1、 本科生畢業設計（論文）開題報告學生姓名： 葛濟賓 導師姓名、職稱： 劉泉 教授 所屬學院： 信息工程學院 專業班級： 通信1003班 設計（論文）題目： 基于DSP的混沌語音加密系統 2014年 3月 6日 武漢理工大學本科生畢業設計（論文）開題報告1、目的及意義（含國內外的研究現狀分析）1.1 研究目的及意義隨著信息化時代的到來，計算機、網絡、通信等技術迅猛發展。信息成為了第一生產要素，同時構成了信息化社會的重要技術物質基礎。數字信息也得到了日益廣泛的應用。然而，數字信息很容易被復制和傳播，對其應用帶來了非常不利的影響，特別是對于保密力度高的機密信息。因此對信息安全問題的關注上升到了維護國

2、家信息安全的高度，信息安全問題成為了人們面臨的亟待解決的問題。其中密碼技術是信息安全的研究內容之一，是保障數據安全的重要核心技術。語音是人們進行交互的基礎，是獲取信息的有效途徑。現代數字信息中，語音信息又在信息產業中占據著舉足輕重的地位。無論是對國家、社會還是個人來說，保障語音信息的安全意義重大。從國防、軍事的角度來說，如果機密信息被竊取并破譯，不僅威脅到國家安危更不利于社會穩定和人民安定。所以如何有效的保障國家的機密不被惡意竊取獲得，或者即使被竊取也不會被破譯，成為一個必須去考慮和研究的問題；從社會地位來說，目前的商業機密越來越多。商家如何能在交易中妥善的保護自己的機密信息，從而立于不敗之地

3、也是迫切需要去解決的問題。對于個人來說，雖然保密的必要性沒有前兩者這么強，但隨著人們對個人隱私不斷重視，對語音信息進行加密也是有一定的實際價值。混沌是確定性系統中的一種貌似隨機的運動。混沌和密碼學之間有著天然的不可或缺的聯系。混沌系統具有的一些動力學特性和傳統密碼系統的某些安全特征相對應，而傳統密碼系統的良好混合性又暗示著擬混沌現象。如，混沌系統的混合性、遍歷性和確定性對應著密碼學的混淆和散布。因此，利用混沌來對現代信息進行有效合理的處理就成了一種很自然的想法。混沌系統對初始值有高度敏感性，其軌道呈現出類似噪聲的隨機狀態，無法對其進行預測。這樣的特點使它和加密算法有了緊密的聯系，混沌系統在加密

4、領域有了廣泛的應用前景。但是由于大部分混沌加密系統都采用自然的混沌系統，它們不一定能提供具有嚴格密碼學意義下的保密性。為了提高混沌加密的保密性，人們的注意力轉向數字加密。利用數字系統產生數字混沌并用于加密。如利用 FPGA 離散化模擬混沌系統并產生了數字混沌序列。但是在數字環境下無法實現真實的混沌系統，因為混沌系統都是定義在連續域中的。而在數字系統中的所有運算都是在有限精度下進行的，容易產生周期退化和數字混沌序列性能差，保密力度不強等現象。所以必須對混沌的迭代過程進行改進，以克服數字混沌序列所存在的一些缺點。設計最優化的數字混沌加密算法，并采用功能強大的數字處理器件實現。在語音通信系統中，帶寬

5、始終是一種很寶貴的資源。為了節省傳輸過程中的占用帶寬和提高傳輸效率，在保證語音質量的前提下，需對原始的語音信號進行壓縮編碼。語音編解碼和加密是語音通信系統中必不可少的兩個部分。1.2 國內外研究現狀所謂混沌系統的混沌性是指系統的動力學行為呈現一種局部不穩定而又具有有界性和某種整體混合性（或遍歷性）。動力系統混沌行為的發現和研究可以追溯到 Maxwell 和Poincare。早期有許多科學家相繼對混沌動力學這一激動人心的科學領域作出了貢獻，如Adamard 和 Morse 等。著名的三體問題、遍歷假設以及非線性振子為混沌的早期發展提供了典型范例。20 世紀 60 年代，一些數學家已經發現大量混沌

