（电路与系统专业论文）基于dsp的混沌语音加密系统的设计与实现.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o r t h ed e g r e eo fm a s t e r lq l l ll li iiui i il l 1 111 1 i y 19 0 9 2 18 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o fc h a o t i cv o i c e e n c r y p t i o ns y s t e m b a s e do nds p c a n d i d a t e ：g u oq i a n y i n g s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gg u a n g y i n o v e m b e r , 2 0 1 0 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：日期：年月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 勿福敖 委秃艾 日期： 弘ff 年月7 日 日期： ff 年1 月7 e 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着信息化时代的到来，保障信息的安全性问题显得尤为重要。语音信息是人们日常交 互的基础，语音保密通信是防止语音信息被窃取的通信方式之一，数据加密技术是语音保密 通信的主要手段。混沌和密码学有着天然的联系，混沌序列在信息加密领域有着良好的应用 前景。d s p ( 数字信号处理器) 是专门用于处理数字信号的芯片，它能够快速有效地实现复 杂的算法。本文以此为背景，利用d s p 抽取出符合n i s t 测试标准的数字混沌序列，并设计 和实现了一种混沌语音加密系统。 本文的主要工作内容有： ( 1 ) 从混沌保密通信工程的观点考虑，构造一个庞大的混沌函数库是必要的。为了设计 性能良好的混沌系统，在s p r o t t 系统的基础上，通过引入外加非线性项构造了一个新的混沌 系统。对构造的混沌系统进行了动力学分析，其中包括耗散性、平衡点、稳定性、分岔特性 以及l y a p u n o v 指数等特性分析，同时设计了相应的模拟电路验证其混沌特性。 ( 2 ) 在设计新的混沌系统的基础上，为了产生混沌通信所需的数字伪随机系列，研究并 提出了一种基于d s p 的连续混沌系统的数字化实现技术。建立了一种连续混沌系统的离散、 量化理论模型，并以t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 作为核心芯片，对构造的混沌系统进行离散 量化处理，结合c c s 开发环境，从d s p 芯片中获得了实际的数字混沌序列。同时，使用 t l c 7 5 2 8 对产生的混沌序列进行d a 转化来验证数字混沌系统具有与仿真相符的混沌吸引 子，从而验证离散系统仍保持了原混沌系统的特性。 ( 3 ) 为了评估用于加密的数字混沌序列的随机性，需要对其进行性能测试。n i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) 美国国家和技术标准局推出的s t s 软件包是 目前用来测试伪随机序列性能的最具权威的工具之一。本文不仅利用此软件包测试了s p r o t t 数字混沌序列，还对m 序列、l o r e n z 和c h e r t 系统、r j s s l o r 超混沌系统的序列进行了分析。 经比较发现，s p r o t t 数字混沌序列有较好的随机性，可应用于加密系统。 ( 4 ) 给出了基于d s p 的混沌语音加密系统的设计方案，包括硬件平台、软件框图和流 程、系统功能模块。利用s p r o t t 数字混沌序列，在d s p 平台上实现了混沌序列产生、语音信 号加密和解密等功能。另外，考虑到信道占用带宽问题，采用了g 7 2 6 语音编解码。由于s p r o t t 数字混沌序列的随机性好，使得此语音保密系统具有高的安全性。 