葛济宾-毕业设计开题报告-3-12

本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名：葛济宾导师姓名、职称：刘泉教授所属学院：信息工程学院专业班级：通信1003班设计（论文）题目：基于DSP的混沌语音加密系统2014年3月6日武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）1.1研究目的及意义随着信息化时代的到来，计算机、网络、通信等技术迅猛发展。信息成为了第一生产要素，同时构成了信息化社会的重要技术物质基础。数字信息也得到了日益广泛的应用。然而，数字信息很容易被复制和传播，对其应用带来了非常不利的影响，特别是对于保密力度高的机密信息。因此对信息安全问题的关注上升到了维护国家信息安全的高度，信息安全问题成为了人们面临的亟待解决的问题。其中密码技术是信息安全的研究内容之一，是保障数据安全的重要核心技术。语音是人们进行交互的基础，是获取信息的有效途径。现代数字信息中，语音信息又在信息产业中占据着举足轻重的地位。无论是对国家、社会还是个人来说，保障语音信息的安全意义重大。从国防、军事的角度来说，如果机密信息被窃取并破译，不仅威胁到国家安危更不利于社会稳定和人民安定。所以如何有效的保障国家的机密不被恶意窃取获得，或者即使被窃取也不会被破译，成为一个必须去考虑和研究的问题；从社会地位来说，目前的商业机密越来越多。商家如何能在交易中妥善的保护自己的机密信息，从而立于不败之地也是迫切需要去解决的问题。对于个人来说，虽然保密的必要性没有前两者这么强，但随着人们对个人隐私不断重视，对语音信息进行加密也是有一定的实际价值。混沌是确定性系统中的一种貌似随机的运动。混沌和密码学之间有着天然的不可或缺的联系。混沌系统具有的一些动力学特性和传统密码系统的某些安全特征相对应，而传统密码系统的良好混合性又暗示着拟混沌现象。如，混沌系统的混合性、遍历性和确定性对应着密码学的混淆和散布。因此，利用混沌来对现代信息进行有效合理的处理就成了一种很自然的想法。混沌系统对初始值有高度敏感性，其轨道呈现出类似噪声的随机状态，无法对其进行预测。这样的特点使它和加密算法有了紧密的联系，混沌系统在加密领域有了广泛的应用前景。但是由于大部分混沌加密系统都采用自然的混沌系统，它们不一定能提供具有严格密码学意义下的保密性。为了提高混沌加密的保密性，人们的注意力转向数字加密。利用数字系统产生数字混沌并用于加密。如利用FPGA离散化模拟混沌系统并产生了数字混沌序列。但是在数字环境下无法实现真实的混沌系统，因为混沌系统都是定义在连续域中的。而在数字系统中的所有运算都是在有限精度下进行的，容易产生周期退化和数字混沌序列性能差，保密力度不强等现象。所以必须对混沌的迭代过程进行改进，以克服数字混沌序列所存在的一些缺点。设计最优化的数字混沌加密算法，并采用功能强大的数字处理器件实现。在语音通信系统中，带宽始终是一种很宝贵的资源。为了节省传输过程中的占用带宽和提高传输效率，在保证语音质量的前提下，需对原始的语音信号进行压缩编码。语音编解码和加密是语音通信系统中必不可少的两个部分。1.2国内外研究现状所谓混沌系统的混沌性是指系统的动力学行为呈现一种局部不稳定而又具有有界性和某种整体混合性（或遍历性）。动力系统混沌行为的发现和研究可以追溯到Maxwell和Poincare。早期有许多科学家相继对混沌动力学这一激动人心的科学领域作出了贡献，如Adamard和Morse等。著名的三体问题、遍历假设以及非线性振子为混沌的早期发展提供了典型范例。20世纪60年代，一些数学家已经发现大量混沌系统的例子，如著名的Anosov系统。到了70年代，人们对混沌特性的认识发生了戏剧性的变化。1963年，美国麻省理工学院的气象学就Lorenz在一家气象科学杂志上发表的论文得到了人们的重视，该论文研究了一个简化的常微分方程系统，并清晰地描述了混沌特性的计算机数值研究结果，该论文所描述的混沌后来被人们称作Lorenz吸引子；Henon发现了一个典型的映射，具有混沌吸引子；美国理论生物学家May在一篇种群动力学的论文中研究了倍周期分岔进入混沌的道路。