葛濟(jì)賓-畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告-3-12

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告學(xué)生姓名： 葛濟(jì)賓 導(dǎo)師姓名、職稱： 劉泉 教授 所屬學(xué)院： 信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 通信1003班 設(shè)計(jì)（論文）題目： 基于DSP的混沌語音加密系統(tǒng) 2014年 3月 6日 武漢理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告1、目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）1.1 研究目的及意義隨著信息化時(shí)代的到來，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信等技術(shù)迅猛發(fā)展。信息成為了第一生產(chǎn)要素，同時(shí)構(gòu)成了信息化社會(huì)的重要技術(shù)物質(zhì)基礎(chǔ)。數(shù)字信息也得到了日益廣泛的應(yīng)用。然而，數(shù)字信息很容易被復(fù)制和傳播，對(duì)其應(yīng)用帶來了非常不利的影響，特別是對(duì)于保密力度高的機(jī)密信息。因此對(duì)信息安全問題的關(guān)注上升到了維護(hù)國

2、家信息安全的高度，信息安全問題成為了人們面臨的亟待解決的問題。其中密碼技術(shù)是信息安全的研究內(nèi)容之一，是保障數(shù)據(jù)安全的重要核心技術(shù)。語音是人們進(jìn)行交互的基礎(chǔ)，是獲取信息的有效途徑?，F(xiàn)代數(shù)字信息中，語音信息又在信息產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位。無論是對(duì)國家、社會(huì)還是個(gè)人來說，保障語音信息的安全意義重大。從國防、軍事的角度來說，如果機(jī)密信息被竊取并破譯，不僅威脅到國家安危更不利于社會(huì)穩(wěn)定和人民安定。所以如何有效的保障國家的機(jī)密不被惡意竊取獲得，或者即使被竊取也不會(huì)被破譯，成為一個(gè)必須去考慮和研究的問題；從社會(huì)地位來說，目前的商業(yè)機(jī)密越來越多。商家如何能在交易中妥善的保護(hù)自己的機(jī)密信息，從而立于不敗之地

3、也是迫切需要去解決的問題。對(duì)于個(gè)人來說，雖然保密的必要性沒有前兩者這么強(qiáng)，但隨著人們對(duì)個(gè)人隱私不斷重視，對(duì)語音信息進(jìn)行加密也是有一定的實(shí)際價(jià)值?；煦缡谴_定性系統(tǒng)中的一種貌似隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)?；煦绾兔艽a學(xué)之間有著天然的不可或缺的聯(lián)系。混沌系統(tǒng)具有的一些動(dòng)力學(xué)特性和傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的某些安全特征相對(duì)應(yīng)，而傳統(tǒng)密碼系統(tǒng)的良好混合性又暗示著擬混沌現(xiàn)象。如，混沌系統(tǒng)的混合性、遍歷性和確定性對(duì)應(yīng)著密碼學(xué)的混淆和散布。因此，利用混沌來對(duì)現(xiàn)代信息進(jìn)行有效合理的處理就成了一種很自然的想法?；煦缦到y(tǒng)對(duì)初始值有高度敏感性，其軌道呈現(xiàn)出類似噪聲的隨機(jī)狀態(tài)，無法對(duì)其進(jìn)行預(yù)測。這樣的特點(diǎn)使它和加密算法有了緊密的聯(lián)系，混沌系統(tǒng)在加密

4、領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用前景。但是由于大部分混沌加密系統(tǒng)都采用自然的混沌系統(tǒng)，它們不一定能提供具有嚴(yán)格密碼學(xué)意義下的保密性。為了提高混沌加密的保密性，人們的注意力轉(zhuǎn)向數(shù)字加密。利用數(shù)字系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字混沌并用于加密。如利用 FPGA 離散化模擬混沌系統(tǒng)并產(chǎn)生了數(shù)字混沌序列。但是在數(shù)字環(huán)境下無法實(shí)現(xiàn)真實(shí)的混沌系統(tǒng)，因?yàn)榛煦缦到y(tǒng)都是定義在連續(xù)域中的。而在數(shù)字系統(tǒng)中的所有運(yùn)算都是在有限精度下進(jìn)行的，容易產(chǎn)生周期退化和數(shù)字混沌序列性能差，保密力度不強(qiáng)等現(xiàn)象。所以必須對(duì)混沌的迭代過程進(jìn)行改進(jìn)，以克服數(shù)字混沌序列所存在的一些缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)最優(yōu)化的數(shù)字混沌加密算法，并采用功能強(qiáng)大的數(shù)字處理器件實(shí)現(xiàn)。在語音通信系統(tǒng)中，帶寬