关键词：混沌，混沌序列，d s p ，n i s t ，语音保密通信 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ea d v e n to fi n f o r m a t i o na g e , p r o t e c t i o no fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yi s s u e si s v e r y i m p o r t a n t v o i c ei n f o r m a t i o ni st h eb a s i sm o d eo fd a i l yi n t e r c o m m u n i o n , a n dv o i c es e c r e c y c o m m u n i c a t i o ni so n eo fc o m m u n i c a t i o nt op r e v e n tc o n f i d e n t i a li n f o r m a t i o nb e i n gs t o l e n d a t a e n c r y p t i o nt e c h n o l o g yi st h ep r i m a r ym e a n so fv o i c es e c u r ec o m m u n i c a t i o n b e c a u s ec h a o sh a sa n a t u r a ll i n kw i t hc r y p t o g r a p h y , c h a o t i cs e q u e n c eh a sg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ef i e l do f e n c r y p t i o n d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s 0 0i ss p e c i a l l yd e s i g n e df o rp r o c e s s i n gd i g i t a ls i g n a l ，a n di t c a nq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yi m p l e m e n tc o m p l e xa l g o r i t h m s a g a i n s tt h i sb a c k g r o u n d ，t h i sa r t i c l e r e a l i z e sd i g i t a lc h a o t i cs e q u e n c ei nt h eu s eo fd s pa n da p p l i e st h en i s tt e s t i n gs t a n d a r d st o e x a m i n et h eq u a l i t yo f s e q u e n c e f i n a l l y , ac h a o t i cv o i c ee n c r y p t i o ns y s t e mi si m p l e m e n t e d 1 1 1 em a i nw o r ko ft h i st h e s i si s ： ( 1 ) b a s e do nt h en o t e ds p r o t ts y s t e m ，t h en e wc h a o t i cs y s t e m sc a nb ec o n s t r u c t e dw i t hm o r e c o m p l e xd y n a m i c sb yi n t r o d u c i n gt h en o n l i n e a ri t e m s t h ed e t a i l e dd y n a m i c a lb e h a v i o r so ft h e n e ws y s t e ma r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e d ，i n c l u d i n ge q u l i b r i aa n ds t a b i l i t y , v a r i o u sa t t r a c t o r s ，b i f u r c a t i o n a n a l y s i sa n dl y a p u n o ve x p o n e n t s s p e c t r u m b e s i d e s ，t h ea n a l o gc i r c u i t so ft h en e ws y s t e m sa r e a l s od e s i g n e d ( 2 ) t oi m p l e m e n tt h ec h a o t i cp ns e q u e n c e si nd i g i t a lf o r m ，t h et