李天岩和Yorke研究了一类一维映射，得到了具有局部不稳定性的离散系统。由于计算机技术的飞速发展和硬件的广泛普及，混沌的发现和研究在各个领域迅速扩大。混沌科学的应用研究已经由控制或抑制混沌发展到如何有效地利用混沌。动力系统的混沌性在通信技术和信号处理方面的应用研究更是如火如荼，其中混沌通信和混沌电路设计就是这样一个方兴未艾的前沿领域，目前已经是融数学、控制理论、电子通信于一体的交叉性学科。混沌现象的本质实际上是对初值的敏感依赖性。在拓扑学上，简单来说，混沌映射就是一个不断拉伸折叠的动力学过程，设计一个混沌系统，目的就是为了构造一个含有混沌映射的动力系统。在一维的情况下，混沌现象大多是通过映射来实现的，比如著名的logistic模型。对于二维以上的混沌系统，既有时间离散的系统，也有时间连续的系统。对于离散时间系统，演化过程本身就是一个混沌映射；而对于连续时间系统，常常表现为常微分动力系统。但是，仍然可以借助于Poincare截面和切换面等辅助手段，把连续的系统转化为映射来研究。反过来讲，对于二维以上混沌系统的设计，我们可以事先构造出Poincare截面和切换面上若干集合之间的混沌映射，然后再设计并实现蕴含这些映射的连续动力学系统。高维混沌系统，如四维超混沌系统，其行为复杂能力比低维混沌系统要强，所以利用低维系统的耦合是设计高维混沌系统的有效途径。利用现有的集成芯片比如运算放大器、电压比较器、电流传输器和模拟乘法器来实现混沌电路，已经有比较成熟的理论。人们可以容易地构造出混沌电路所需的基本单元：积分电路、加法电路和乘法电路。但是，由于模拟器件的一些自身特性，如器件参数易受外界环境的影响，稳定性不高等，限制了混沌在实际工程中的应用。随着数字处理器的高速发展，利用数字芯片代替传统的模拟器件来实现混沌系统成为了一种必然趋势，并且这种可行性也得到了大量的实验验证。比如用单片机实现logistic映射；利用虚拟仪器软件LabVIEW设计混沌信号发生器；利用FPGA实现四维超混沌数字序列，经实验证明利用数字芯片离散化后的混沌系统仍具有原始连续混沌系统的特性。DSP数字信号处理器是一种专门为实时、快速实现各种数字信号处理算法而设计的具有特殊结构的微处理器。CCS(CodeComposerStudio)是TI开发的一个完整的DSP集成开发环境。在CCS中，集成了常规的开发工具，如源程序编辑器、代码生成工具（编译器、连接器）以及调试环境等。利用CCS，我们不仅可以进行软件仿真，也可以实现硬件调试。它与DSP的完美结合，使得整个开发流程简单且易于实现。基于上述混沌系统的设计与实现方式，将连续的混沌系统离散化后在CCS中用C语言编写迭代算法，编译通过后将工程文件下载到DSP中运行，最终实现混沌系统的数字化。数字混沌的DSP实现，使得混沌序列在实际保密应用领域迈出了重要一步。2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施本文以数字混沌序列的加密为背景，利用Arnold变换和Logistic映射组成的混合加密算法系统对语音信号进行加密，设计并制作一套基于DSP的语音混沌加密系统。以TMS320VC5509芯片为核心,以高保真语音编解码芯片TLV320AIC23,同步动态随机存储器SDRAM和异步存储器FLASH为主要外设完成了系统的硬件设计，具体硬件设计电路包括:电源模块、时钟模块、外扩存储器模块、音频编解码器模块、JTAG接口、上电自举模式和语音处理方式设定。首先进行语音采集、还原、存储电路和DSP最小系统电路的设计；然后利用Matlab对Arnold变换和Logistic映射组成的混合加密算法进行仿真论证；编写DSP软件实现模拟语音信号的采集、存储和还原；编写加解密程序，对采集的信号进行混沌语音加解密处理。最后对系统进行了ccs3.3中的仿真和板级实物测试。