'(n)的指數(shù)e'(/z)來選擇P矩陣，因為P是奇異矩陣，所以存在P的逆矩陣"，那么解密后的語音S、MxP-';具體的過程如圖5所示。加密算法和解密算法的從結(jié)構(gòu)上來說，它是一種對稱的算法。一是構(gòu)造置亂擴(kuò)展矩陣，二是混沌序列的產(chǎn)生釆用了IEEE-754的浮點數(shù)算法標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生的x("),y(")，z(/2)混沌序列具有更強(qiáng)的偽隨機(jī)特性，三是根據(jù)混沌序列的指數(shù)選擇置亂擴(kuò)展矩陣，從而提高語音數(shù)據(jù)流置亂程度和算法的破譯難度；網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)和初始值高度敏感性，使得算法的密鑰空間非常大，使加密者可以隨意地選擇密鑰，這樣的選擇可以使算法有著幾乎一次一密的安全特性。本實用新型研究了一個可應(yīng)用于實際的保密通信系統(tǒng)，其硬件設(shè)計較為完備，軟件設(shè)計可行，保密性強(qiáng)，在混沌數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)中，數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生是很重要的一個方面，它產(chǎn)生的方法直接影響到通信系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。采用IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)的浮點運(yùn)算來產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，可以極大地加大混沌序列的復(fù)雜度。本文提出了一種基于IEEE-754標(biāo)準(zhǔn)和FPGA技術(shù)的混燉數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了混沌加密體制與傳統(tǒng)密碼體制的相結(jié)合。給出了一種基于網(wǎng)格狀蔡三維混沌系統(tǒng)的置亂擴(kuò)展混沌加密算法。并用數(shù)字語音信號進(jìn)行了FPGA硬件實驗，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實時性好，較高的保密性，克服了連續(xù)混沌系統(tǒng)的缺點。值的一提的是，該混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)，不僅可以用于語音保密通信，還可以傳送機(jī)密的二進(jìn)制文件，只要是能表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以進(jìn)行保密通信，有關(guān)該系統(tǒng)可運(yùn)用圖像加密/解密和通過以太網(wǎng)傳輸。權(quán)利要求1、一種基于FPGA的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于包括有如下步驟1)通過FPGA硬件對連續(xù)混沌系統(tǒng)作離散化處理；2)通過FPGA硬件設(shè)計混沌離散系統(tǒng)，使其在一定精度下產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，采用該數(shù)字混沌序列作為密鑰；3)以混沌離散系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計驅(qū)動響應(yīng)式同步保密通信系統(tǒng)，構(gòu)建一個信號在內(nèi)的閉環(huán)回路，用網(wǎng)格狀蔡混沌實現(xiàn)兩塊FPGA開發(fā)板的有限數(shù)字語音通信，實現(xiàn)基于網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)的實時語音保密通信系統(tǒng)的設(shè)計。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于FPGA的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法，其特征在于上述步驟3)基于網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)的實時語音保密通信系統(tǒng)的設(shè)計過程如下建立網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)動力學(xué)方程.-<formula>seeoriginaldocumentpage2</formula>(1)式中α，β，m0,m1為參數(shù)，典型值為α=8.5~10,β=16,m0=0.5，m1=0.25;對(1)式歸一化和離散化后的2x2網(wǎng)格狀多渦卷蔡氏吸引子的無量綱狀態(tài)方程為x(n+1)=ax(n)+by(n)+csgn(x(n))+dsgn(y(n))y(n+l)=ex(n)+fy(n)+ez(n)(2)z(n+1)=gy(n)+ksgn(y(n))+hz(n)式中a,b，c,d，e，f，g,h,k為方程參數(shù)，發(fā)端網(wǎng)格狀蔡氏電路的狀態(tài)方程為x(n+1)=ax(n)+by(n)+csgn(x(n))+dsgn(y(n))y(n+l)=ep(n)+fy(n)+ez(n)(3)z(n+1)=gy(n)+ksgn(y(n))+hz(n)收端網(wǎng)格狀蔡氏電路的狀態(tài)方程為x'(n+1)=ax'(n)+by'(n)+csgn(x'(n))+dsgn(y'(n))y'(n+l)=ep(n)+fy'(n)+ez'(n)(4)z'(n+1)=gy'(n)+ksgn(y'(n))+hz'(n)其中p(n)=x(n)∧S(n)，解密后的語音信號S'(n)=x'(n)∧x(n)。