m s 3 2 0 v c 5 5 0 2m a d ef r o m t ii sag o o dc h o i c e f i r s to fa l l ，w ed i s c r e t i z ea n dq u a n t i z et h en e w ss y s t e mt oi m p l e m e n tt h e c o n t i n u o u ss y s t e mi nad i g i t a lf o r ma n do b t a i nab i n a r yd i g i t a ls e q u e n c e t h e n ，t h eu a r to f t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2c h i pc a no u t p u tt h ec h a o t i cp n s e q u e n c e s t om a k i n gs u r et h a t t h ed i s c r e t es y s t e m i ss t i l lc h a o s ，w eo b s e r v et h ea n a l o ga t t r a c t o r sw h i c ha r ec o n v e r t e df r o md i g i t a ls e q u e n c e sb yd a c h i pt l c 7 5 2 8 ( 3 ) i no r d e rt oa p p l yt h ec h a o t i cs e q u e n c et ot h ed i g i t a lc h a o se n c r y p t i o ns y s t e m ，w es h o u l e a n a l y s et h eq u a l i t yo fs e q u e n c e t h es t sp a c k a g el a u n c h e db yn i s t ( n a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ) i sc u r r e n t l yt h em o s ta u t h o r i t a t i v et o o lw h i c hi su s e dt ot e s tt h e p e r f o r m a n c eo fp s e u d o r a n d o ms e q u e n c e t h i st h e s i sn o to n l yt e s tt h ec h a o t i cs e q u e n c eb a s e do n s p r o t ts y s t e m ，a l s oms e r i e s 、l o r e n za n dc h e ns y s t e m s 、r 6 s s l o rh y p e r - c h a o t i cs y s t e ms e q u e n c ea r e a n a l y z e d t h ec o m p a r i s o n sf i n dt h a ts p r o t td i g i t a lc h a o t i cs e q u e n c eh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dc a n b eu s e di ne n c r y p t i o ns y s t e m ( 4 ) af o r m u l eo fv o i c ee n c r y p t i o ns y s t e mb a s e do nd s pi sp r o p o s e d ，i n c l u d i n gh a r d w a r e p l a t f o r m 、s o f t w a r ep r o c e s sa n ds y s t e mf u n c t i o nm o d u l e s a p p l i e dt h ed i g i t a lc h a o t i cs e q u e n c e l i 杭州电子科技大学硕士学位论文 g e n e r a t e db yd s p , v o i c ee n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o na r er e a l i z e dw i t hx o ra l g o r i t h m i na d d i t i o