文獻標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2011)10-0141-03
無線語音通信技術(shù)是未來語音傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢,它具有分布靈活、使用簡便、幾乎不受空間條件限制等特點。然而由于無線語音通信主要以無線電波為信息載體,易被監(jiān)聽,因此語音無線通信的保密顯得尤為重要。
本文結(jié)合無線數(shù)字語音通信系統(tǒng)的特點,利用混沌序列良好的保密性能[1-4],實現(xiàn)了一種洛倫茲混沌語音保密通信系統(tǒng),該系統(tǒng)設(shè)計簡單、靈活多變,保密性優(yōu)于一般混沌掩蓋加密。
1 洛倫茲混沌系統(tǒng)
本設(shè)計選用Lorenz系統(tǒng),Lorenz方程為三維方程,屬于高維混沌系統(tǒng)。應(yīng)用Lorenz方程等高維系統(tǒng)構(gòu)造序列密碼的優(yōu)點在于:可以對多個系統(tǒng)變量進行處理產(chǎn)生序列密碼;同時能提供大量密鑰空間[5]。
選取系統(tǒng)參數(shù):A=10.0,B=30.0,C=8.0/3,初值的選取可以是不為零的任意數(shù),最好能選取在系統(tǒng)混沌吸引子中,這樣可以使系統(tǒng)快速地進入混沌狀態(tài)。結(jié)合實際情況,lorenz方程的所有參數(shù)采用浮點型,以便使混沌吸引子達到最佳效果。
其中,T在試驗中根據(jù)實際情況可調(diào)節(jié)。
利用上述產(chǎn)生的混沌方程的序列作為密碼構(gòu)建一個有混沌加密的語音無線通信系統(tǒng)。發(fā)送端加密過程為:
4.1.1核心處理器
本設(shè)計的核心處理器采用TI公司的TMS320C6713 DSP(以下簡稱C6713),主要負(fù)責(zé)所有設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議控制、混沌保密算法的實施。本設(shè)計增加了外擴SDRAM存儲器,用的是MT48LC4M32B2,SDRAM存儲器被映射到DSP的CE0空間,工作頻率為100 MHz,字節(jié)地址為0X8000 0000~0X801F FFFF,大小為2 MB,SDRAM與DSP的連接原理框圖如圖3所示。
4.1.2 CODEC
CODEC實現(xiàn)語音信號的采樣、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼后傳輸給DSP進行信號調(diào)理。CODEC選用TI公司的TLV320AIC23B(以下簡稱AIC23B),與DSP的McASP模塊實現(xiàn)無縫連接,串行傳輸數(shù)據(jù);而DSP通過I2C總線初始化AIC23B[7]。
4.1.3 無線接收發(fā)送
無線接收發(fā)送數(shù)據(jù)采用Nordic公司的nRF24L01,該芯片是一款新型單片射頻收發(fā)器件,高效GFSK調(diào)制,抗干擾能力強,特別適合工業(yè)控制場合。nRF24L01工作于Enhanced ShockBurst模式下時具有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能,而且具有可選的內(nèi)置包應(yīng)答機制,極大地降低丟包率[8]。
4.1.4 主體硬件連接
C6713有2個McASP(多通道音頻接入接口),McASP的串行數(shù)據(jù)多達8根,具有很強的編程能力,也可以配置多種同步串行標(biāo)準(zhǔn),直接與各種器件高速接口。利用McASP1與AIC23的數(shù)據(jù)口相連,完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,而6713的IIC0口與AIC23的控制口相連,對AIC23寫控制字,其基本的引腳連接圖如圖4所示。C6713還有兩個McBSP(多通道緩沖串口),利用McBSP1與GPIO口協(xié)作,共同控制24L01的數(shù)據(jù)與控制線,從而達到一幀30 B的傳輸效果,其中McBSP主管數(shù)據(jù)和同步脈沖,GPIO的GP8腳主要負(fù)責(zé)無線模塊的發(fā)送接收啟動、GP13腳主要負(fù)責(zé)幀信號的同步。
4.2 軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計包括接收和發(fā)送兩部分,而這兩部分又可各自分為三個主要部分,包括硬件驅(qū)動程序和各硬件間的協(xié)調(diào)調(diào)度以及混沌加解密程序。發(fā)送和接收的各部分幾乎相同,只是接收部分需要中斷,以提醒DSP停止當(dāng)前的處理,進入中斷去取數(shù)據(jù)。
硬件驅(qū)動程序主要是包括DSP各寄存器配置、SDRAM的配置、AIC23B寄存器的配置、24L01的配置。這些配置在主函數(shù)中以初始化的形式編寫。
各硬件間的協(xié)調(diào)調(diào)度是進行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)闹匾ぷ鲀?nèi)容,其中包括利用AIC23B的取得或播放數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)進入緩沖區(qū)或流出緩沖區(qū)、混沌保密環(huán)節(jié)的取或出數(shù)據(jù)、24L01接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端程序采用中斷程序+循環(huán)主程序的方式。
混沌加解密程序是系統(tǒng)保密的核心部分,加密端與解密端的混沌方程參數(shù)一定要相同才能解密出原始信號,否則會導(dǎo)致混沌發(fā)散。迭代方程中的比例系數(shù)的調(diào)節(jié)很關(guān)鍵,根據(jù)經(jīng)驗值,混沌信號一般大于去直流信號后語音信號的10~100倍。軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。
4.3 數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配的解決
通過示波器測試分析,含有15個數(shù)據(jù)的信息包的傳輸時間大約為750 μs,按此速度計算,每個數(shù)據(jù)的傳輸時間平均為50 μs,混沌加解密算法占用的時間約為20 μs,而AIC23B的采樣率設(shè)置為8 kS/s,每個語音信號采集時間約120 μs,50 μs+20 μs遠(yuǎn)小于120 μs,加入一定的延時時間和設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖區(qū)就會解決速度匹配的問題。另外盡量保證發(fā)送數(shù)據(jù)速度小于接收速度,以免丟失數(shù)據(jù)包,導(dǎo)致混沌吸引子發(fā)散。
5 實驗結(jié)果分析
通過示波器觀看到發(fā)送端原始信號波形圖與接收端未解密出來的信號對比,如圖6所示??梢钥闯?,加密后的信號是雜亂無章的,趨向于噪聲。另外接收到的語音信號的質(zhì)量無明顯下降,如圖7所示。也可以看出解密后的信號幾乎與原始信號一樣。解密端僅有一些延時,由于距離和加解密程序的耗時,這是難以避免的。
混沌保密通信分為有線通信和無線通信兩大類。無線混沌保密通信相對有線混沌保密通信難度大得多。本文設(shè)計了語音無線通信的硬件和軟件系統(tǒng),并以洛倫茲混沌系統(tǒng)為加密方式,用Euler算法作離散化處理,對語音信號進行加密和解密,成功實現(xiàn)了語音無線混沌通信。由于語音無線通信設(shè)計中采用了各種糾錯方式,使得語音混沌無線通信具有更好的實際可行性。
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