1990年，美國海軍實驗室研究人員Pecora和Carroll首次利用驅(qū)動一響應(yīng)法實現(xiàn)了兩個混沌的同步后，混沌同步技術(shù)和混沌保密通信成為國際、國內(nèi)通信領(lǐng)域的一個研究熱點。國際上相繼提出了各種混沌通信制式及其理論與方法，由此使混沌保密通信成為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的一個新的分支。

　　混沌保密通信發(fā)展歷比為四代。代為1993年提出的加性混沌遮掩系統(tǒng)和混沌鍵控系統(tǒng)；第二代為1993~1995年提出的混沌調(diào)制系統(tǒng)；第三代為1997年提出的混沌密碼系統(tǒng)；第四代為1997年提出的基于脈沖控制理論的脈沖同步混沌系統(tǒng)。

　　混沌同步是建立一個混沌保密通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。實際上，正是混沌同步的發(fā)展引起混沌保密通信系統(tǒng)的發(fā)展。代混沌保密通信基于簡單的混沌同步，立足于反饋控制理論。第二、三代混沌保密通信基于自適應(yīng)同步，源于自適應(yīng)控制理論。大體上，前三代的混沌同步均為連續(xù)同步。前三代的不足之處在于同步信號的帶寬相對于發(fā)送的信息較寬，需要30kHz,信道利用率低。基于脈沖同步的第四代混沌保密通信系統(tǒng)可以克服這個不足，一個三階混沌發(fā)射機(jī)的同步信號只需不大于95Hz的帶寬。

　　基于混沌系統(tǒng)之間能夠達(dá)到自同步，發(fā)展了多種同步技術(shù)，如：混沌掩埋技術(shù)、混沌調(diào)制技術(shù)、混沌開關(guān)技術(shù)以及數(shù)字混沌通信技術(shù)等，分別運用于連續(xù)混沌通信系統(tǒng)和數(shù)字混沌通信系統(tǒng)。眾所周知，數(shù)字通信系統(tǒng)以其抗干擾能力強(qiáng)，易于加密，易于大規(guī)模集成等特點，在通信行業(yè)中將取代模擬通信而占主要地位。數(shù)字混沌系統(tǒng)比較模擬混沌系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，保密性能高等優(yōu)勢。所以混沌技術(shù)在數(shù)字保密通信中的應(yīng)用研究也就更具有現(xiàn)實意義。

　　本文對離散時間動力學(xué)系統(tǒng)邏輯影射進(jìn)行變換，使其在一定下產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，采用該數(shù)字混沌序列作為密碼，構(gòu)造了語音保密通信系統(tǒng)，并運用單片機(jī)實現(xiàn)了該系統(tǒng)的硬件實驗。

　　1 數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生

　　研究證明邏輯映射

　　可以產(chǎn)生大量具有均值為零、自相關(guān)為δ函數(shù)、互相關(guān)為零統(tǒng)計特性的優(yōu)良混沌序列，因而可作為理想的密碼序列，應(yīng)用于語音信號的保密傳輸。

　　要實現(xiàn)邏輯映射的數(shù)字化，一種方法是采用浮點運算。實際運算表明，浮點單（32bit）的運算結(jié)果脫離了混沌態(tài)，浮點雙（64bit） 的運算結(jié)果與理論接近。但在實際應(yīng)用中，64bit浮點雙運算需要內(nèi)存空間大，運算速度慢，而且不利于數(shù)字硬件實現(xiàn)。下面我們把邏輯映射的迭代過程由浮點運算變換為定點運算。

　　我們?nèi)粘Ｉ钪衅毡槭褂玫氖M(jìn)制小數(shù)同計算機(jī)中使用的二進(jìn)制存在如下關(guān)系：

　　其中：,從（3）式可知，X為一十進(jìn)制整數(shù)，它是由一個十進(jìn)制小數(shù)映射而來，而十進(jìn)制整數(shù)在計算機(jī)中可用定點整數(shù)形式來表示。

　　我們將（3）式代入邏輯映射（1）可得：

　　這就是邏輯映射的整數(shù)表達(dá)式。在作者即將發(fā)表的另一篇文章中，對L為64位、32位和16位分別進(jìn)行了計算機(jī)編程模擬，證明當(dāng)L=32時，式（5）產(chǎn)生的序列仍然處于混沌態(tài)（而同樣32bit條件下，采用浮點運算得不到混沌序列）。當(dāng)L=16時，式（5）產(chǎn)生的序列已經(jīng)脫離了混沌態(tài)，但經(jīng)過一定的非線性變換仍可產(chǎn)生混沌序列，對式（5）進(jìn)行微小的改動（即非線性變換）為：

