混沌及保密通信

1、现代通信技术进展第十一讲：混沌与保密通信一、保密通信的特点与分类1.保密通信应用广泛。2.保密通信技术在不断提高。3.保密通信的分类。一、保密通信的特点与分类1.保密通信应用广泛。2.保密通信技术在不断提高。3.保密通信的分类。 1.保密通信被广泛地应用。由于保密通信会涉及到国家和军队的最大利益，因此不仅在政府机关和军队内，而且在外交 科研 商业 情报等各部门也都是用了保密通信的设备，特别是在充满竞争意识和高度商业化的西方，保密通信设备更加得到了广泛地应用。 2. 保密通信设备的技术水平在不断地提高。目前保密机正在由模拟向数字化方向发展。由于保密设备数字化后，在数字信号中究竟有无信息以及具有何

2、种信息，在解密之前是不可分变的，而且在保密设备中，数字密码发生器、 信息数字化处理设备以及数字传输设备，三者是相互独立的，如对其中的一部分更新，不会影响其余两部分的使用。一次数字化后的保密通信设备具有很高的保密性和灵活性。一、保密通信的特点与分类。 1.保密通信应用广泛。2.保密通信技术在不断提高。3.保密通信的分类保密通信的分类 线路保密技术。 信息保密技术。保密通信的分类 线路保密技术。 信息保密技术。 线路保密技术研究的重点至如何不让敌对方收到本方的通信信号。线路保密也可称为隐蔽式的保密通信，它使敌对方不能从本方通信线路（包括有线和无线线路）上直接获取信号，或者说以不为敌对方所觉察的方式

3、进行通信。例如无线通信中的定向发射窄向发射等通信技术，就属于这种方式。 从线路的保密性来看，以光纤通信为最好（在约10km长的光纤线路中，仅能在距线路4m至5m的范围内收到信号）。在有线通信的线路保密技术中，也可以使用特别的保密电缆，但其价格比较昂贵，较难以推广。 实践证明，单靠线路保密技术是很难防止敌方窃密的，为了最大限度地确保通信的安全，必须结合使用信息保密技术。应该说现代通信的保密，主要的还是依靠信息保密技术来实现。保密通信的分类 线路保密技术。 信息保密技术。 信息保密技术研究的重点是不让敌方译出本方的通信信息，即烟酒如何对传输的信号进行变换和加密 解密。这样在通信过程中，敌对方虽然可

4、通过各种方式窃收到本方的信号，但却解不出信号的真是内容。 信息保密技术包括密码电报、密码电话和通信保密技术等等。通信保密机包括话音保密机数据保密机、传真保密机、图像保密机、电报加密机等等。二、信息的加密与解密过程 话音保密机的信息流程 话音保密的分类二、信息的加密与解密过程 话音保密机的信息流程 话音保密的分类保密信息流程 话音保密机的发送端把 能直接听懂的电信号搅 乱（加密） 编程不能直 接听懂的信号转发出去， 在接收端则应用相反的 过程（解密），把接收 到的不能直接听懂的信 号再恢复成原来的电话 信号，如右图所示。 图中K是密锁，由密锁源产生，收放和发放所使用的密锁完全一致，一旦选定了密锁

5、就确定了具体的加密和解密方法，因此对于密锁应该做到绝对保密。 对于一个保密系统而言，密锁应该有许多种，可做到随时变换密锁。 众所周知，现代通信可分为模拟通信与数字通信，他们的主要区别在于，前者使用无限个连续值的信号来代表信息，而后者是用有限个离散值的信号来表达信息。 由于通信分为模拟通信和数字通信两大类，因而用于模拟通信和数字通信的保密机就有区别。通常话音保密机可分为三类，即模拟式保密机、 数字式保密机、模数模式保密机。二、信息的加密与解密过程 话音保密机的信息流程 话音保密的分类 模拟式保密 数字式保密 模-数-模式保密 数字式保密的特点话音保密的分类话音保密的分类 模拟式保密 数字式保密

6、模-数-模式保密 数字式保密的特点 模拟式保密机的加密方式是将话音的模拟信号用模拟的方法进行处理（搅乱），处理的方式包括频域保密处理 时域保密处理和复合保密处理。经过加密的信号以模拟的形式传输出去。 这种制式的保密机结构简单，设备小 价格便宜，只占用一个模拟话路，但保密机的保密度不会很高，因而只能在一定范围内作为战术保密机使用。话音保密的分类 模拟式保密 数字式保密 模-数-模式保密 数字式保密的特点数字式保密机 数字通信是现代通信的发展方向之一，是有客观需要以及本身所具有的优点决定的，而数字式保密机用于数字通信之中，也是现代保密通信研究的重点。 首先在发送端，将模拟的语音信号在模/数转换器里

