音频混沌保密无线通信及在DSP上的实现*

张海合,禹思敏

（广东工业大学，广东 广州 510006）

无线语音通信技术是未来语音传输的发展趋势，它具有分布灵活、使用简便、几乎不受空间条件限制等特点。然而由于无线语音通信主要以无线电波为信息载体，易被监听，因此语音无线通信的保密显得尤为重要。

本文结合无线数字语音通信系统的特点，利用混沌序列良好的保密性能[1-4]，实现了一种洛伦兹混沌语音保密通信系统，该系统设计简单、灵活多变，保密性优于一般混沌掩盖加密。

1 洛伦兹混沌系统

本设计选用Lorenz系统，Lorenz方程为三维方程，属于高维混沌系统。应用Lorenz方程等高维系统构造序列密码的优点在于：可以对多个系统变量进行处理产生序列密码；同时能提供大量密钥空间[5]。

选取系统参数：A=10.0,B=30.0,C=8.0/3,初值的选取可以是不为零的任意数，最好能选取在系统混沌吸引子中，这样可以使系统快速地进入混沌状态。结合实际情况，lorenz方程的所有参数采用浮点型，以便使混沌吸引子达到最佳效果。

2 混沌方程的离散化及加密方法

要想使混沌系统应用到DSP上，必须把混沌方程离散化。这里采用欧拉法进行方程的离散化。

其中,T在试验中根据实际情况可调节。

利用上述产生的混沌方程的序列作为密码构建一个有混沌加密的语音无线通信系统。发送端加密过程为:

其中,h(n)为发送端的语音信号，x(n)为发送端的混沌编码序列，U(n)为发送端的混沌加密信号，“+”代表混沌信号和语音信号求和。接收端解密过程为加密过程的逆运算:

其中，U(n)为接收到的加密信号，S(n)为信道的接收噪声，h(n)为解密输出。收发双方采用相同的混沌系统产生的编码序列进行加解密，即可实现误码率为零的语音混沌保密通信[6]。

3 混沌系统的同步

在本设计中，采用了改进形式的掩盖保密通信方式—响应同步，这样能实现严格同步不受输入信号的影响,如图1所示。设计中要求 m(t)幅度比混沌信号u(t)的幅度小一些，系统才能正常工作，否则就会破坏混沌吸引子的稳定性，甚至导致发散。m(t)幅度的具体数值需根据实际混沌系统的特点而定[6]。

4 无线数字语音混沌通信系统设计

4.1 硬件电路设计

系统发送端逻辑框架如图2所示，接收端相同，只是输出端换成扬声器即可。

4.1.1 核心处理器

本设计的核心处理器采用TI公司的TMS320C6713 DSP（以下简称 C6713），主要负责所有设备控制、任务调度、功能协调、通信协议控制、混沌保密算法的实施。本设计增加了外扩SDRAM存储器，用的是MT48LC4M32B2，SDRAM存储器被映射到DSP的CE0空间，工作频率为100 MHz，字节地址为 0X8000 0000～0X801F FFFF，大小为2 MB，SDRAM与DSP的连接原理框图如图3所示。

4.1.2 CODEC

CODEC实现语音信号的采样、模/数转换、编码后传输给DSP进行信号调理。CODEC选用TI公司的TLV320AIC23B(以下简称 AIC23B),与 DSP的 McASP模块实现无缝连接，串行传输数据；而DSP通过I2C总线初始化AIC23B[7]。

4.1.3 无线接收发送

无线接收发送数据采用Nordic公司的 nRF24L01,该芯片是一款新型单片射频收发器件,高效GFSK调制，抗干扰能力强,特别适合工业控制场合。nRF24L01工作于Enhanced ShockBurst模式下时具有自动应答和自动再发射功能，而且具有可选的内置包应答机制，极大地降低丢包率[8]。

