在DSP-BIOS中实现的信号产生和加解密模块的设计.doc
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1、在DSP/BIOS中实现的信号产生和加解密模块的设计1 引言混沌是非线性动力系统所特有的一种运动形式,它广泛地存在于自然界。一般而言,混沌现象隶属于确定性系统而难以预测,隐含于复杂系统但又不可分解,呈现多种混沌无序却又颇有规则的图像。混沌信号的表现形式非常复杂,具有类噪声,非周期等特点。但是混沌系统本身又是确定的,由方程,参数所完全决定,是确定性非线形系统产生的不确定的信号,其状态完全可以重现。混沌系统对初值敏感。初值X0的微小的差异,Xn将有很大的差异。这种对初值的敏感性,很小的初值误差就能被系统放大,使得两个完全相同的混沌系统从几乎相同的初始条件开始演化,很快它们的轨道就变得差异很大,互不
2、相关。因此,系统的长期性是不可预测的。这些性质使得混沌信号具有长期不可预测性和很强的抗截获能力。所以将混沌掩盖引入保密通信领域具有极其广阔的前景和巨大的潜力。混沌信号的产生是混沌加密实现的关键,由某些硬件电路组成的物理系统(例如蔡氏电路和模拟Lorenz系统的振荡器等)所产生的连续混沌信号是不可预测的,传统的采用模拟电路产生混沌信号的方法虽然有很多优点,但仍存在着由于通信两端模拟电路的器件精度难以完全一致,导致同步性能不是很好的问题。而DSP具有小型嵌入式操作系统,实时加密,应用方便,又不存在器件的精度问题3 ,可以在保密通信中实现很好的同步。2 混沌加密的基本理论2.1 Lorenz方程混沌
3、信号的质量是加密效果的关键。文中选用Lorenz 系统。Lorenz 方程为三维,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:一是可以对多个系统变量进行处理产生序列密码。产生序列密码的原始混沌浮点数序列既可以是一个混沌变量的序列值,也可以是多个变量的函数值。这样序列密码的设计更灵活,有更大的空间。提高安全性、改善有限精度造成的短周期效应。二是能提供大量密钥空间。Lorenz 方程具有3个系统变量,也就是有3 个初始值,还有3 个系统参数,这些都可以用来作为序列密码系统的种子密钥4选取系统参数:u=16,r=45.2,b=4,初值的选取可以是不为零的任意数,最好能选
4、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。2.2 混沌信号的产生混沌信号的产生主要借助于DSP 强大的运算能力,采用数值计算的方法。混沌方程的微分数值计算方法主要有:欧拉方法、改进欧拉方法和四阶龙格-库塔法。这三种方法精度由低到高,计算量同样由低到高。文中采用欧拉法。运用欧拉法将方程化为差分方程:定义x、y、z 为双精度型,选取初值x0=0.15、y0=0.1、z0=0.1。方程参数值选取A=16、B=45.2、C=4,并定义步长为k,在给定初值的情况下,运用下面三个方程产生混沌信号:3 基于DSP 的混沌信号产生器3.1.硬件构成与系统框图考虑到算法复杂度与开发便利,本系统采用
5、TI 公司生产的通用高性能32 位定点DSP即TMS320DM642 作为主处理器。该处理器工作主频高达720MHZ,处理性能可达5760MIPS,完全可以满足算法的要求。整个加密系统的硬件是由上位机、两台DSP 及其外设组成5 ,硬件框图如图1 所示。PC 机通过JTAG 仿真器接口与DSP 相连,以方便PC 机对系统进行调试,DSP 负责混沌信号的产生与数据的加密。实时语音数据经过AD 采样传输到DSP 片内RAM 中。由于片内RAM 空间有限,DSP 将把所接受到的数据写到片外SRAM 中加以保存。DSP 调用特定的混沌加密算法,对所接受的数据进行加密处理,将加密后的数据通过DSP 的以
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