《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機(jī)的灰度圖像混沌保密通信
雷國(guó)偉,陳 浩,張學(xué)榮,游榮義
(集美大學(xué) 理學(xué)院 復(fù)雜系統(tǒng)研究中心,福建 廈門 361021)
摘要: 基于混沌保密通信原理,在單片機(jī)上采用細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN),實(shí)現(xiàn)了灰度圖像的混沌保密通信。首先,把灰度圖像數(shù)據(jù)嵌入到混沌信號(hào)當(dāng)中,然后在接收端根據(jù)混沌同步原理解出圖像數(shù)據(jù)。給出不同噪聲參數(shù)和同步參數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并作簡(jiǎn)要討論。
Abstract:
Key words :
</a>摘  要: 基于混沌保密通信" title="保密通信">保密通信" title="保密通信">保密通信" title="保密通信">保密通信原理,在單片機(jī)上采用細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN),實(shí)現(xiàn)了灰度圖像的混沌保密通信。首先,把灰度圖像數(shù)據(jù)嵌入到混沌信號(hào)當(dāng)中,然后在接收端根據(jù)混沌同步原理解出圖像數(shù)據(jù)。給出不同噪聲參數(shù)和同步參數(shù)時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,并作簡(jiǎn)要討論。
關(guān)鍵詞: 單片機(jī);圖像;混沌;保密通信;細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

  所謂保密通信,就是為了防止通信秘密被竊取,在通信的過程中對(duì)秘密信息及其傳輸方式采取隱蔽的手段,從而達(dá)到保密的目的?;煦缡欠蔷€性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式。自從1990年提出混沌同步的原理并在電路中得以實(shí)現(xiàn)以來,混沌控制與同步及其應(yīng)用迅速成為非線性研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。同時(shí),混沌現(xiàn)象具有遍歷性、非周期性、連續(xù)寬帶頻譜、類噪聲等特性,特別適用于保密通信及圖像加密領(lǐng)域?,F(xiàn)在混沌保密通信大致分為3類:第1類是直接利用混沌進(jìn)行保密通信,如基于單片機(jī)利用Logistic映射對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加解密實(shí)驗(yàn)[1]、基于PC機(jī)利用Logistic映射和Henon映射對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行加解密實(shí)驗(yàn)[2];第2類是利用混沌同步進(jìn)行保密通信[3-4];第3類是混沌數(shù)字編碼的異步通信。其中,第2類混沌同步保密通信是當(dāng)前國(guó)際上研究的一大熱點(diǎn)。
  本文根據(jù)細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)混沌同步的原理,基于單片機(jī)進(jìn)行灰度圖像的保密通信實(shí)驗(yàn)。通過無噪聲、不同程度噪聲干擾及同步性能的比較驗(yàn)證了該方案的可行性。
1 CNN混沌模型
  4元CNNs混沌同步保密通信如圖1所示[4]。

  發(fā)射系統(tǒng):
    

     傳輸信號(hào):
  s(t)=KX+200y4+i(t) 

  通過同一個(gè)驅(qū)動(dòng)變量s(t),實(shí)現(xiàn)同步誤差e=x-x′,當(dāng)e=0時(shí)候,也就是平衡狀態(tài)穩(wěn)定時(shí),構(gòu)建的接收方程如下:
  接收系統(tǒng):
     

式中,取K=[80.190 0、20.154 6、11.936 3、-89.800 0]。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1 單片機(jī)及開發(fā)工具
  本文使用的單片機(jī)為AT89S52,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)灰度圖像混沌保密通信。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS集成電路芯片8位微控制器,具有8 KB系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51單片機(jī)指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。
     本文使用的單片機(jī)開發(fā)工具為Keil C51,版本為808A。此開發(fā)工具支持匯編/C語言編程。并且提供各種模擬芯片供軟件仿真使用。Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng),與匯編語言相比,C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì),易學(xué)易用。
2.2 設(shè)計(jì)流程
     灰度圖像為二維信號(hào),而本次設(shè)計(jì)所需的信號(hào)為一維信號(hào),因此,實(shí)驗(yàn)前必須如圖2所示將灰度圖像的二維點(diǎn)陣數(shù)組(m×n)轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組,作為輸入信號(hào)i(t)。

     整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。需要說明的是,由于單片機(jī)存儲(chǔ)單元有限,混沌算法經(jīng)過多次乘加,中間參量生成較多,為了獲得完整的數(shù)據(jù)結(jié)果以及單片機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)正常,特設(shè)定了5個(gè)數(shù)據(jù)為1次算法循環(huán)。一旦結(jié)束1次算法循環(huán),便將結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送至計(jì)算機(jī),下次循環(huán)結(jié)果覆蓋保存在相同的存儲(chǔ)單元。這樣,保證了數(shù)據(jù)的完整性以及實(shí)驗(yàn)的流暢性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
     實(shí)驗(yàn)界面如圖4所示,功能如下:
     噪聲參數(shù):通信噪聲,模擬實(shí)際環(huán)境外界干擾下實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
     同步參數(shù)X:4元CNN混沌算法,X初始值,表示通信的同步性,X為0時(shí),表示同步;大于零時(shí)表示欠同步,X值越大,同步性能越差。

    通行測(cè)試:測(cè)試單片機(jī)是否連接正確。
    運(yùn)行:在通行測(cè)試正常情況下,點(diǎn)擊運(yùn)行,顯示如圖4所示。
    輸入不同的噪聲參數(shù)以及同步參數(shù)獲得的結(jié)果如圖5所示。

     本文基于CNN混沌同步原理,在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)了灰度圖像的保密通信。在噪聲系數(shù)和同步系數(shù)不同的情形下分別對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在理想情況下(即噪聲為0,完全同步情況下),驗(yàn)證了在單片機(jī)上混沌保密的可行性。而在噪聲逐漸增大的情況下,圖像的失真度越來越高,這符合實(shí)際情況。在同步參數(shù)改變的情況下,圖像出現(xiàn)欠同步現(xiàn)象,印證了在單片機(jī)上同步算法的運(yùn)行正確性。單片機(jī)作為小型芯片設(shè)備,可嵌入在各種電子產(chǎn)品中,應(yīng)用領(lǐng)域、成本低、效益高,并且保密通信效果穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)
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[4] 蔣國(guó)平.細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)超混沌系統(tǒng)同步及其在保密通信中的應(yīng)用[J].通信學(xué)報(bào),2000,21(9):79-85.

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