音频编解码器TMS320VC5509DSPJTAG上电自举模式及语音处理方式设定电源电路模块SDRAMFLASH语音输入语音输出I²CMcBSP0图1结构框图利用TMS320VC5509的片上外设I²C模块配置音频编解码器TLV320AIC23(简称AIC23)的内部寄存器,通过TMS320VC5509的缓冲串口(McBSP0)接收和发送采样的音频数据。数据流程为：经麦克风或立体声输入的语音数据通过AIC23采样模数变换成数字信号,送到DSP内部的RAM中,TMS320VC5509根据设置的处理方式对语音数据进行相应的处理,并把处理结果存到SDRAM中；放音时，TMS320VC5509读取SDRAM中的数据,再经AIC23数模变换,这样就能够在立体声输出端或耳机输出端听到输出的结果。3、进度安排第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需理论基础。确定方案，完成开题报告。第4－5周：熟悉掌握基本理论，完成英文资料的翻译，熟悉开发环境。第6－9周：编程实现各算法，并进行仿真调试。第10－12周：针对具体的实验数据，完成整个系统的仿真，实现功能。第13－15周：完成并修改毕业论文。第16周：准备论文答辩。4、参考文献[1]樊雷.IP语音混沌加密算法研究.学位论文.2004(2)[2]侯爽.语音加密算法及其在网络通信系统中的应用研究.学位论文.2007(6)[3]樊雷，茅耀武，孙金生一种结合猫映射与Logistic映射的语音加密算法.控制与决策.2004(10):1167一1174[4]李辉.混沌数字通信.北京:清华大学出版社,2006[5]潭浩强.C程序设计.北京:清华大学出版社,1991[6]张勇.C/C++语言硬件程序设计)基于TMS320C500系列DSP.西安:西安电子科技出版社,2003[6]胡烨,姚鹏翼,江思敏.Protel99SE电路设计与仿真教程.北京:机械工业出版社,2007[7]李海森,周天.TMS320C55x系列DSP指令系统!开发工具与编程指南.北京:清华大学出版社,2007[8]周金萍,王冉,吴斌.MATLAB6实践与提高.北京:中国电力出版社,2001[9]汪安民,程星.DSP应用开发实用子程序.北京:人民邮电出版社,2006[10]王全龙,王鹏,林昌露.密码学与编码理论.北京:人民邮电出版社,2008[11]TexasInstruments,Ineorporated.UsingtheTMS320C5509/C5509ABootloader.2003(9).[12]TexasInstruments,Ineorporated.TPS767D301,TPS767D318,TPS767D325.1999[13]TexasInstruments,Ineorporated.TMS320VC5503/5507/5509DSPExtemalMemoryInterfaee(EMIF)RerereneeGuide.SPRU670A,SPRU670,2004[14]FrankDaehselt，KristinaKelber，WolfgangSchwarz，JoosVandewalle.Chaoticversusclassicalstreamciphers-acomparativestudy.IEEEInternationalSymPosiumonCireuitsandSystems.1998，4:518-521[15]GoldburgB.，SridharanS.，DawsonE.Ontheuseofafrequenedomainvectorcodebookforthecryptanalysisofanalogspeechscramblers.IEEEInternationalSympoisumonCircuitsandSystems.1991(l):328-33[16]JakimoskiG，KoearevL.Chaosandcryptography:Blockenecrytionchiphersbasedonchaoticma