n , t a k i n gi n t ot h ea c c o u n to fc h a n n e lb a n d w i d t hi s s u e s ，t h i ss y s t e mu s et h eg 7 2 6s t a n d a r d t h e9 0 0 d r a n d o m n e s so ft h es p r o t tc h a o t i cs e q u e n c em a k e st h eh i g hs e c u r i t yo ft h ex o i c ep r i v a c ys y s t e m k e y w o r d s ：c h a o s ，c r y p t o g r a p h ys e q u e n c e ，d s p , n i s t , v o i c es e c u r ec o m m u n i c a t i o n i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘! 1 2 兽 i f 。】e i s t 】 a c 7 i i i 第1 章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状及发展趋势2 1 2 1 混沌系统的研究2 1 2 2 语音加密的研究现状3 1 2 3 语音编码技术的发展现状4 1 3 本文的主要内容5 第2 章混沌密码基础7 2 1 混沌理论7 2 1 1 混沌的起源和发展7 2 1 2 混沌的定义及特征8 2 2 密码学基础9 2 2 1 密码学概述l0 2 2 2 分组密码1 1 2 2 3 流密码1 2 2 3 本章小结1 4 第3 章一个改进的混沌系统及其数字序列实现1 5 3 1 一个新的混沌系统及其模拟电路实现15 3 1 1 新型混沌系统1 5 3 1 2l y a p u n o v 指数和分岔图1 7 3 1 3 混沌系统的电路设计1 8 3 2 基于d s p 的混沌系统实现1 9 3 2 1d s p 概j 苤1 9 3 2 2 混沌系统的d s p 实现。2 1 3 3 数字混沌序列的d s p 实现2 3 3 4 本章小结2 5 第4 章数字混沌序列的性能分析2 6 4 1n i s t 测试标准简介2 6 4 1 1s t s 软件包版本2 6 i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 4 1 2s t s 测试结果的判定2 8 4 1 3 导致测试失败的原因3 0 4 2s p r o t t 序列性能测试3 l 4 2 1n i s t 测试步骤31 4 2 2s p r o t t 数字混沌序列性能分析3 4 4 3 相关序列性能比较一3 4 4 3 1 各序列的产生3 5 4 3 2 各序列性能比较3 8 4 4 本章小结3 9 第5 章基于d s p 的混沌语音加密系统的总体设计4 0 5 1 系统整体框图4 0 5 2 系统开发环境介绍4 1 5 2 1t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 处理器结构4 1 5 2 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 评估板硬件平台4 3 5 2 3c c s 集成开发环境4 5 5 3 系统软件设计4 6 5 3 1 系统软件流程设计4 6 5 3 2 系统功能模块描述4 7 5 4 本章小结4 8 第6 章语音保密通信系统功能模块的设计与实现一4 9 6 1 实时语音信号采集和回放4 9 6 1 1a i c 2 3 及a i c 2 3 与d s p 的连接4 9 6 1 2a i c 2 3 的初始化配置5 2 6 2 语音编解码模块的实现5 4 6 2 1g 7 2 6 编解码器原理一5 4 6 2 2g 7 2 6 编解码算法实现5 5 6 3 语音加解密模块的实现5 8 6 4 实时传输模块的实现5 9 6 4 1 异步串口通信5 9 6 4 2 实时传输6 0 6 5 系统性能测试6 l 第7 章总结及研究展望6 4 7 1 工作总结6 4 7 2 研究展望6 4 致谢二6 6 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 参考文献6 7 附录7 1 v i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 随着信息化时代的到来，计算机、网络、通信等技术迅猛发展。信息成为了第一生产要 素，同时构成了信息化社会的重要技术物质基础。