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离散化动态密码为基础之语音加密系统
─第十届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛复赛报告─

【作者: 樹德科大電通系潘善政、顏錦柱等】2016年04月15日 星期五

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在科技发展日新月异的现代,人们愈来愈仰赖各式通讯科技产品,为求能够安全地传递资讯,使得保密通讯技术的重要性日益提升。而如何利用混沌系统之特性设计保密系统,已是当前备受重视的一门课题。


鉴于以往的混沌保密通讯系统,其混沌系统之振幅与响应速度,受限于内部元件与电路制作而不易调整与变更,且整体系统实现上,亦会受到电子元件的电压限制而局限其电压振幅的调整。因此,完善的电路设计,确保系统不会因为电路饱和而影响系统效能,亦为以往混沌电路设计上不可忽视的一项课题。


如今,所有电子产品除了进一步追求性能完整,更要求成品提升稳定性、成本降低及体积的缩小,总结前述几项重点,本作品计画目标在于:将传统运算放大器及被动元件所组成的混沌电路数位化,并利用盛群HT32F1765控制器高速的计算能力,以程式演算法的方式实现混沌系统。除了可以大幅提升混沌系统的稳定性及调变性外,更可降低保密通讯系统的成本及体积;在晶片内离散化混沌讯号,也能加快讯号加密的速度及稳定性并搭配无线传输装置方便应用于通讯保密的设计及实现,以达到本作品所求之目标-提升语音资讯传递间的高度保密性与安全性。


本作品主要目的和内容为(1)离散混沌系统建立;(2)建立可调振幅之数位化混沌系统;(3)动态密码系统设计;(4)语音加密系统实现。此系统不仅有完整的语音加密系统,可达到即时和稳定的语音加密及传送功能,为通讯安全提供良好的保障以及安全性。


前言

过去十多年来由于全球走向无线通讯自由化,所以世界各地电信市场早已逐渐茁壮,更随着无线通讯硬体与软体技术成熟,无线通讯迈向高速化,因此研发出许多能满足各种需求的无线通讯技术及设备是电信及通讯产业日后之发展,这将成为衡量国家开发程度之重要依据及指标。


不论在数位或无线通讯系统的发展与使用都大幅度的增加,许多学者的文献在探讨利用混沌同步系统实现通讯保密,因此隐私权部分最被认为是一个难题;由于混沌通讯在保密方面却具有某种程度的优点,将来必定会成为普遍使用的通讯方法之ㄧ,所以将来「以混沌电路为基础之应用与制作技术」更势必成为通讯界一项不可或缺的基本技术。


随着社会的发展和现代科学技术的进步,全球国际化程度越来越高,私密一直是人们生活中非常重要一环,在我们的生活中无时无刻都会有一些部分想要属于自己知道的秘密。而在通讯发达的现今,人人几乎都人手一机,人与人之间、单位对单位沟通、对话时,几乎都是利用电话、通讯设备来做为沟通。然而有些不肖业者却会窃听对话内容,而做不法的事,小则造成很多当事人的隐私权受损,大则泄露国家机密,所以加密技术就变成了通讯设备中十分重要的环节。


创作缘由

自从气象学家Lorenz提出蝴蝶效应(Butterfly Effect),论述某系统如果初期条件仅有微小差距,却造成未来巨大的变化,混沌系统因具有宽广的傅利叶(Fourier)频谱与在相位空间不可预测的特性,以及对初始条件高度敏感的特性,直观上像是杂讯,因此近年来,在通讯安全的应用上,受到广大学者的注意及研究。有鉴于以往的电路制作技术,混沌系统的实现是以固定类比元件组成之多回路的回授电路,制作复杂、体积庞大、系统会有饱和的疑虑。


因此,本作品改以程式演算法加以数位离散化,相较于传统硬体电路所实现的混沌电路更大幅提升资料的安全性及可靠度;而本作品将着重于离散化混沌系统[1]以动态密码加解密原理的实现,将会使用HT32F1765微控制器于传送端及接收端,主要工作在于处理混沌系统离散化加解密时,所需要的大量数学运算,所以HT32F1765微控制器在这里所扮演极重要的角色。


