柯俊霄

(四川托普信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院，四川成都 611743)

0 引言

如何提高通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時希望運算檢測結(jié)果穩(wěn)定，減少誤碼率，更重要的適用于現(xiàn)代數(shù)字通信系統(tǒng)中對信息的保密性越來越高的要求，是目前混沌保密通信研究的努力方向。針對上述這一系列的問題，對QCSK數(shù)字調(diào)制方式進行了改進，提出了一種新型的混沌鍵控數(shù)字保密通信方案—相關(guān)延遲－差分四項相移混沌鍵控(CD-QCSK)通信系統(tǒng)。該混沌鍵控系統(tǒng)同時兼具CDSK系統(tǒng)保密性高和QCSK誤碼率低的優(yōu)點，系統(tǒng)的誤碼率性能和保密性也都有所提高，并且系統(tǒng)的傳輸速率是原有鍵控方式的4倍。

1 CD-QCSK的設(shè)計原理

CD-QCSK通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)的原理框圖如圖1所示，改進后得到的CD-QCSK系統(tǒng)在原理上主要結(jié)合了QCSK誤碼率低和CDSK保密性高的優(yōu)點，并且將信號的傳輸速率提高了2倍。

圖1 相關(guān)延遲－差分混沌鍵控(CD-QCSK)系統(tǒng)原理框圖

2 CD-QCSK通信系統(tǒng)的仿真分析

這里選擇logistic混沌映射作為發(fā)送端的混沌發(fā)射系統(tǒng)，通過Matlab/Simulink中的可視化模塊搭建CD-DCSK通信系統(tǒng)仿真框圖，來分析該通信系統(tǒng)的性能。首先從時域上仿真分析一下系統(tǒng)的可實現(xiàn)性，需要傳輸?shù)挠杏眯盘柸鐖D2所示，將需要傳輸?shù)亩敌畔ⅰ?，1”序列先調(diào)制成“+1，－1”序列，然后再通過發(fā)射端進行調(diào)制發(fā)送，通信系統(tǒng)經(jīng)過3 s后同步解調(diào)出了有用信息。通過圖3可以看出在接收端很好地將接收信號解調(diào)出來了。

圖2 需要傳輸?shù)挠杏眯盘?/p>

圖3 接收端解調(diào)出的信號

改進的CD-QCSK系統(tǒng)借鑒CDSK的調(diào)制原理，信道中傳輸?shù)氖腔煦缧盘柵c延遲后并經(jīng)發(fā)送信息符號調(diào)制后的疊加信號，所以在信道中，沒有重復(fù)或相位相同的混沌信號，這就使得信號傳輸?shù)谋Ｃ苄缘玫搅吮ＷC。而且在一個相同的符號周期內(nèi)，改進的CD-QCSK利用相位延遲時間差，在2個半段符號周期都攜帶有用信號，提高了頻帶的利用率，傳輸速率是QCSK的2倍。CD-QCSK系統(tǒng)在信道中傳輸?shù)氖墙?jīng)過相關(guān)延遲疊加后混沌信號，利用了混沌序列所特有的性能，所以在信道中，信號傳輸?shù)谋Ｃ艿玫搅吮ＷC。CD-QCSK信道中傳輸?shù)恼{(diào)制后的混沌信號如圖4所示，可以看出在CD-QCSK信道中傳輸?shù)男盘柕谋Ｃ苄暂^其他鍵控方式更勝一籌，而且CDQCSK信道中傳輸?shù)男盘柋忍啬芰勘菴DSK和QCSK信道中更加均勻，不會產(chǎn)生接收端因單位比特能量隨著時間改變造成估計問題。