7、进行编码，使其变为数字信号，再用加密器产生的数字加密在加密器中进行加密，然后将这个加密的数字信号（信密码）送到线路上传输，到接收端后，接收机对加密的数字信号用与发送端相对应的方法，在解密器中进行解密，即得到原来的数字语音信号，然后将这个数字语音信号在模/数转换器里进行解码，从而恢复成模拟的话音信号。 用保密醒来衡量，数字式保密机优于模拟式保密机，但数字信号一般难以在模拟信道内传输，为了兼顾二者，即产生了模数模式的信息保密机。具体地说，就是用数字技术来适应模拟信道的传输。 首先，将模拟的话音信号在模/数转换器进行编码，转换成二进制的数字语音信号；再用密码产生器产生的数字密码，在加密器中进行数字处

8、理（即加密）；然后在发端的数/模转换器中将已经加密的数字信号再转换成模拟信号，送到线路上去。此时，模拟信号已经是经过加密处理过的，不再是能听懂的话音了。因此接收端在收到这个加密的模拟信号后，还需进行反变换，恢复成原来的模拟信号。 a.由于密码产生器是一个单独的 装置，它所产生的密码是一个认为制造的无规律的数码，可以搞得很长和很复杂，而且可以任意变换（密钥量很大），因此具有很强的不被破译的能力； b.线路上传输鱼的是何种信息，是电报，电话，还是数据，是传真还是图像，在破译前是无法知道的； c.线路上所传送的是正在讲话，还是没有讲话的信号，在破译之前也无法判断，因为所能听到的声音和看到的频谱都是与

9、噪音相类似的； d.数字传输要求占用的信道较宽，传输同样的信息，要比模拟频带宽几倍以上。 在数字保密通信中，最关键的是要有一个可靠的数字密码产生器，产生随机的或伪随机的密码信号。并可人为地把密码做的非常复杂，把周期做得很长很长，因而保密度饿可以达到很高的水平。目前密钥量和密钥周期已达到了10的数十几次乃至数万次的数量级，也就是天文数字量级。同时，平均保密也可靠保密的时间也已达到了天文数字量级。三、混沌与混沌保密通信 混沌保密通信的概念 主动被动同步技术。 混沌遮掩法 混沌双稳态同步通信。 混沌扩频通信。 近年来，控制与同步非线性混沌系统的研究工作打开了走向混沌应用之路的大门。混沌信号具有连续宽

10、带谱，以及对初始条件的敏感性，即伪随机性。另外，他在合适控制（或驱动）下，还可以形成单个或多个子系统的协同行为，即同步性质。利用混沌信号的伪随机性，或利用伪随机性和同步性的结合，可以实现在军事、商务等重要领域内对各种目标的数字信号加密。当前，将混沌应用于保密通信上的研究已成为非线性科学、信息科学两个领域交叉融合的前沿课题之一。随着理论研究的不断的深入和发展，尤其相关实用技术的不断完善，混沌加密将会为传统的保密通信方式开辟一条新的途径。 实现安全（保密）通信，要求系统具有保真度 安全度以及足够的带宽。在研究利用混沌同步实现安全通信的过程中，人们发现：用低维混沌加密信息，仍然存在密文被破译的可能性

11、。因此，将混沌同步应用于保密通信，其安全性受到了严重的挑战。解决这一问题的最有效方法之一，就是用至少有两个正性Lyapunov指数的高维超混沌系统加密有用信号。虽然用超混沌系统加密信息，其安全性得到提高，但由于超混沌轨道在相空间不稳定的方向增加，首先要解决以最少通道的发送信号同步超混沌问题。这不仅仅是一个理论上解决的问题，更重要的是它直接关系到能否将超混沌同步方法与技术切实地应用到关键问题。有人曾经指出：在一般情况下，同步高位超混沌系统，发送同步信号的个数，应用正性Lyapunov指数的个数相同，每一个同步信号相互独立地按照不同的信道发送到接收端，这需要占用多路信道。显然，从实际应用考虑，这种