数字信息也得到了日益广泛的应用。然 而，数字信息很容易被复制和传播，对其应用带来了非常不利的影响，特别是对于保密力度 高的机密信息。因此对信息安全问题的关注上升到了维护国家信息安全的高度，信息安全问 题成为了人们面临的亟待解决的问题。其中密码技术n 捌是信息安全的研究内容之一，是保障 数据安全的重要核心技术。 语音是人们进行交互的基础，是获取信息的有效途径。现代数字信息中，语音信息又在 信息产业中占据着举足轻重的地位。无论是对国家、社会还是个人来说，保障语音信息的安 全意义重大。从国防、军事的角度来说，如果机密信息被窃取并破译，不仅威胁到国家安危 更不利于社会稳定和人民安定。所以如何有效的保障国家的机密不被恶意窃取获得，或者即 使被窃取也不会被破译，成为一个必须去考虑和研究的问题；从社会地位来说，目前的商业 机密越来越多。商家如何能在交易中妥善的保护自己的机密信息，从而立于不败之地也是迫 切需要去解决的问题。对于个人来说，虽然保密的必要性没有前两者这么强，但随着人们对 个人隐私不断重视，对语音信息进行加密也是有一定的实际价值。 混沌是确定性系统中的一种貌似随机的运动。混沌和密码学之间有着天然的不可或缺的 联系。混沌系统具有的一些动力学特性和传统密码系统的某些安全特征相对应，而传统密码 系统的良好混合性又暗示着拟混沌现象。如，混沌系统的混合性、遍历性和确定性对应着密 码学的混淆和散布。因此，利用混沌来对现代信息进行有效合理的处理就成了一种很自然的 想法。 混沌系统对初始值有高度敏感性，其轨道呈现出类似噪声的随机状态，无法对其进行预 测。这样的特点使它和加密算法有了紧密的联系，混沌系统在加密领域有了广泛的应用前景。 但是由于大部分混沌加密系统都采用自然的混沌系统，它们不一定能提供具有严格密码学意 义下的保密性。为了提高混沌加密的保密性，人们的注意力转向数字加密。利用数字系统产 生数字混沌并用于加密。如文献 4 】、 5 】中利用f p g a 离散化模拟混沌系统并产生了数字混沌 序列。但是在数字环境下无法实现真实的混沌系统，因为混沌系统都是定义在连续域中的。 而在数字系统中的所有运算都是在有限精度下进行的，容易产生周期退化和数字混沌序列性 能差，保密力度不强等现象。所以必须对混沌的迭代过程进行改进，以克服数字混沌序列所 存在的一些缺点。设计最优化的数字混沌加密算法，并采用功能强大的数字处理器件实现。 在语音通信系统中，带宽始终是一种很宝贵的资源。为了节省传输过程中的占用带宽和 杭州电子科技大学硕士学位论文 提高传输效率，在保证语音质量的前提下，需对原始的语音信号进行压缩编码。语音编解码 和加密是语音通信系统中必不可少的两个部分。 本课题针对语音保密通信系统，以低复杂度，高压缩率的g 7 2 6 语音编解码标准和数字 混沌序列加密算法为背景，以d s p 为数字信号处理器，以c c s t u d i o 为开发平台，设计并实 现了基于d s p 的混沌语音加密系统。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 混沌系统的研究 所谓混沌系统的混沌性是指系统的动力学行为呈现一种局部不稳定而又具有有界性和某 种整体混合性( 或遍历性) 嗍。动力系统混沌行为的发现和研究可以追溯到m a x w e l l 和 p o i n c a r e 口1 。早期有许多科学家相继对混沌动力学这一激动人心的科学领域作出了贡献，如 a d a m a r d 和m o r s e 等陬引。著名的三体问题n 叫、遍历假设以及非线性振子为混沌的早期发展提 供了典型范例。 2 0 世纪6 0 年代，一些数学家已经发现大量混沌系统的例子，如著名的a n o s o v 系统n 。 到了7 0 年代，人们对混沌特性的认识发生了戏剧性的变化。1 9 6 3 年，美国麻省理工学院的 气象学就l o r e n z 在一家气象科学杂志上发表的论文得到了人们的重视n 副，该论文研究了一个 简化的常微分方程系统，并清晰地描述了混沌特性的计算机数值研究结果，该论文所描述的 混沌后来被人们称作l o r e n z 吸引子；h e n o n 发现了一个典型的映射n 副，具有混沌吸引子；美 国理论生物学家m a y 在一篇种群动力学的论文中研究了倍周期分岔进入混沌的道路n 钉。李天 岩和y o r k e 研究了一类一维映射，得到了具有局部不稳定性的离散系统。 由于计算机技术的飞速发展和硬件的广泛普及，混沌的发现和研究在各个领域迅速扩大。 混沌科学的应用研究已经由控制或抑制混沌发展到如何有效地利用混沌。动力系统的混沌性 在通信技术和信号处理方面的应用研究更是如火如荼，其中混沌通信和混沌电路设计就是这 样一个方兴未艾的前沿领域，目前已经是融数学、控制理论、电子通信于一体的交叉性学科。 