最后,本作品将进一步设计传送语音讯息来验证此传输保密系统之可行性。规划之系统架构如图1所示。



图1 : 离散化动态密码为基础之语音加密系统
图1 : 离散化动态密码为基础之语音加密系统

在图1当中,Encryption System加密端的部分,首先将欲传送的语音讯号送入HT32F1765进行A/D转换,将原有的类比声音讯号转换为数位声音资料,再将由程式演算法产生的离散化混沌讯号与数位声音资料进行加密,接着透过无线网路模组将加密后的语音讯号发射到公共通道中,等待Decryption System解密端接收加密讯号并进行解密还原的动作。解密端一接收到加密的讯号后,会透过由程式演算法所建立的解密法则进行解密,解密后的数位声音资料会由外部的D/A处理器进行语音还原,还原出来的类比讯号即可透过喇叭发出声音。


本次研究主要完成以离散化动态密码为基础之语音加密系统的设计,我们将内容分成四项来研究:


*离散化混沌系统建立


*动态密码系统设计


*系统功能整合实现


*系统产品实现


此系统不仅有完整之语音加密系统,可达到即时和稳定的语音加密及传送功能,为通讯安全提供良好的保障以及安全性。


工作原理

以往传统的语音加密系统常用固定密码或其加密方式亦为大家熟悉之方法,虽方便,但相对被破解的可能性较高,解锁讯号暴露于公共空间中,亦容易被截取,若未进行特殊编码加密,亦可能影响通讯品质及其安全性。


本设计以非线性混沌系统的特性为主,设计并实现将传统固态元件组成的混沌电路离散化,使HT32F1765内部的演算法程式可产生随机之混沌讯号,做为密码之用,并设计动态密码之编解码及动态更新机制,确保语音通讯的安全性,再藉由微控制系统暨韧体程式,实现规划出离散化动态密码为基础之语音加密系统设计,配合HT32F1765内建的高性能传输介面,建构出完整的语音加密控制平台,让语音加密的控制和应用更为简易。同时整合了无线网路传输系统,让使用者即使使用网路电话通讯,也可建立一个安全并具有发送加密讯号功能的语音平台,再者可让使用者自订密码,让加密法则更具弹性,大幅提升其保密性能。


离散化混沌系统设计及实现

本次作品离散化动态密码为基础之语音加密系统之设计,系以连续混沌系统原有之特性将以离散化后与之应用,以下将条列介绍连续混沌系统之特性:非线性:有别于线性系统会收敛、发散之特性。这是混沌系统存在特有的行为,即奇异吸子,虽然其不稳定,但仍然存在一定的区域来限制其系统之状态,使其系统不至于发散。


*变幻莫测:类随机的状态响应,不可预测之特性。


*蝴蝶效应:对起始值具有相当敏感的特性,即使同一系统,只要起始值不同,最后的状态响应将截然不同。


*宽阔的傅立叶频谱:表示其讯号组成,是复杂的。


为充分应用以上特性,以下说明混沌系统的离散化方法,同时离散系统亦保有连续混沌系统之特性。在此文中,首要目标在于设计离散混沌系统混沌的设计,并将之应用于即时语音加密系统的设计当中,因此如何将连续之混沌系统离散化,并保有原连续系统之混沌特性,是非常重要的,现利用上述说明的方法,可解决此一问题。


本文首先研究离散混沌系统数位化,将混沌系统数位化的目的是可以有效解决传统式类比混沌系统元件体积过大的问题,再者也比较不会受到杂讯干扰的影响以及元件老化所衍生的问题,并且实现于盛群HT32F1765系统上,充分发挥嵌入式系统强大且快速的数位讯号处理能力,进行语音的加解密功能。在电路方面,若系统讯号过大,如:声音、影像之讯号,常会造成电路饱和或运算数值解析度不足的问题,因此混沌系统数位化不仅把体积变小,运算能力也大幅提高了。


下图为传统类比混沌系统所描绘出之混沌讯号图;而为了验证离散系统仍具有混沌行为,图2为利用Matlab所模拟[2]之离散混沌系统状态响应。


图2 : 传统类比混沌系统(上)、离散混沌系统(下)的混沌相位平面图
图2 : 传统类比混沌系统(上)、离散混沌系统(下)的混沌相位平面图

经由图2的比较后,可发现两者的状态响应皆相同,证明了类比混沌系统是可以用数位离散混沌系统实现,且保有原混沌系统随机的特性,解决了类比混沌系统的缺点,且有效提升讯号处理能力。


动态密码设计及系统整合实现

为确保系统之安全性,本作品用混沌系统状态响应具随机及对初始值敏感的特性,提出动态随机密码的概念,进一步设计出动态密码更新装置,首先,架构图如图4所示,在图7中包含:


