《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(lái)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(hào)與信息處理重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(hào)由于對(duì)初值的極端敏感性而極難達(dá)到同步,所以這種方式難以用于實(shí)際。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,提出了一個(gè)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(dòng)鍵控(BPSK)調(diào)制進(jìn)行了比較。最后給出了一個(gè)DCSK調(diào)制在圖像傳輸中的新應(yīng)用。
中圖分類號(hào): TP918.8
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 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(duì)信息加密,首先將信息數(shù)字化,然后進(jìn)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(jì)算負(fù)擔(dān)很重。而使用混沌信號(hào)對(duì)消息加密則不需要進(jìn)行數(shù)字化,此外,混沌加密可以用快速模擬元件來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-2]。混沌信號(hào)的寬帶頻譜、波形不重復(fù)、類隨機(jī)分布、相對(duì)簡(jiǎn)單的模擬硬件實(shí)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(lái),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(shì)。盡管如此,該通信方式主要優(yōu)點(diǎn)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(lái)實(shí)現(xiàn),系統(tǒng)在接收端用混沌參考信號(hào)對(duì)接收信號(hào)做相關(guān),然后比較相關(guān)器輸出數(shù)值大小簡(jiǎn)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(hào)由于對(duì)初值極端敏感性而極難達(dá)到同步,所以這種方式難以實(shí)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(jìn)行了深入研究,將其與二相相移動(dòng)鍵控(BPSK)調(diào)制性能進(jìn)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(gè)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(hào)動(dòng)力學(xué)狀態(tài)收斂到奇怪吸引子。通過(guò)改變一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)可使吸引子位置發(fā)生變化,這樣混沌信號(hào)便能夠攜帶信息,在接收端,通過(guò)估計(jì)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(gè)符號(hào)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(hào)s(t)的動(dòng)力學(xué)狀態(tài)收斂于哪個(gè)吸引子,可利用相干或非相干檢測(cè)技術(shù)將信號(hào)檢測(cè)出來(lái)從而做出判決。
    參考文獻(xiàn)[7]提出了一種二進(jìn)制混沌鍵控CSK通信系統(tǒng)。發(fā)射器產(chǎn)生了兩個(gè)混沌序列,記為x0(n)和x1(n),是由兩個(gè)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(jiàn),在相同Eb/N0下,BPSK比DCSK誤碼率要低1~2個(gè)數(shù)量級(jí),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(shì)要大很多。對(duì)DCSK而言,M=8比M=4性能要好,因此M值越大,性能越好。

 

 

    擴(kuò)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(dāng)Eb/N0很小時(shí),M值對(duì)系統(tǒng)誤碼性能改善不大,而當(dāng)Eb/N0逐漸變大時(shí),誤碼性能就得到了極大改善,如Eb/N0在接近30 dB時(shí),誤碼率改善基本在1個(gè)數(shù)量級(jí)左右;而對(duì)相同誤碼率而言,誤碼率越大,對(duì)Eb/N0改善也越大,如當(dāng)誤碼率為10-3時(shí),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(lái)實(shí)現(xiàn),存在著同步技術(shù)復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn)的缺點(diǎn)。而DCSK則無(wú)需混沌同步,實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加方便和簡(jiǎn)單。對(duì)DCSK調(diào)制解調(diào)概念做了詳細(xì)研究,目的是優(yōu)化調(diào)制解調(diào)器使能應(yīng)用于實(shí)際電路,并對(duì)調(diào)制解調(diào)器中相干檢測(cè)算法做了介紹。通過(guò)仿真,對(duì)BPSK和DCSK的性能做了比較分析。同時(shí),給出了圖像傳輸在DCSK調(diào)制中的應(yīng)用。說(shuō)明此系統(tǒng)確實(shí)能夠在保密通信中應(yīng)用,其性能還有待進(jìn)一步提高。這是下一步要研究的問(wèn)題。
參考文獻(xiàn)
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