混沌现象的本质实际上是对初值的敏感依赖性。在拓扑学上，简单来说，混沌映射就是 一个不断拉伸折叠的动力学过程，设计一个混沌系统，目的就是为了构造一个含有混沌映射 的动力系统。在一维的情况下，混沌现象大多是通过映射来实现的，比如著名的l o g i s t i c 模型。 对于二维以上的混沌系统，既有时间离散的系统，也有时间连续的系统。对于离散时间系统， 演化过程本身就是一个混沌映射；而对于连续时间系统，常常表现为常微分动力系统。但是， 仍然可以借助于p o i n c a r e 截面和切换面等辅助手段，把连续的系统转化为映射来研究。反过 来讲，对于二维以上混沌系统的设计，我们可以事先构造出p o i n c a r e 截面和切换面上若干集 合之间的混沌映射，然后再设计并实现蕴含这些映射的连续动力学系统。高维混沌系统，如 四维超混沌系统，其行为复杂能力比低维混沌系统要强，所以利用低维系统的耦合是设计高 维混沌系统的有效途径n 。 利用现有的集成芯片比如运算放大器、电压比较器、电流传输器和模拟乘法器来实现混 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 沌电路，已经有比较成熟的理论。人们可以容易地构造出混沌电路所需的基本单元：积分电 路、加法电路和乘法电路。但是，由于模拟器件的一些自身特性，如器件参数易受外界环境 的影响，稳定性不高等，限制了混沌在实际工程中的应用。 随着数字处理器的高速发展，利用数字芯片代替传统的模拟器件来实现混沌系统成为了 一种必然趋势。并且这种可行性也得到了大量的实验验证。文献 1 8 】提出了一种用单片机实 现l o g i s t i c 映射的方法。文献 1 9 、2 0 利用虚拟仪器软件l a b v i e w 设计了混沌信号发生器。 该类发生器具有参数调节方便、可靠性高和易实现等优点。另外，文献 2 1 1 利用f p g a 实现 了四维超混沌数字序列，经实验证明利用数字芯片离散化后的混沌系统仍具有原始连续混沌 系统的特性。 d s p 数字信号处理器是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有 特殊结构的微处理器。c c s ( c o d ec o m p o s e rs t u d i o ) 是t i 开发的一个完整的d s p 集成开发环境。 在c c s 中，集成了常规的开发工具，如源程序编辑器、代码生成工具( 编译器、连接器) 以 及调试环境等。利用c c s ，我们不仅可以进行软件仿真，也可以实现硬件调试。它与d s p 的 完美结合，使得整个开发流程简单且易于实现。 基于上述混沌系统的设计与实现方式，将连续的混沌系统离散化后在c c s 中用c 语言编 写迭代算法，编译通过后将工程文件下载到d s p 中运行，最终实现混沌系统的数字化。数字 混沌的d s p 实现，使得混沌序列在实际保密通信应用领域迈出了重要一步。 1 2 2 语音加密的研究现状 语音是人们日常通信的最基本工具之一。因此，对语音信息进行加密，保障语音通信的 安全性是非常重要而且有意义的。其实，早在1 8 8 1 年开始研究电话保密装置就已经涉及了语 音加密领域。当今在语音通信系统中采用的加密技术主要有两大类，包括模拟加密和数字加 密。 对于模拟加密技术而言，频域置乱是最早采用的加密技术，目前仍被广泛采用。按对语 音信号的不同处理方式来分，模拟加密技术可以分为频域加密、时间域加密、变换域加密、 多维域加密这四类陇1 。早期主要是采用时间域加密和频率域技术来对语音信号进行处理。但 是由于在时间域上置乱语音信号时的置乱系数太少，加密安全性较差，人们转而研究频率域 上的加密技术，其加密手段有语音频谱搬移和倒相等。频域倒频加密技术，顾名思义其原理 是对语音信号的频谱进行搬移，将高频部分的语音频谱搬移到频带的下部，而将低频部分的 频谱搬移到频谱的上部。另外，为了提高语音加密的反非法抗破译能力，带移倒频加密技术 应运而生。由于通常的语音信号带宽都限制在3 0 0 3 0 0 0 h z 内，带移倒频的原理是将高于 3 0 0 0 h z 的语音频率信号移至低频端，将它们与低频端的信号置于同一频段内。虽然在频率域 上加密时，其可用于置乱的系数较多，但是这种方法加密后的语音信号冗余度高，即剩余可 懂度高，安全性较差。后来，有研究者提出了在变换域对语音数据进行处理的方法，如文献 【2 3 提出了一种不扩展频带的变换域模拟语音加密技术，即在变换域上对语音样点进行伪随 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 机掩蔽加密，使得密文信号和明文信号统计独立，因而具有加密意义上的完备性，其剩余可 懂度必然也是很低的。 