12、方式是极不适用的。 混沌保密通信的实质是2个混沌产生器之间通过各种耦合方式实现同步。目前研究中的混沌产生器主要有连续流混沌产生器和离散映射混沌产生器。此外还有一种神经网混沌产生器它是由神经网络来产生一个混沌映射函数，实质上它是离散映射混沌产生器的一个特例。连续流混沌产生器研究，著名的有Chuas电路、Lorenz方程的电路，其次还有Rossler系统电路、 Duffing(MOF)系统方程电路、Hysteresis系统电路和Moil电路，离散混沌映射主要有Logistic、Henon映射、 圆周映射等。但大多数的研究依靠这种离散混沌映射产生伪随机序列。图a图b图c图d图e图f 当发射系统和接收

13、系统的参数误差超过10%时，则接收系统和发射系统不能同步，无法恢复信号。 选择适当的参数使由式（1）描述的系统为混沌系统，用该系统生成的混沌信号来掩饰有用信号，首先将有用信号直接输入由式（1）描述的系统，有 文中混沌遮掩法的思想是在接收端将有用信号与混沌信号相叠加，然后在接收端根据PecoraCarroll的同步准则加以恢复。该法的不足之处在于为满足混沌同步的要求，有用信号的功率必须大大低于混沌信号的功率，且该法并不能保证发射端和接收端完全同步。 1993年，Cuomo和Oppenhein基于串联法用Lorenz系统构造了混沌掩盖保密通信系统，完成了模拟电路实验，图11是该系统的示意图，他们将

14、两个相应子系统合成一个完整的相应系统，使其结构和驱动系统完全相同，因此在发送器混沌信号的驱动下，接收器能复制发送器的所有状态，达到两者的同步，在发送端，将语音信号m(t) 与混沌信号u(t)相加使通过公共通道传送的是形似噪声的信号s(t)，达到保密传送的目的，在接受端，响应系统能复制混沌信号u(t)，只需从s(t)减去有响应系统产生的混沌信号u(t)就可获得还原的语音信号m(t)。 Milanovic和Zaghloul在串联法混沌掩盖方案基础上提出了改进方案，Yu和Cookman进一步完善了这一方案，如图2所示。 在改进方案中，对Lorenz系统的发送器引入了合成信号s(t)的反馈，以实现接收

15、器和发送器之间更完满的同步，如果发送器和接收器的初始状态不同，经过短暂的瞬态过程，就能达到同步，模拟电路实验研究表明，改进方案的信号恢复精度更高。 左边是发射部分，右边是接收部分，该方案的发射部分是一个声光双稳回路，激光光源发射的光束通过声光调制器解调，再由光电探测器转化为电信号，由放大器放大，送声光调制器驱动源驱动声光调制器，形成一个闭环回路，但是与常规的声光双稳系统有所不同，我们这里在光路上又增加了一个声光调制器，用于把信息信号叠加在声光混沌信号上，调制后信号即x(n)+s(i)，对于调制后的信号被分光镜分成两部分，一部分被光电探测器探测用于构成声光双稳系统回路，另一部分则被发射到自由空间

16、，作为通信光束，在接收端，则是一个开环的声光双稳系统，空间光束信号为探测器接收，所得电信号分为两部分，一部分参与声光系统构成，组成一个开环的声光混沌系统，另一部分经过适当的时间延迟，用于和开环声光系统产生的混沌信号相减，而解码出信息信号。 蔡氏电路是1983年提出的，它是一个三维自治振荡系统，如图15（a）所示，有四个线性元件电感L，电阻R，电容C1，C2和和非线性电阻组成，称为蔡氏二极管（Chuas Diode），蔡氏电路可以由一下状态方程描述：1211111()()VVVf VCR2213211()VVVICR321IVL四、几种实际的混沌保密通信系统 一种实时语音保密通信系统 一种微机控

17、制的保密通信系统 FX224是CONSUMER微电子公司转为话音保密通信设计的一种高性能保密通信芯片。它采用CMOS工艺设计，有多个可连续变动的可变分离频带（VSB），具有密钥多、保密度高、音质好，插入损耗低（0dB）、话音恢复质量优良、失真极小等特性。 FX224有省电模式/工作模式、保密模式/普通模式。这几种模式均为可选模式并可切换，使得FX224的应用更为灵活方便。 FX224即可单独使用，也可以与微处理机接口构成更高级的滚动式话音保密系统，性能远优于国内常见的AK2356等AK系列话音保密器件。国外，FX224通常作为高级通信保密器件用于军用电台的保密通信，而在国内较少见到。 五五 混

