[发明专利]基于FPGA的混沌数字保密通信系统的设计方法

说明书

技术领域

本发明是一种基于FPGA(现场可编程门阵列)的混沌数字保密通信系统的设计方法，属于混沌数字保密通信系统设计方法的改造技术。

背景技术

现有近十多年来，国际上对混沌系统的同步问题进行了较为广泛深入的研究。1990年，美国海军实验室研究人员Pecora和Carroll等人的研究结果表明，在一个混沌信号的驱动下，两个混沌系统之间可能达到自同步状态。在这个基础上，利用混沌的自同步特性来实现保密通信的方法得到越来越多的研究，其中主要有混沌掩盖、混沌键控、混沌参数调制、混沌扩频、混沌码分多址以及数字混沌通信技术等等。尽管如此，混沌保密通信还存在下面一些问题：(1)对连续混沌系统而言，由于电路元件的生产精度有限，参数不可能完全一致，必然导致收发双方混沌系统的差异，从而影响通信的性能。(2)采用在混沌信号中加入小幅度的原始信号的混沌保密通信技术，为了实现有效的自同步，往往需要原始信号功率相对混沌信号功率很弱，这样，经混沌解密后的信噪比大大降低；同时，这种方案在原则上可以通过线性滤波器来实现解密，因而还不够保密。(3)混沌系统的自同步特性允许收发系统的参数存在一定的不同，使得在系统参数大致了解的情况下就可能基本恢复信号，这必然会降低通信的保密性。混沌系统作为PRNG(Pseudo RandomNumber Generation)产生传统密码算法的密钥，从传统密码算法这一点来看类似于一次一密，而从整个系统来看，本质上是将传统密码算法的密钥空间拓展为混沌系统的参数和初值空间。与各种混沌加密方法相比，这种加密思路具有创造性，极赋生命力。如何把传统的数据加密算法与混沌加密算法相结合，应用于加密通信具有重要意义，是混沌加密通信发展的重要方向。众所周知，数字通信系统以其抗干扰能力强，易于加密，易于大规模集成等特点，在通信行业中将取代模拟通信而占主要地位。而且，数字混沌系统比较模拟混沌系统具有结构简单，易于实现，保密性能高等优势，混沌信号是由确定性方程产生的类似随机宽频谱信号，具有优良的相关特性。混沌序列复杂、难以长期预测，并且只需更改系统参数和状态初值即可获得大量的优良序列，因此混沌序列特别适合在保密通信和信息加密领域中应用。因而，混沌技术在数字保密通信中的应用研究也就更具有现实意义。目前，数字混沌保密通信技术的研究大都基于一维和二维混沌系统。有研究表明低维混沌系统保密性是不够的，而且很难实现自同步。因此有必要探索基于高维混沌系统乃至超混沌的自同步加密方法。

现有混沌保密通信还存在下面一些问题：(1)对连续混沌系统而言，由于电路元件的生产精度有限，参数不可能完全一致，必然导致收发双方混沌系统的差异，从而影响通信的性能。(2)采用在混沌信号中加入小幅度的原始信号的混沌保密通信技术，为了实现有效的自同步，往往需要原始信号功率相对混沌信号功率很弱，这样，经混沌解密后的信噪比大大降低；同时，这种方案在原则上可以通过线性滤波器来实现解密，因而还不够保密。(3)混沌系统的自同步特性允许收发系统的参数存在一定的不同，使得在系统参数大致了解的情况下就可能基本恢复信号，这必然会降低通信的保密性。此外，在目前国内外许多有关混沌通信的文献中，其研究范围大多是局限于计算机仿真和电路仿真而比较缺少对硬件实验尤其是混沌数字通信硬件实验方面的详细报道。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种实时性好，具有较高的保密性的基于FPGA的混沌数字保密通信系统的设计方法。本发明实现了混沌加密体制与传统密码体制的相结合，基本上实现了“一次一密”的加密体制，本发明设计的保密通信系统不仅可以用于语音保密通信，还可以传送机密的二进制文件，只要是能表示二进制数据的都可以进行保密通信，本发明设计的系统可运用图像加密/解密和通过以太网传输。

本发明的技术方案是：本发明基于FPGA的混沌数字保密通信系统的设计方法，其包括有如下步骤：

1)通过FPGA硬件对连续混沌系统作离散化处理；

2)通过FPGA硬件设计混沌离散系统，使其在一定精度下产生数字混沌序列，采用该数字混沌序列作为密钥；

3)以混沌离散系统为基础，设计驱动响应式同步保密通信系统，构建一个信号在内的闭环回路，用网格状蔡混沌实现两块FPGA开发板的有限数字语音通信，实现基于网格状蔡混沌系统的实时语音保密通信系统的设计。

上述步骤3)基于网格状蔡混沌系统的实时语音保密通信系统的设计过程如下：

建立网格状蔡混沌系统动力学方程：