5、始終是一種很寶貴的資源。為了節(jié)省傳輸過程中的占用帶寬和提高傳輸效率，在保證語音質(zhì)量的前提下，需對(duì)原始的語音信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼。語音編解碼和加密是語音通信系統(tǒng)中必不可少的兩個(gè)部分。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀所謂混沌系統(tǒng)的混沌性是指系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為呈現(xiàn)一種局部不穩(wěn)定而又具有有界性和某種整體混合性（或遍歷性）。動(dòng)力系統(tǒng)混沌行為的發(fā)現(xiàn)和研究可以追溯到 Maxwell 和Poincare。早期有許多科學(xué)家相繼對(duì)混沌動(dòng)力學(xué)這一激動(dòng)人心的科學(xué)領(lǐng)域作出了貢獻(xiàn)，如Adamard 和 Morse 等。著名的三體問題、遍歷假設(shè)以及非線性振子為混沌的早期發(fā)展提供了典型范例。20 世紀(jì) 60 年代，一些數(shù)學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量混沌

6、系統(tǒng)的例子，如著名的 Anosov 系統(tǒng)。到了 70 年代，人們對(duì)混沌特性的認(rèn)識(shí)發(fā)生了戲劇性的變化。1963 年，美國麻省理工學(xué)院的氣象學(xué)就 Lorenz 在一家氣象科學(xué)雜志上發(fā)表的論文得到了人們的重視，該論文研究了一個(gè)簡化的常微分方程系統(tǒng)，并清晰地描述了混沌特性的計(jì)算機(jī)數(shù)值研究結(jié)果，該論文所描述的混沌后來被人們稱作 Lorenz 吸引子；Henon 發(fā)現(xiàn)了一個(gè)典型的映射，具有混沌吸引子；美國理論生物學(xué)家 May 在一篇種群動(dòng)力學(xué)的論文中研究了倍周期分岔進(jìn)入混沌的道路。李天巖和 Yorke 研究了一類一維映射，得到了具有局部不穩(wěn)定性的離散系統(tǒng)。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和硬件的廣泛普及，混沌的發(fā)

7、現(xiàn)和研究在各個(gè)領(lǐng)域迅速擴(kuò)大?；煦缈茖W(xué)的應(yīng)用研究已經(jīng)由控制或抑制混沌發(fā)展到如何有效地利用混沌。動(dòng)力系統(tǒng)的混沌性在通信技術(shù)和信號(hào)處理方面的應(yīng)用研究更是如火如荼，其中混沌通信和混沌電路設(shè)計(jì)就是這樣一個(gè)方興未艾的前沿領(lǐng)域，目前已經(jīng)是融數(shù)學(xué)、控制理論、電子通信于一體的交叉性學(xué)科?；煦绗F(xiàn)象的本質(zhì)實(shí)際上是對(duì)初值的敏感依賴性。在拓?fù)鋵W(xué)上，簡單來說，混沌映射就是一個(gè)不斷拉伸折疊的動(dòng)力學(xué)過程，設(shè)計(jì)一個(gè)混沌系統(tǒng)，目的就是為了構(gòu)造一個(gè)含有混沌映射的動(dòng)力系統(tǒng)。在一維的情況下，混沌現(xiàn)象大多是通過映射來實(shí)現(xiàn)的，比如著名的 logistic 模型。對(duì)于二維以上的混沌系統(tǒng)，既有時(shí)間離散的系統(tǒng)，也有時(shí)間連續(xù)的系統(tǒng)。對(duì)于離散時(shí)間系

8、統(tǒng)，演化過程本身就是一個(gè)混沌映射；而對(duì)于連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)，常常表現(xiàn)為常微分動(dòng)力系統(tǒng)。但是，仍然可以借助于 Poincare 截面和切換面等輔助手段，把連續(xù)的系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為映射來研究。反過來講，對(duì)于二維以上混沌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們可以事先構(gòu)造出 Poincare 截面和切換面上若干集合之間的混沌映射，然后再設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)蘊(yùn)含這些映射的連續(xù)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。高維混沌系統(tǒng)，如四維超混沌系統(tǒng)，其行為復(fù)雜能力比低維混沌系統(tǒng)要強(qiáng)，所以利用低維系統(tǒng)的耦合是設(shè)計(jì)高維混沌系統(tǒng)的有效途徑。利用現(xiàn)有的集成芯片比如運(yùn)算放大器、電壓比較器、電流傳輸器和模擬乘法器來實(shí)現(xiàn)混沌電路，已經(jīng)有比較成熟的理論。人們可以容易地構(gòu)造出混沌電路所需的基本單元