18、沌及其在通信系统中的应用混沌及其在通信系统中的应用 混沌及其在通信系统中的应混沌及其在通信系统中的应用用 基于基于FM-DCSK的数字混沌的数字混沌通信通信 软件无线电的仿真研究软件无线电的仿真研究 数字混沌通信用于软件无线数字混沌通信用于软件无线电电 总结总结混沌混沌混沌混沌（chaos)是一种貌似无规则的运动，具有内在随机性，对初值极端敏感，是一种能够控制并利用的“伪随机”过程。研究混沌的动机研究混沌的动机 在一些控制系统中，Chaos被认为是一种“麻烦”。 而现在越来越多的的工程中需要利用这种“麻烦” 的优越性。 混沌的产生混沌的产生分岔分岔：泛指在动力学系统中，当控制参量改变时，其相图

19、发生拓扑结构的突变。分岔后会产生新的平衡态，那么当系统的参数进一步改变时，动力系统就产生了混沌。 Li-Yorke定义： 上是混沌的。在则称有：的任意周期点及）任给（重函数关系。表示这里有：）任给（不包含周期点。）（满足果存在不可数集合中的一个子区间。如是设连续自映射SfPfXfIPfSXtffffXfXfXfXfSXXSISRIRIIftttttttttt0)()(suplim3)(.()(0)()(inflim0)()(suplim,21:,:11212121 虫口问题模型罗杰斯（Logistic)映射： ：一个例子一个例子 1 , 0)1 (1xxxxnnnn混沌。、周期的变化演变为周期

20、随周期二。在两个值之间跳动，称时，当时，有周期一解。当时，发生临界分岔。当内任选一个初值，时，在线段.84.633110, 10100nnxxx混沌产生的主要模型混沌产生的主要模型 由数字映射产生由数字映射产生 上文的罗杰斯(Logistic)映射就是一例，还有尹侬(Henon)映射、圆周映射、混沌耦合映象格子。 基于某个非线性状态方程基于某个非线性状态方程 最著名的有Chuas电路、Lorenz电路、Duffing系统方程电路等。 2LL212211211Vdt/Ldii)VV(Gdt/dVC)V(g)VV(Gdt/dVCs Chua 电路的状态方程保密通信保密通信 由于混沌信号的可同步、宽

21、频谱及伪随机特性，提高了通信的保密程度，这是也是目前混沌研究的一个热点。 基本方法有： 混沌遮掩； 混沌开关； 混沌调制。混沌保密通信的常规模型 为了准确的还原发射机产生的混沌为了准确的还原发射机产生的混沌信号，就必须在接收端能够产生与信号，就必须在接收端能够产生与发端同步的混沌信号，这是目前的发端同步的混沌信号，这是目前的一个瓶颈。混沌同步只有在某些理一个瓶颈。混沌同步只有在某些理想情况下才能实现。想情况下才能实现。 另一方面另一方面,如何避开同步问题而进行如何避开同步问题而进行通信，人们开始研究非同步的混沌通信，人们开始研究非同步的混沌通信，下面提出一个非同步数字混通信，下面提出一个非同步

22、数字混沌通信方法沌通信方法。混沌同步混沌同步 近些年来提出了许多无须同步的混沌遮掩、混沌开关、混沌调制技术。 FM-DCSK(调频-差分混沌移位键控) 是DCSK（差分混沌移位键控)的变形。系统中引入了FM调制器，以混沌信号作为输入，调制器输出为振幅不变而频率无规则变化的FM信号。 基于基于FM-DCSK的数字混沌通信的数字混沌通信 代表“0”或“1”的一个位信息有两部分组成：第一部分为参考信号，第二部分为信息信号。当连续出现“1”和“0”时，此信息为“0”，当出现“1”和“1”时，此信息为“1”。表达式如下： DCSK的编码的编码(差分混沌移相键控差分混沌移相键控) sisissiiBTtt2/Tt)2/Tt (x2/Tttt) t (x) t (s 位信息 1 0 已调信号 1 1 1 0 混沌信号的“类噪声”特性使得很难从信号幅度中判决出二进制信息，而平均比特能量的引入很好的解决了这一问题。不同混沌电路以