通過配置語音芯片，模擬語音信號經(jīng)過取樣、量化、編碼變成16位串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，根據(jù)控制時鐘把16位串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為16位的并行數(shù)據(jù)，這16位數(shù)字語音信號用行向量表示S=[S15S14…S1S0]。基于數(shù)字語音信號置亂擴(kuò)展機(jī)理。利用網(wǎng)格狀蔡系統(tǒng)的混沌序列構(gòu)造規(guī)則的矩陣P，在此稱為置亂擴(kuò)展矩陣。P是一個mxn矩陣，表達(dá)式為<formula>seeoriginaldocumentpage4</formula>其中w的取值與并行語音信號位數(shù)相同，所以附=16。由于采用的是IEEE-754浮點數(shù)雙精度標(biāo)準(zhǔn)，所以取"二64;16位語音信號行向量S=[SI5Sl4…SS。]與P矩陣進(jìn)行相乘就可以把并行語音信號進(jìn)行置亂擴(kuò)展，表達(dá)式如下<formula>seeoriginaldocumentpage4</formula>M就是經(jīng)置亂擴(kuò)展后的隱藏了語音的64位并行信號，采用混沌密鑰X(n)對此并行信號進(jìn)行加密的過程為<formula>seeoriginaldocumentpage4</formula>，得密文C-[C63C62…C,C。]，在加密的過程中根據(jù)密鑰的指數(shù)不同選擇置亂擴(kuò)展矩陣P，這樣就可以使語音信號的置亂度進(jìn)一步提高，抗破譯性增強(qiáng)，具體方法是把尸矩陣分為g和&兩部分，即<formula>seeoriginaldocumentpage4</formula>式中l(wèi)≤m≤16;在(9)式中，S和S相乘得到Af'=[M63,M62，…，M50M49]這些位和混沌密鑰的符號位、指數(shù)位、尾位的前四位要進(jìn)行異或得到的部分密文C1=[C63C62...C50C49]，由于密文還要作為系統(tǒng)的迭代值，所以這些位是不能改變的，否則混沌吸引子將會收斂或發(fā)散；尸2矩陣是由單位矩陣經(jīng)初等變換而來，所以g每一行必定有一個單位l,每一列最多只能有一個單位l，滿足這樣條件的尸2矩陣總共有《96(約為5xlO")種，在加密的時侯根據(jù)指數(shù)的大小來選擇不同的矩陣，這樣語音信號就可以很好的隱藏；密碼分析者就很難知道語音信號和混沌密鑰異或的具體的位置，因為異或位置根據(jù)指數(shù)隨時在變，只有系統(tǒng)設(shè)計者才知道指數(shù)和矩陣對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，這樣就是系統(tǒng)的安全性大大的提高；解密算法是上述加密算法的逆過程，解密過程為M<formula>seeoriginaldocumentpage5</formula>;根據(jù)X'(N)的指數(shù)e'w來選擇p矩陣，因為尸是奇異矩陣，所以存在p的逆矩陣廣1,那么解密后的語音<formula>seeoriginaldocumentpage5</formula>加密算法和解密算法從結(jié)構(gòu)上來說，它是一種對稱的算法；一是構(gòu)造置亂擴(kuò)展矩陣，二是混沌序列的產(chǎn)生釆用了IEEE-754的浮點數(shù)算法標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生的;c("),y(")，z(n)混沌序列具有更強(qiáng)的偽隨機(jī)特性，三是根據(jù)混沌序列的指數(shù)選擇置亂擴(kuò)展矩陣，從而提高語音數(shù)據(jù)流置亂程度和算法的破譯難度；網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)對系統(tǒng)參數(shù)和初始值高度敏感性，使得算法的密鑰空間非常大，使加密者可以隨意地選擇密鑰，這樣的選擇可以使算法有著幾乎一次一密的安全特性。全文摘要本發(fā)明是一種基于FPGA的混沌數(shù)字保密通信系統(tǒng)的設(shè)計方法。包括有如下步驟1)通過FPGA硬件對連續(xù)混沌系統(tǒng)作離散化處理；2)通過FPGA硬件設(shè)計混沌離散系統(tǒng)，使其在一定精度下產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，采用該數(shù)字混沌序列作為密鑰；3)以混沌離散系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計驅(qū)動響應(yīng)式同步保密通信系統(tǒng)，構(gòu)建一個信號在內(nèi)的閉環(huán)回路，用網(wǎng)格狀蔡混沌實現(xiàn)兩塊FPGA開發(fā)板的有限數(shù)字語音通信，實現(xiàn)基于網(wǎng)格狀蔡混沌系統(tǒng)的實時語音保密通信系統(tǒng)的設(shè)計。本發(fā)明實時性較好，具有較高的保密性，實現(xiàn)了混沌加密體制與傳統(tǒng)密碼體制的相結(jié)合。本發(fā)明保密通信系統(tǒng)不僅可以用于語音保密通信，還可以傳送機(jī)密的二進(jìn)制文件，只要是能表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)的都可以進(jìn)行保密通信，本發(fā)明系統(tǒng)可運(yùn)用圖像加密/解密和通過以太網(wǎng)傳輸。文檔編號H04L9/00GK101345615SQ200810030009公開日2009年1月14日申請日期2008年8月5日優(yōu)先權(quán)日2008年8月5日發(fā)明者周武杰,禹思敏申請人:廣東工業(yè)大學(xué)