虽然模拟语音加密技术具有方法简单、音质较好、不扩展频带等优点，但在实质上它并 没有改变语音信号的冗余度，因此会使加密后的语音信号剩余可懂度高，安全性差。和模拟 加密相比，数字加密采用了压缩编码技术。通过采集模拟语音信号，将其量化编码成为二进 制的数据流，并利用编码算法提取出语音信号中的有用参量进行加密，加密后的数据仍然以 数字信号传输。解密端利用相同技术解密后，可再利用这些参量进行原始语音的重构。对此， 在加密方法上可选择部分加密，即只选择加密可用于重构语音信号的参量。但是，部分加密 在加密算法上仍然采用传统的d e a 、d e s 等方法，只是通过减少待加密的数据来提高加密速 度嘲1 。所以，构造快速的加密算法，既能保证加密速度又能提高加密强度，成为了研究热潮。 许多研究者开始尝试用混沌来实现。 如今，混沌应用于语音保密通信中的理论研究日趋成熟，但在实际中却迟迟得不到有效 地应用。主要原因是由于混沌保密通信设备多为模拟器件构成，模拟器件的参数易于受外界 环境的影响，难以实现两个参数完全相同的系统，也就是说难以实现混沌的同步阱1 。因此人 们考虑用数字器件代替模拟器件来实现相应的功能。因为数字器件不存在参数难调节，难维 护等问题，相反我们可以利用数字器件进行灵活的参数调节，且精度高，可解决因初值敏感 性引起的混沌不能同步问题。数字化混沌语音保密通信系统克服了原始的语音加密系统中存 在的加密强度低，安全性差，抗干扰能力弱等缺点，在通信质量和保密性能两方面都得到了 优化。 1 2 3 语音编码技术的发展现状 语音编码器的主要功能就是把用户语音的p c m ( 脉冲编码调制) 样值编码成少量的比特 ( 帧) 。这种方法使得语音在链路产生误码、网络抖动和突发传输时具有鲁棒性( r o b u s t n e s s ) 。 在接收端，语音帧先被解码为p c m 语音样值，然后再转换成语音波形。语音编码器主要有三 种类型：波形编码器、声码器、混合编码器。 波形编码器会尽可能重构出包括背景噪音在内的模拟波形。由于波形编码器作用于所有 输入信号，因此会产生高质量的样值。特点是复杂度低，在数据速率1 6 k b s 以上时，质量很好。 声码器( v o c o d e r ) 也称为音源编译码器，它试图在话音波形信号中提取生成话音的参数，通过这 些参数和话音生成模型重构出语音。线性预测编码( l p c ) 用来获取一时变数字滤波器的参数。 这个滤波器用来模拟说话人的声道输出。它的音质很低，增加数据率对提高音质基本无用，广泛 用于军事保密通讯。c c i t t 于1 9 7 2 年公布的g 7 1 1 标准是6 4 k b s 脉冲编码调制p c m 。它的 算法复杂度低，压缩比小，编码延时短，已广泛应用于数字交换机、数字通信等领域。至今， 6 4 k b s 的标准p c m 系统仍占主导地位。这种编码方法可以获得音质较好的语音但是占用带宽 比较多。8 0 年代初c c i t t 开始研究更低码率的非p c m 编码算法，并在1 9 8 4 年通过了3 2 k b s a d p c m 语音编码g 7 2 1 标准。它相比于p c m 具有更优良的抗误码性能，已经广泛应用于海 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 缆、卫星以及可变速率编码器和数字语音插空设备中。g 7 2 6 是一种基于以1 6 4 0k b i t s 比 特率运行的a d p c m 的i t u t 语音编解码算法。最为常用的方式是3 2k b i t s ，但由于其 只是g 7 1 1 速率的一半，所以就将网络的可利用空间增加了一倍。 随着计算机的发展，大规模和超大规模集成电路的出现，为语音编解码技术的研究提供 了强有力的工具。8 0 年代以来，语音编解码技术有了质的飞跃，产生了新一代的编码技术， 就是混合编码。混合编码器融合了波形编码器和声码器的长处，克服了原有的编码器的弱点。 它的另一特点是它工作在非常低的比特率( 4 1 6k b p s ) ，能够在低速率上得到高质量的合成语 音。混合编码器采用合成分析( a b s ) 技术。规划脉冲激励线性预测编码( k p e l p c ) ，多脉冲 激励线性预测编码( m p l p c ) ，码激励线性预测编码( c e l p ) 等都是属于混合编码技术。显 然，混合编码是适合于数字语音通信的编码技术。语音编码g 7 2 8 和( 2 7 2 9 建议都是属于码 本激励线性预测编码。t 2 7 2 8 建议以其较低的速率、较小的延迟和较高的性能而在很多领域得 到广泛地应用，如：无绳电话机、可视电话、海事卫星通信、语音信息录音、分组化语音、 数字移动无线系统和数字插空设备等。