| 摘要：提出一種用蔡氏電路實(shí)現(xiàn)混純調(diào)制的語(yǔ)音保密通信方案,分析了系統(tǒng)的同步性能,在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)硬件實(shí)驗(yàn)電路,進(jìn)行傳送語(yǔ)音信號(hào)的硬件實(shí)驗(yàn)研究,并給了郵實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 關(guān)鍵詞：蔡氏電路 混沌同步 混沌調(diào)制 混沌通信 近年來(lái), 國(guó)際上相繼提出了將混沌同步理論應(yīng)用于保密通信領(lǐng)域的各種方法,其中主要包括混沌掩蓋[1]、混沌參數(shù)調(diào)制[2]、混沌移相鍵控（CSK）[3]和混沌數(shù)字碼分多址（CD）2MA)[4]等。為了進(jìn)一步提高混沌通信系統(tǒng)的保真度和安全性能, 人們正在探索新的傳輸方案[5-7]。 本文提出一種用蔡氏電路實(shí)現(xiàn)兩級(jí)混沌調(diào)制的語(yǔ)音保密通信方案。在發(fā)端, 利用蔡氏電路對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)混沌調(diào)制,在收端對(duì)其進(jìn)行逆變換解調(diào)出原信號(hào)。根據(jù)單向耦合法實(shí)現(xiàn)收發(fā)系統(tǒng)的同步,并分析了同步的收斂特性。通過(guò)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了傳送語(yǔ)音信號(hào)的硬件實(shí)驗(yàn)研究,在收端,用揚(yáng)聲器能還原出清晰而逼真的語(yǔ)音信號(hào)。 1 語(yǔ)音混沌保密通信硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的建立 采用蔡氏電路實(shí)現(xiàn)兩級(jí)混沌調(diào)制的語(yǔ)音保密通信方案硬件實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路如圖1所示。 圖中收發(fā)蔡氏電路的元件參數(shù)相同：R=1.75kΩ,L=19.2mH,C1=9.8nF,C2=100.5nF,r=10Ω。NR為蔡氏二極管,其伏安特性函數(shù)為f(V)=GbV+1/2(Ga-Gb)( V+E - V-E ),式中Ga=-0.76ms,Gb=-0.41nS,E=1V,可用雙運(yùn)放（TL082）和6個(gè)線性電阻構(gòu)成NR[8],如圖2怕示,其伏安特性如圖3所示。該系統(tǒng)的工作過(guò)程如下：在發(fā)端首先用混沌信號(hào)vc2對(duì)用信息s(t)進(jìn)行第一級(jí)調(diào)制后變?yōu)閟m(t),再通信線性變換T后成為s''m(t),經(jīng)VCCS后以電流is(t)的方式作用于發(fā)端系統(tǒng)（vc1,vc2,iL）,實(shí)現(xiàn)第二級(jí)調(diào)制。線性變換T的設(shè)置不僅能增加系統(tǒng)的安全性,而且可限制s''m(t)的大小,防止過(guò)調(diào)制現(xiàn)象。經(jīng)兩級(jí)混沌調(diào)制后,有用信息s(t)被調(diào)制在混沌信號(hào)vc1之中,形成一個(gè)類似于白噪聲的混沌擴(kuò)頻信號(hào)。發(fā)端系統(tǒng)的輸出信號(hào)vc1經(jīng)信道傳至收端,在收發(fā)系統(tǒng)參數(shù)匹配的情況下,收端再進(jìn)行與之相應(yīng)的逆變換,則可解調(diào)出信號(hào)s(t)。 2 系統(tǒng)的工作原理 2.1 收發(fā)系統(tǒng)之間的同步 由圖1,可得發(fā)端蔡氏電路的狀態(tài)議程為： C1dVc1/dt=(Vc2-Vc1)/R-f(Vc1)+is (1) C2dVc2/dt=(Vc1-Vc2)/R+iL (2) LdiL/dt=-Vc2-riL (3) 收端蔡氏電路的狀態(tài)議程為：
圖1中由于收發(fā)兩端電壓跟隨器的作用,有：
V''c1=Vc1 (7)
設(shè)收發(fā)兩端電容C2的誤差電壓為X=V''c2-Vc2,電感L的誤差電流為y=i''L-iL,由（2）、（3）、（5）、（6）和（7）五個(gè)方向,可得誤差信號(hào)狀態(tài)方程的矩陣形式為
（8）式的特征主程為 λI-JF =0,對(duì)其求解可得發(fā)下兩個(gè)特征值