6、系統的例子，如著名的 Anosov 系統。到了 70 年代，人們對混沌特性的認識發生了戲劇性的變化。1963 年，美國麻省理工學院的氣象學就 Lorenz 在一家氣象科學雜志上發表的論文得到了人們的重視，該論文研究了一個簡化的常微分方程系統，并清晰地描述了混沌特性的計算機數值研究結果，該論文所描述的混沌后來被人們稱作 Lorenz 吸引子；Henon 發現了一個典型的映射，具有混沌吸引子；美國理論生物學家 May 在一篇種群動力學的論文中研究了倍周期分岔進入混沌的道路。李天巖和 Yorke 研究了一類一維映射，得到了具有局部不穩定性的離散系統。由于計算機技術的飛速發展和硬件的廣泛普及，混沌的發

7、現和研究在各個領域迅速擴大。混沌科學的應用研究已經由控制或抑制混沌發展到如何有效地利用混沌。動力系統的混沌性在通信技術和信號處理方面的應用研究更是如火如荼，其中混沌通信和混沌電路設計就是這樣一個方興未艾的前沿領域，目前已經是融數學、控制理論、電子通信于一體的交叉性學科。混沌現象的本質實際上是對初值的敏感依賴性。在拓撲學上，簡單來說，混沌映射就是一個不斷拉伸折疊的動力學過程，設計一個混沌系統，目的就是為了構造一個含有混沌映射的動力系統。在一維的情況下，混沌現象大多是通過映射來實現的，比如著名的 logistic 模型。對于二維以上的混沌系統，既有時間離散的系統，也有時間連續的系統。對于離散時間系

8、統，演化過程本身就是一個混沌映射；而對于連續時間系統，常常表現為常微分動力系統。但是，仍然可以借助于 Poincare 截面和切換面等輔助手段，把連續的系統轉化為映射來研究。反過來講，對于二維以上混沌系統的設計，我們可以事先構造出 Poincare 截面和切換面上若干集合之間的混沌映射，然后再設計并實現蘊含這些映射的連續動力學系統。高維混沌系統，如四維超混沌系統，其行為復雜能力比低維混沌系統要強，所以利用低維系統的耦合是設計高維混沌系統的有效途徑。利用現有的集成芯片比如運算放大器、電壓比較器、電流傳輸器和模擬乘法器來實現混沌電路，已經有比較成熟的理論。人們可以容易地構造出混沌電路所需的基本單元

9、：積分電路、加法電路和乘法電路。但是，由于模擬器件的一些自身特性，如器件參數易受外界環境的影響，穩定性不高等，限制了混沌在實際工程中的應用。隨著數字處理器的高速發展，利用數字芯片代替傳統的模擬器件來實現混沌系統成為了一種必然趨勢，并且這種可行性也得到了大量的實驗驗證。比如用單片機實現 logistic 映射；利用虛擬儀器軟件 LabVIEW 設計混沌信號發生器；利用 FPGA 實現四維超混沌數字序列，經實驗證明利用數字芯片離散化后的混沌系統仍具有原始連續混沌系統的特性。DSP 數字信號處理器是一種專門為實時、快速實現各種數字信號處理算法而設計的具有特殊結構的微處理器。CCS(Code Comp

10、oser Studio)是TI開發的一個完整的DSP集成開發環境。在 CCS 中，集成了常規的開發工具，如源程序編輯器、代碼生成工具（編譯器、連接器）以及調試環境等。利用 CCS，我們不僅可以進行軟件仿真，也可以實現硬件調試。它與 DSP 的完美結合，使得整個開發流程簡單且易于實現。基于上述混沌系統的設計與實現方式，將連續的混沌系統離散化后在 CCS 中用 C 語言編寫迭代算法，編譯通過后將工程文件下載到 DSP 中運行，最終實現混沌系統的數字化。數字混沌的 DSP 實現，使得混沌序列在實際保密應用領域邁出了重要一步。2、研究（設計）的基本內容、目標、擬采用的技術方案及措施本文以數字混沌序列的