圖4 CD-QCSK信道中傳輸?shù)恼{(diào)制后的混沌信號

在這里僅需對比分析DCSK、CDSK和改進的DCSK系統(tǒng)，以及碼元傳輸速率和改進的CD-DCSK相當(dāng)?shù)腝CSK系統(tǒng)在GN信道中的誤碼率性能。在AWGN信道下，CDSK通信系統(tǒng)的誤碼率性能較另外鍵控方式相比較差，而QCSK系統(tǒng)的性能要好于DCSK系統(tǒng)。當(dāng)信噪比較高時，CD-DCSK和QCSK的誤碼率性能比較接近;在QCSK的誤碼率CD-DCSK逐漸增大;在給定BER=10/3條件下，CD-QCSK較QCSK調(diào)制方信噪比提高了2.2～2.7 dB。所以總體上看，CD-QCSK系統(tǒng)的誤碼率性能要優(yōu)于QCSK、CDSK和DCSK系統(tǒng)。

3 數(shù)字化后的混沌遮掩的實現(xiàn)

3.1 混沌加密前后效果圖

利用Matlab和Dsp Builder軟件搭建仿真系統(tǒng)模型，由于數(shù)字化后的混沌信號為0，1序列，因此傳輸?shù)臄?shù)字圖像選擇為256×256像素的Lena二值圖像，驅(qū)動系統(tǒng)的初始值為(10，20，15)，響應(yīng)系統(tǒng)的初始值為(1，2，3)。首先仿真實現(xiàn)數(shù)字化后的混沌序列與二值圖像的像素值相加實現(xiàn)圖像信號的遮掩同步保密通信，然后數(shù)字化后的混沌遮掩同步通信系統(tǒng)傳輸二值圖像信號的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)字化后的混沌遮掩疊加加密數(shù)字圖像仿真結(jié)果

由圖像傳輸?shù)姆抡娼Y(jié)果可以看出，在采用離散數(shù)字化后的混沌序列直接與二值圖像進行疊加這一方式時，數(shù)字化后的混沌遮掩同步通信系統(tǒng)并沒有很好地掩蓋傳輸?shù)臄?shù)字圖像信號，在信道中傳輸?shù)臅r頻信號就已經(jīng)泄漏出了發(fā)送的數(shù)字信號。由于傳輸?shù)亩祱D像的像素值只有0和1兩種情況，所以原圖像和加密后圖像的相鄰像素的相關(guān)性和圖像的統(tǒng)計直方圖的比較無法從圖像中體現(xiàn)出來，但是我們還是可以通過比較原圖像和加密中灰度值為0和1的像素的個數(shù)，和計算相鄰像素的相關(guān)系數(shù)得到加密圖像的安全性能。

由混沌鍵控通信系統(tǒng)信道中信號的相關(guān)程度的仿真圖可以看出，與之前的研究分析相符合，改進得到的CD-QCSK系統(tǒng)的信道的安全性最好，幾乎相當(dāng)于高斯白噪聲的自相關(guān)程度，相對來講QCSK系統(tǒng)的信道中傳輸信號的相關(guān)系數(shù)最大。我們改進得到的CD-QCSK系統(tǒng)通過調(diào)制信道中的混沌信號實現(xiàn)數(shù)字信息的保密傳輸，傳輸?shù)臄?shù)字信息不會直接參與信道中的發(fā)送，從系統(tǒng)的誤碼率和信息傳輸速率來考慮，其保密性能要更好。

4 結(jié)束語

基于Matlab/Simulink軟件實現(xiàn)了仿真，改進得到新型混沌鍵控保密通信系統(tǒng)CD-QCSK的數(shù)字圖像信號的保密傳輸，并且對混沌遮掩保密通信的加密方式進行了改進，也取得了較好的效果。然后依據(jù)混沌系統(tǒng)圖像加密技術(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)分析比較了這幾種通信系統(tǒng)的傳輸性能，CD-QCSK鍵控系統(tǒng)的信道傳輸信號不同時刻的自相關(guān)系數(shù)最小，驗證了它們具有更優(yōu)越的安全性，很好的應(yīng)用價值。

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