式中b=1/RC2+r/L>0,c=r/RC2L+1LC2>0,λ1和λ2的實(shí)部為負(fù),故誤差方程（8）式全局收斂和穩(wěn)定, 因此,收發(fā)兩端的蔡氏電路可實(shí)現(xiàn)同步。 2.2 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào) 收發(fā)兩端參數(shù)匹配并且達(dá)到同步后,可將信號(hào)解調(diào)出來(lái)。發(fā)端的混沌調(diào)制信號(hào)為 is=GTg(Vc2,s(t)) (10) 在收端進(jìn)行與之相應(yīng)的逆運(yùn)算,得
s''(t)=(g -1)(V''c2,T -1(G-1)i''s) (11)
由于收發(fā)系統(tǒng)之間已實(shí)現(xiàn)同步,V''c1=Vc1,V''2=Vc2,再由（1）式和（4）式,有：i''s=is,將這些結(jié)果代入（10）和（11）式,得： s''(t)=s(t) （12） 由此可知,收端系統(tǒng)能解調(diào)出原信號(hào)s(t)。 式中g(shù)(*,*)可以是加減乘除運(yùn)算或者是更復(fù)雜的混合運(yùn)算,g -1(*,*)為g(*,*)的逆運(yùn)算。在硬件實(shí)驗(yàn)中,g(*,*)取加法運(yùn)算,g -1(*,*)取減運(yùn)算,T為衰減系數(shù),T -1為放大系數(shù),G和G -1則分別為VCCS和CCVS的G參數(shù)和R參數(shù),其中T=0.5,T -1=2,G=0.05mS,G -1=20kΩ,VCCS、CCVS可由運(yùn)放電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。限于篇幅,這里不再詳述。 3 系統(tǒng)的保真度和安全性能 按照（12）式,當(dāng)電路參數(shù)精確匹配時(shí), 收端可不失真地解調(diào)出信號(hào)S（t）,從理論上講,該系統(tǒng)具有較高的保真度。在硬件實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)收發(fā)電路的元件嚴(yán)格配對(duì),所有電阻均用精密可調(diào)電阻,收端電感L用仿真電感構(gòu)成,如圖4所示。調(diào)節(jié)電阻R5,可實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端電感的嚴(yán)格匹配。 另一方面,只有當(dāng)收端電路參數(shù)與發(fā)端電路參數(shù)精確匹配時(shí),才能將有用信息s(t)解調(diào)出來(lái),R、C1、C2、L等起到了密鑰參數(shù)的作用,因此,該系統(tǒng)又具有安全性。由于本方案采用了兩級(jí)混沌調(diào)制,增加了對(duì)信號(hào)破譯的難度,它和一般的單級(jí)混沌系統(tǒng)相比,安全性能得到了改善。 4 硬件實(shí)驗(yàn)結(jié)果 圖5為發(fā)端電路被s(t)調(diào)制后的雙渦卷混沌吸引子, 圖6為發(fā)端信號(hào)的混沌調(diào)制波形,圖7為正弦波信號(hào)的解調(diào)波形,圖8為語(yǔ)言信號(hào)的解調(diào)波形,圖9為音樂(lè)信號(hào)的解調(diào)波形,將s''(t)放大后輸入揚(yáng)聲器,能還原出非常清晰而逼真的語(yǔ)音信號(hào),在圖7～9的三張圖片中,上端波形為輸入信號(hào)s（t）,下端波形為解調(diào)出的信號(hào)s''(t)。文中所有圖片均取自于數(shù)字存儲(chǔ)式示波器TDS3012。 本文提出一種用蔡氏電路實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)幕煦缤ㄐ欧桨?在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了語(yǔ)音傳輸保密通信的硬件實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)該方案的研究,得出如下結(jié)論：（1）具有較好的幅頻響應(yīng)特性,改善了保真度,能滿足傳送語(yǔ)音信號(hào)的要示;(2)采用了兩級(jí)混沌調(diào)制,改善了系統(tǒng)的安全性能。同時(shí),電路參數(shù)R、C1、C2和L等起到了密鑰參數(shù)的作用,在事先不知道發(fā)端電路參數(shù)的情況下,要想破譯有用信號(hào)有一定的難度。因此,本文案具有安全性;（3）電路實(shí)現(xiàn)并不復(fù)雜,具有實(shí)用性。 |
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