4.1.4 主体硬件连接

C6713有 2个 McASP(多通道音频接入接口)，McASP的串行数据多达8根，具有很强的编程能力，也可以配置多种同步串行标准，直接与各种器件高速接口。利用McASP1与AIC23的数据口相连，完成数据的发送和接收，而 6713的 IIC0口与 AIC23的控制口相连，对 AIC23写控制字，其基本的引脚连接图如图4所示。C6713还有两个 McBSP(多通道缓冲串口)，利用 McBSP1与 GPIO口协作，共同控制24L01的数据与控制线，从而达到一帧30 B的传输效果，其中McBSP主管数据和同步脉冲，GPIO的GP8脚主要负责无线模块的发送接收启动、GP13脚主要负责帧信号的同步。

4.2 软件设计

系统软件设计包括接收和发送两部分，而这两部分又可各自分为三个主要部分，包括硬件驱动程序和各硬件间的协调调度以及混沌加解密程序。发送和接收的各部分几乎相同，只是接收部分需要中断，以提醒DSP停止当前的处理，进入中断去取数据。

硬件驱动程序主要是包括DSP各寄存器配置、SDRAM的配置、AIC23B寄存器的配置、24L01的配置。这些配置在主函数中以初始化的形式编写。

各硬件间的协调调度是进行数据流传输的重要工作内容，其中包括利用AIC23B的取得或播放数据、数据进入缓冲区或流出缓冲区、混沌保密环节的取或出数据、24L01接收和发送数据。接收端程序采用中断程序+循环主程序的方式。

混沌加解密程序是系统保密的核心部分，加密端与解密端的混沌方程参数一定要相同才能解密出原始信号，否则会导致混沌发散。迭代方程中的比例系数的调节很关键，根据经验值，混沌信号一般大于去直流信号后语音信号的10～100倍。软件设计流程图如图5所示。

4.3 数据传输速率的匹配的解决

通过示波器测试分析,含有15个数据的信息包的传输时间大约为750μs，按此速度计算，每个数据的传输时间平均为50μs，混沌加解密算法占用的时间约为20 μs,而AIC23B的采样率设置为8kS/s，每个语音信号采集时间约120μs，50μs+20μs远小于120μs，加入一定的延时时间和设置数据缓冲区就会解决速度匹配的问题。另外尽量保证发送数据速度小于接收速度，以免丢失数据包，导致混沌吸引子发散。

5 实验结果分析

通过示波器观看到发送端原始信号波形图与接收端未解密出来的信号对比，如图6所示。可以看出，加密后的信号是杂乱无章的，趋向于噪声。另外接收到的语音信号的质量无明显下降,如图7所示。也可以看出解密后的信号几乎与原始信号一样。解密端仅有一些延时，由于距离和加解密程序的耗时，这是难以避免的。混沌保密通信分为有线通信和无线通信两大类。无线混沌保密通信相对有线混沌保密通信难度大得多。本文设计了语音无线通信的硬件和软件系统，并以洛伦兹混沌系统为加密方式，用Euler算法作离散化处理，对语音信号进行加密和解密,成功实现了语音无线混沌通信。由于语音无线通信设计中采用了各种纠错方式，使得语音混沌无线通信具有更好的实际可行性。

[1]CHUA L O.Special issue on chaos[J].IEEE Trans.Circuit Syst.I,1993,40:10-11.

[2]KENNEDY M,OGORZALERK M.Special issue on chaos synchronization and control[J].IEEE Trans.Circuit Syst.I,1997,44(10):853-1039.

[3]KOCAREV L,MAGGIOG,OGORZALERK M.Special issue on applications of chaos in modern communication systems[J].IEEE Trans.Circuit Syst.I,2001,48(12):626-633.

[4]MARTIN H,GIANLUCA M.Special issue on applications of nonlinear dynamics to electronic and information engineering[J].Proceedings of the IEEE,2002,90(5):827-831.

[5]白少华，陈贻，翁贻方.一种基于 Lorenz系统的混沌加密算法的设计与分析[J].科技情报开发经济.2003，13(5)：192-193.

[6]禹思敏,丘水生.一种语音混沌保密通信方案的研究与硬件实现[J].通信学报,2002,23(8):105-112.

[7]Texas Instruments.TLV320AIC23B Stereo Audio CODEC,8-to-96-kHz.With integrated headphone amplifier[Z].2002.

[8]陈丽娟,常丹华.基于nRF2401芯片的无线数据通信[J].电子器件,2006(1):248-250.