9、：積分電路、加法電路和乘法電路。但是，由于模擬器件的一些自身特性，如器件參數(shù)易受外界環(huán)境的影響，穩(wěn)定性不高等，限制了混沌在實(shí)際工程中的應(yīng)用。隨著數(shù)字處理器的高速發(fā)展，利用數(shù)字芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬器件來實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)成為了一種必然趨勢，并且這種可行性也得到了大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。比如用單片機(jī)實(shí)現(xiàn) logistic 映射；利用虛擬儀器軟件 LabVIEW 設(shè)計(jì)混沌信號(hào)發(fā)生器；利用 FPGA 實(shí)現(xiàn)四維超混沌數(shù)字序列，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明利用數(shù)字芯片離散化后的混沌系統(tǒng)仍具有原始連續(xù)混沌系統(tǒng)的特性。DSP 數(shù)字信號(hào)處理器是一種專門為實(shí)時(shí)、快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理算法而設(shè)計(jì)的具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。CCS(Code Comp

10、oser Studio)是TI開發(fā)的一個(gè)完整的DSP集成開發(fā)環(huán)境。在 CCS 中，集成了常規(guī)的開發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具（編譯器、連接器）以及調(diào)試環(huán)境等。利用 CCS，我們不僅可以進(jìn)行軟件仿真，也可以實(shí)現(xiàn)硬件調(diào)試。它與 DSP 的完美結(jié)合，使得整個(gè)開發(fā)流程簡單且易于實(shí)現(xiàn)?；谏鲜龌煦缦到y(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方式，將連續(xù)的混沌系統(tǒng)離散化后在 CCS 中用 C 語言編寫迭代算法，編譯通過后將工程文件下載到 DSP 中運(yùn)行，最終實(shí)現(xiàn)混沌系統(tǒng)的數(shù)字化。數(shù)字混沌的 DSP 實(shí)現(xiàn)，使得混沌序列在實(shí)際保密應(yīng)用領(lǐng)域邁出了重要一步。2、研究（設(shè)計(jì)）的基本內(nèi)容、目標(biāo)、擬采用的技術(shù)方案及措施本文以數(shù)字混沌序列的

11、加密為背景，利用Arnold變換和Logistic映射組成的混合加密算法系統(tǒng)對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行加密，設(shè)計(jì)并制作一套基于DSP的語音混沌加密系統(tǒng)。以TMS320VC5509芯片為核心,以高保真語音編解碼芯片TLV320AIC23,同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SDRAM和異步存儲(chǔ)器FLASH為主要外設(shè)完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，具體硬件設(shè)計(jì)電路包括:電源模塊、時(shí)鐘模塊、外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊、音頻編解碼器模塊、JTAG接口、上電自舉模式和語音處理方式設(shè)定。首先進(jìn)行語音采集、還原、存儲(chǔ)電路和DSP最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)；然后利用Matlab對(duì)Arnold變換和Logistic映射組成的混合加密算法進(jìn)行仿真論證；編寫DSP軟件實(shí)現(xiàn)模

12、擬語音信號(hào)的采集、存儲(chǔ)和還原；編寫加解密程序，對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行混沌語音加解密處理。最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了ccs3.3中的仿真和板級(jí)實(shí)物測試。圖1 結(jié)構(gòu)框圖利用TMS320VC5509的片上外設(shè)I²C模塊配置音頻編解碼器TLV320AIC23(簡稱AIC23)的內(nèi)部寄存器,通過TMS320VC5509的緩沖串口(McBSP0)接收和發(fā)送采樣的音頻數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流程為：經(jīng)麥克風(fēng)或立體聲輸入的語音數(shù)據(jù)通過AIC23采樣模數(shù)變換成數(shù)字信號(hào),送到DSP內(nèi)部的RAM中, TMS320VC5509根據(jù)設(shè)置的處理方式對(duì)語音數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理,并把處理結(jié)果存到SDRAM中；放音時(shí)，TMS320VC5509讀取S

13、DRAM中的數(shù)據(jù),再經(jīng)AIC23數(shù)模變換,這樣就能夠在立體聲輸出端或耳機(jī)輸出端聽到輸出的結(jié)果。3、進(jìn)度安排第13周：查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，明確研究內(nèi)容，了解研究所需理論基礎(chǔ)。確定方案，完成開題報(bào)告。第45周：熟悉掌握基本理論，完成英文資料的翻譯，熟悉開發(fā)環(huán)境。第69周：編程實(shí)現(xiàn)各算法，并進(jìn)行仿真調(diào)試。第1012周：針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成整個(gè)系統(tǒng)的仿真，實(shí)現(xiàn)功能。第1315周：完成并修改畢業(yè)論文。第16周：準(zhǔn)備論文答辯。4、參考文獻(xiàn)1 樊雷.IP語音混沌加密算法研究.學(xué)位論文.2004(2)2 侯爽.語音加密算法及其在網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.學(xué)位論文.2007(6)3 樊雷，茅耀武，孫金生一種結(jié)

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