《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種基于DCSK的數(shù)字保密通信系統(tǒng)
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2012年第7期
賀利芳, 張 剛, 張?zhí)祢U
重慶郵電大學(xué) 信號與信息處理重慶市重點實驗室,重慶400065
摘要: 傳統(tǒng)的基于混沌鍵控(CSK)保密通信需要在收發(fā)兩端建立混沌同步系統(tǒng),而混沌信號由于對初值的極端敏感性而極難達到同步,所以這種方式難以用于實際。針對這個問題,提出了一個新的差分混沌鍵控(DCSK)系統(tǒng),此系統(tǒng)收發(fā)端不需混沌同步。深入研究了差分混沌鍵控(DCSK)調(diào)制的性能,并且和二相相移動鍵控(BPSK)調(diào)制進行了比較。最后給出了一個DCSK調(diào)制在圖像傳輸中的新應(yīng)用。
中圖分類號: TP918.8
文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2012)07-0103-04
A secure communication system based on DCSK
He Lifang, Zhang Gang, Zhang Tianqi
Chongqing Key Laboratory of Signal and Information Processing, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China
Abstract: In the traditional secure communication based on Chaos Shift Keying (CSK), synchronization needs to be established between the transmitter and receiver of the system. While due to the extreme sensitivity of initial value of chaotic signal, it is very difficult to achieve synchronization so this method is difficult to be applied practically. Therefore to solve this problem, a new Differential Chaos Shift Keying (DCSK) system was proposed in which chaos synchronization is not necessary. The new system was deeply studied and was compared with the Binary Phase Shift Keying (BPSK) modulation. Finally, a new application with DCSK in the image transmission was given.
Key words : secure communication; chaos synchronization; DCSK

    傳統(tǒng)通信中為了對信息加密,首先將信息數(shù)字化,然后進行加密,這是由于傳統(tǒng)的加密是基于離散數(shù)論原理。由于算法復(fù)雜,計算負擔很重。而使用混沌信號對消息加密則不需要進行數(shù)字化,此外,混沌加密可以用快速模擬元件來實現(xiàn)[1-2]?;煦缧盘柕膶拵ьl譜、波形不重復(fù)、類隨機分布、相對簡單的模擬硬件實現(xiàn)等特性使其成為保密通信最佳候選技術(shù)[3]。混沌保密通信已研究了十多年,在近年來,提出了許多基于混沌的通信方式:混沌同步、混沌鍵控、混沌控制、混沌脈沖位置調(diào)制、混沌調(diào)頻等等。雖然混沌保密通信比傳統(tǒng)通信方式在某些方面更好,然而混沌保密通信還不能取代傳統(tǒng)通信方式,并且混沌保密通信比傳統(tǒng)通信方式在通信效率方面還缺乏優(yōu)勢。盡管如此,該通信方式主要優(yōu)點是應(yīng)用在保密通信中。數(shù)字保密通信主要用混沌鍵控(CSK)調(diào)制來實現(xiàn),系統(tǒng)在接收端用混沌參考信號對接收信號做相關(guān),然后比較相關(guān)器輸出數(shù)值大小簡單做出判斷,這種方式需要在收發(fā)兩端建立混沌同步。而混沌信號由于對初值極端敏感性而極難達到同步,所以這種方式難以實際應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上,本文提出一種新的差分混沌鍵控(DCSK)調(diào)制方式并進行了深入研究,將其與二相相移動鍵控(BPSK)調(diào)制性能進行了比較分析,最后研究DCSK在密碼系統(tǒng)中的影響并給出了一個DCSK調(diào)制在圖像傳輸中的新應(yīng)用。