( 2 7 2 9 编码方案是电话带宽的语音信号编码的标准，对 输入语音性质的模拟信号用8 k h z 采样，1 6 比特线性p c m 量化。g 。7 2 9 a 是丌u 最新推出的 语音编码标准c t 7 2 9 的简化版本。而t 2 7 2 9 b 增加了静音压缩机制，因为在典型的语音信号中 有3 5 5 0 以上的时间是背景噪声而不含语音信号。利用这一特点，在语音信号编码中采用 静音压缩机制可以大大降低码率，且不影响语音质量。 目前，语音编解码技术主要有两个需要解决的问题：一是扩大中低速率的语音编码的应 用范围，使其实用化，及如何在编码过程中根据特定环境进行优化以进一步降低编码速率和 提高抗噪声抗干扰能力。现在，比较好的算法还有混合激励线性预测编码( m e l p c ) 、基音 同步激励线性预测编码( p s e l p ) 、正弦变换编码( s t c ) 时频域插值编码( t f i ) 等，同时 还引入了很多新的分析技术，如非线性预测和高阶统计分析技术等。这些技术是根据人耳听 觉的感知机理，使语音的分析与合成都接近人耳特性功能，这样语音编码系统的处理方式就 能更完美的与人类听觉器官的工作机理相吻合，从而突破低速率语音编码的研究进展。 1 3 本文的主要内容 本文的研究为国家自然科学基金项目，数字混沌密码优化及其在存储介质密码系统中的 实现研究( 6 0 9 7 1 0 4 6 ) 的部分研究内容，除第1 和第2 章外，其他内容均根据作者已发表( 2 篇第一作者) ：一个改进的混沌系统及其d s p 实现、( ( g e n e r a t i o no f ac h a o s - b a s e dp ns e q u e n c e a n di t sq u a l i t ya n a l y s i s ) ) 和尚未发表的论文整理而成。 本文以数字混沌序列的加密为背景，主要的创新工作有：、设计并提出了一个基于s p r o t t 系统的改进型混沌系统，并对其特性进行了分析；、以此混沌系统为序列发生器，利用d s p 实现了数字混沌序列，并利用n i s t 测试标准对其随机性进行测试，至序列性能满足加密要 求。、将数字混沌序列应用于语音加密，设计并实现了一个语音保密通信系统。 本论文的章节安排如下： 杭州电子科技大学硕士学位论文 第l 章为绪论，简要介绍了本学位论文的研究背景及意义，综述了混沌系统、语音加密 和语音编解码技术的国内外研究现状与进展，并说明了本文的主要内容和章节安排。 第2 章，从概念入手，简要介绍了混沌、密码学等方面的概念以及所应具备的预备知识。 第3 章，设计了基于s p r o t t 系统的改进型混沌系统，对其进行了基本的动力学特性的理 论分析和模拟电路实现。此外，借助d s p 数字信号处理器实现了此连续混沌系统，并生成了 数字混沌序列。 第4 章，介绍了序列随机性测试标准n i s t 软件包s t s ，并利用它对第3 章中生成的数 字混沌序列进行了性能测试。通过与m 序列、超混沌序列等的性能比较，证明s p r o t t 数字混 沌序列具有较好的随机性，可代替传统的m 序列应用于加密领域。 第5 章，基于数字混沌序列的加密研究，设计一个语音保密通信系统。介绍了该系统的 硬件开发平台d s p 开发板和软件开发环境c c s ，并对该系统的软件功能模块进行了概要性的 阐述。 第6 章，详细介绍各软件功能模块的实现方法和步骤，并给出实验结果和分析。 第7 章，对全文的工作进行了总结，对数字混沌在加密领域的发展进行了展望。 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章混沌密码基础 目前非线性科学最重要的成就之一就在于对混沌现象的认识。而关于混沌动力学的许多 概念和方法，如混沌吸引子、符号动力学和相空间重构，正在广泛运用于自然科学和社会科 学的各个门类之中，并取得了普遍的成功。对混沌运动的研究不仅具有基本的理论意义，而 且具有实际意义。本章主要对混沌的起源和发展、混沌的定义和特征进行介绍，并对混沌可 作为密码序列应用于加密的理论基础和实践进行简单阐述。 2 1 混沌理论 2 1 1 混沌的起源和发展 从1 9 世纪末2 0 世纪初，法国数学和物理学家庞加莱在研究三体问题时发现即使只有三 个星体的模型仍能产生明显的随机效果，这被认为是第一位发现混沌的学者【2 6 1 。在庞加莱之 后，一大批数学家和物理学家在各自的研究领域所做的出色工作为混沌学的建立提供了宝贵 的知识积累。 2 0 世纪二三十年代，g d b i r k h o 腱立了动力系统理论的两个主要研究方向：拓扑理论 和遍历理论。 至1 j 1 9 6 0 年前后，非线性科学研究得到了突飞猛进