11、加密為背景，利用Arnold變換和Logistic映射組成的混合加密算法系統對語音信號進行加密，設計并制作一套基于DSP的語音混沌加密系統。以TMS320VC5509芯片為核心,以高保真語音編解碼芯片TLV320AIC23,同步動態隨機存儲器SDRAM和異步存儲器FLASH為主要外設完成了系統的硬件設計，具體硬件設計電路包括:電源模塊、時鐘模塊、外擴存儲器模塊、音頻編解碼器模塊、JTAG接口、上電自舉模式和語音處理方式設定。首先進行語音采集、還原、存儲電路和DSP最小系統電路的設計；然后利用Matlab對Arnold變換和Logistic映射組成的混合加密算法進行仿真論證；編寫DSP軟件實現模

12、擬語音信號的采集、存儲和還原；編寫加解密程序，對采集的信號進行混沌語音加解密處理。最后對系統進行了ccs3.3中的仿真和板級實物測試。圖1 結構框圖利用TMS320VC5509的片上外設I²C模塊配置音頻編解碼器TLV320AIC23(簡稱AIC23)的內部寄存器,通過TMS320VC5509的緩沖串口(McBSP0)接收和發送采樣的音頻數據。數據流程為：經麥克風或立體聲輸入的語音數據通過AIC23采樣模數變換成數字信號,送到DSP內部的RAM中, TMS320VC5509根據設置的處理方式對語音數據進行相應的處理,并把處理結果存到SDRAM中；放音時，TMS320VC5509讀取S

13、DRAM中的數據,再經AIC23數模變換,這樣就能夠在立體聲輸出端或耳機輸出端聽到輸出的結果。3、進度安排第13周：查閱相關文獻資料，明確研究內容，了解研究所需理論基礎。確定方案，完成開題報告。第45周：熟悉掌握基本理論，完成英文資料的翻譯，熟悉開發環境。第69周：編程實現各算法，并進行仿真調試。第1012周：針對具體的實驗數據，完成整個系統的仿真，實現功能。第1315周：完成并修改畢業論文。第16周：準備論文答辯。4、參考文獻1 樊雷.IP語音混沌加密算法研究.學位論文.2004(2)2 侯爽.語音加密算法及其在網絡通信系統中的應用研究.學位論文.2007(6)3 樊雷，茅耀武，孫金生一種結

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15、民,程星.DSP應用開發實用子程序.北京:人民郵電出版社,200610王全龍,王鵬,林昌露.密碼學與編碼理論.北京:人民郵電出版社,2008 11Texas Instruments,Ineorporated.Using theTMS320C5509/C5509A Bootloader.2003(9).12Texas Instruments,Ineorporated.TPS767D301,TPS767D318,TPS767D325.199913Texas Instruments,Ineorporated.TMS320VC5503/5507/5509 DSP Extemal Memory Inte

16、rfaee(EMIF) Rererenee Guide.SPRU670A,SPRU670,200414 Frank Daehselt，Kristina Kelber，Wolfgang Schwarz，Joos Vandewalle. Chaotic versus classical stream ciphers-a comparative study. IEEE International SymPosium on Cireuits and Systems.1998，4:518-52115 Goldburg B.，Sridharan S.，Dawson E.On the use of a frequene domain vector code book for the cryptanalysis of analog speech scramblers. IEEE International Sympoisum onCircuits and Systems. 1991(l):328-3316 Jakimoski G， Koearev L. Chaos and cryptography: Block enecrytion chiphers based on chao