1 混沌鍵控(CSK)
    混沌鍵控(CSK)通信方式,發(fā)射器發(fā)出的混沌信號動力學(xué)狀態(tài)收斂到奇怪吸引子。通過改變一個或多個動力學(xué)參數(shù)可使吸引子位置發(fā)生變化,這樣混沌信號便能夠攜帶信息,在接收端,通過估計奇怪吸引子位置就能夠解碼出原始信息。CARROLL T L和PECORA L M提出了一種基于三維Rossler系統(tǒng)多吸引子混沌通信方式[4]。在一個符號周期Ts中發(fā)射的信息量Nb為Nb=log2M,其中M是吸引子數(shù)量。接收器需要判斷傳輸信號s(t)的動力學(xué)狀態(tài)收斂于哪個吸引子,可利用相干或非相干檢測技術(shù)將信號檢測出來從而做出判決。
    參考文獻[7]提出了一種二進制混沌鍵控CSK通信系統(tǒng)。發(fā)射器產(chǎn)生了兩個混沌序列,記為x0(n)和x1(n),是由兩個不同混沌映射關(guān)系或相同映射但不同初始狀態(tài)產(chǎn)生。
    
   


    圖6比較了DCSK和BPSK兩種調(diào)制方式,可見,在相同Eb/N0下,BPSK比DCSK誤碼率要低1~2個數(shù)量級,并且隨著Eb/N0增加,誤碼率差距更明顯,所以DCSK性能比BPSK要差,但其在保密通信方面優(yōu)勢要大很多。對DCSK而言,M=8比M=4性能要好,因此M值越大,性能越好。

 

 

    擴展因子M取值和BER的關(guān)系如圖7,可看出,隨著M增大,系統(tǒng)誤碼性能得到了改善,當Eb/N0很小時,M值對系統(tǒng)誤碼性能改善不大,而當Eb/N0逐漸變大時,誤碼性能就得到了極大改善,如Eb/N0在接近30 dB時,誤碼率改善基本在1個數(shù)量級左右;而對相同誤碼率而言,誤碼率越大,對Eb/N0改善也越大,如當誤碼率為10-3時,M值為6和8的Eb/N0大約改善了10 dB。

    數(shù)字混沌保密通信一般用CSK來實現(xiàn),存在著同步技術(shù)復(fù)雜,難以實現(xiàn)的缺點。而DCSK則無需混沌同步,實現(xiàn)起來更加方便和簡單。對DCSK調(diào)制解調(diào)概念做了詳細研究,目的是優(yōu)化調(diào)制解調(diào)器使能應(yīng)用于實際電路,并對調(diào)制解調(diào)器中相干檢測算法做了介紹。通過仿真,對BPSK和DCSK的性能做了比較分析。同時,給出了圖像傳輸在DCSK調(diào)制中的應(yīng)用。說明此系統(tǒng)確實能夠在保密通信中應(yīng)用,其性能還有待進一步提高。這是下一步要研究的問題。
參考文獻
[1] CHIEN T I, LIAO T L. Design of secure digital communication systems using chaotic modulation, cryptography and chaotic synchronization[J]. Chaos, Solitons & Fractals,2005,24(1): 241-255.
[2] PENAUD S.Etude des potentialités du chaos pour les systèmes de télécommunication : Evaluation des performances de systèmes à accès multiples a répartition par les codes (CDMA) utilisant des sequences d’étalement chaotiques[C].Thèse  résentée à l’université de Limoges Faculté des Sciences le 06 Mars 2001.
[3] SCHIMMING T, HASLER M.Optimal detection of differential chaos shift keying [J]. IEEE Trans. Circuits Syst,2000,47(12):1712-1719.
[4] CARROLL T L, PECORA L M. Synchronizing hyperchaotic volume preserving maps and circuits[J].IEEE Trans. Circuits Syst, 1998,45(6):656-659.
[5] FRANCIS C M, LAU. Performance of chaos-based communication systems under the influence of coexisting conventional spread-spectrum systems[J]. IEEE Trans. Actions on Circuits and Systems, 2003,50(11):1475-1481.
[6] FRANCIS C M, LAU, CHI K TSEY. Optimum correlator type receiver design for csk communication systems[J]. International Journal of Bifurcation and Chaos, 2002,12(5):1029-1038.

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