　　其中，即X_n′為X_n的高低字節(jié)互換后的16位二進(jìn)制數(shù)。取L=16比特根據(jù)式（6）產(chǎn)生數(shù)字混沌序列的流程圖如圖1所示。因此整數(shù)運算優(yōu)于浮點運算，它降低了對計算的要求。產(chǎn)生L比特輸出，只需運算L×L比特定點運算，加快了計算速度，從而減低了對硬件電路的要求。

　　2 數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)

　　我們利用上述數(shù)字混沌序列作為密碼構(gòu)建了一個有混沌加密裝置的語音數(shù)字通信系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　發(fā)送端加密過程為：

　　其中Usn為發(fā)送端的語音信號，Xsn為發(fā)送端的混沌編碼序列，Ysn為發(fā)送端的混沌加密信號，為逐位模二加計算符。

　　接受端解密過程為加密過程的逆運算：

　　

　　其中，Yrn為接收到的加密信號，Sn為信道的接收噪聲，Urn為解密輸出。顯然，當(dāng)通道噪聲為零，收發(fā)雙方采用相同的混沌系統(tǒng)（相同初條件的邏輯映射整數(shù)表達(dá)式（6））產(chǎn)生的編碼序列進(jìn)行加解密，即Sn=0Xrn=Xsn時，就有Urn=Usn.從而實現(xiàn)誤碼率為零 的數(shù)字語音混沌保密通信。

　　3 硬件實現(xiàn)

　　我們運用單片機(jī)實現(xiàn)了上述數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)。單片微型計算機(jī)是微型計算機(jī)發(fā)展中的一個重要分支，它具有體積小、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等獨特結(jié)構(gòu)和性能。用單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字語音混沌保密通信系統(tǒng)可以滿足保密通信的隱蔽性、靈活性、保密性等要求。

　　我們運用8031單片機(jī)設(shè)計的數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。在發(fā)送系統(tǒng)中，從話筒輸入的語音信號經(jīng)過4066芯片采樣保持，根據(jù)人類語音的頻譜成分一般在10kHz以下，而從一定可懂度考慮，只需保留3.5kHz以下的頻譜，故采樣頻譜選取8kHz;在0809芯片進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；在8031芯片編程產(chǎn)生混沌密碼序列，與輸入的數(shù)字語音信號進(jìn)行加密運算，然后把密文發(fā)送到通信線路上（采用基帶通信）。接收端的單片機(jī)8031芯片用于接收密文信號并產(chǎn)生與發(fā)送端相同的混沌編碼序列，然后兩者進(jìn)行解密運算并把解密信號輸出到0832芯片；在0832芯片對解密信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換變成語音模擬信號并經(jīng)過放大和低通濾波后推動揚(yáng)聲器播放，整個通信過程為實時通信。為了說明該系統(tǒng)保密通信效果，在輸入端，我們用信號發(fā)生器產(chǎn)生-1kHz方波信號輸入該系統(tǒng)，并編寫了兩套程序。一套程序在發(fā)送端對方波信號加密但在接收端不解密。另一套程序在發(fā)送端對方波信號加密且在接收端解密，從示波器可觀察到兩種輸出結(jié)果，加密信號的時間波形雜亂無章，完全覆蓋了原始信號，從揚(yáng)聲器聽到的是一片噪聲。信號的加密、傳輸、解密過程產(chǎn)生的時延很小，不影響實時通信；解密后輸出的方波信號與輸入方波信號比較出現(xiàn)了一定的失真，但主要是高頻失真，因而該系統(tǒng)成功的實現(xiàn)了語音保密通信。

 圖3 數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　4 討論

　　在數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)中，數(shù)字混沌序列的產(chǎn)生是很重要的一個方面，它產(chǎn)生的方法直接影響到通信系統(tǒng)硬件的復(fù)雜程度。采用本文所述的由浮點運算變換到定點運算的邏輯運算的整數(shù)表達(dá)式來產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，可以極大地加快計算速度，降低對計算的要求，因而可用廣泛使用的8031單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字語音混沌通信系統(tǒng)。當(dāng)然，要提高通信的效果，還要提高語音信號的采集速度，減少量化噪聲，這就要求單片機(jī)具有較高CPU運行速度，可考慮使用高位單片機(jī)來實現(xiàn)該語音保密通信的硬件系統(tǒng)。同時，在選用高速CPU單片機(jī)的前提下，也可嘗試?yán)蒙鲜稣Z音數(shù)字通信系統(tǒng)對大數(shù)據(jù)量的圖形、圖象和多媒體信號實現(xiàn)保密通信或進(jìn)一步改進(jìn)系統(tǒng)為無線傳輸，以滿足廣泛的實際應(yīng)用的要求。