一组发射端

该发射端内包含数位混沌模组、编码模组、资料库模组及无线传输模组各一个。编码模组内设有一个编码密码,该编码密码之初始值为第一密码,而资料库模组具有一个资料讯息,数位混沌模组产生一个随机数位讯号,该编码模组则利用该编码密码将随机数位讯号及资料讯息编码,产生一组发送讯号,并由无线传输模组传输发送讯号,同时该编码模组以随机数位讯号取代该第一密码成为新的编码密码。


一组接收端

该接收端内包含一个无线接收模组、一个解码模组。解码模组内设有一组解码密码,解码密码初始值也为第一密码,该无线接收模组接收该发送讯号,解码模组则利用解码密码将该发送讯号解码,进而还原随机数位讯号及资料讯息,解码模组并以随机数位讯号取代该第一密码成为新的解码密码,其中编码密码及解码密码对应,覆盖原先第一密码并分别预设输入至该编码模组及该解码模组内。



图3 : 动态密码系统架构图
图3 : 动态密码系统架构图

图4 : 混沌动态密码更新示意图
图4 : 混沌动态密码更新示意图

图4是混沌编码更新示意图,混沌动态编码系统是以混沌系统产生的随机讯号进行编码,这个部分需要考虑的因素包含混沌系统资料的变化性、编码系统的同步资料完整性,当错误发生时,可能会使系统功能失效而导致产生危险。


在发射端中,首先利用第一密码与随机数位讯号进行编码,并将该发送讯号做第一次发送,于接收端接收具第一密码加密的发送讯号后,再与接收端储存的第一密码做解码动作,就可取得发射端的随机数位讯号,这个随机数位讯号将覆盖存于接收端的第一密码成为新的解码密码,并作为下一笔发送讯号解码时所需的解码密码,同时该发射端的编码模组将所取得的随机数位讯号取代第一密码成为新的编码密码,并以此随机数位讯号作为下一笔与该资料讯息进行编码的编码密码,该发射端在之后从混沌模组取得的随机数位讯号,皆会覆盖上一笔之编码密码及解码密码,借此让每次与资料讯息编码的密码皆对应且不相同,这就是动态密码。


在完成以上阶段研究后,将可整合系统实现完成本研究离散化动态密码为基础的语音加密系统设计与实现。


系统产品实现

本作品以离散化动态密码为基础的语音加密系统设计将连绩混沌系统原有的特性以离散化后与之应用,其中除了利用混沌系统各项特性外,系统主要使用即时语音讯号做为传递讯号,透过晶片HT32F1765把原有的类比声音讯号转换为数位声音资料后,将程式演算法产生的离散化混沌讯号与数位声音资料进行加密,再透过无线网路模组将其加密过后的讯号发射到公共通道等待解密。


解密端接收到加密的讯号后,一样透过解密端的HT32F1675晶片进行解密,利用程式演算法的特别解密技术还原资料,解密后的声音讯号会再经过外部的DAC晶片进行语音还原的工作,还原出的类比讯号即可透过喇叭播放声音。最后我们将介绍实际完成的系统成品图。



图5 : 系统完整电路图
图5 : 系统完整电路图

图5为本文研究的离散画动态密码为基础的语音加密系统电路图,利用DXP2004软体将本系统规划完成,其中电路图中央黄色大方块为本系统的核心处理器HT32F1765,此处理器将负责把D/ A转换后的语音讯号与处理器内部以离散化的动态密码透过加密演算法加以搅和并发射到公共通道中,待接收方解密。除了上述的核心处理器,本次系统还包含电源稳压模组、低通滤波器、语音放大模组、麦克风电路、DAC模组,透过完整的周边电路让此系统的功能更加完整及稳定。


图6是将图5的电路图转档完成后的系统Layout图,本次系统实现后的大小约长宽高分别为13cm X 11cm X 4cm,包括跳线和铜箔线路。完整系统如图7所示。



图6 : 系统Layout图
图6 : 系统Layout图

图7 : 两套加密系统全双工传输语音系统
图7 : 两套加密系统全双工传输语音系统
图8 : 加密前讯号及解密还原DAC声音讯号
图8 : 加密前讯号及解密还原DAC声音讯号


图8中微系统量测结果,CH1讯号为发射端主机麦克风所输入的待加密语音,CH2讯号则为经过接收端解密后透过DAC晶片所还原的声音讯号,由图8中我们可以轻易比对出上述两者波形的不同,CH2讯号系因为语音类比讯号经过离散化的处理即便透过DAC晶片已将此数位讯号还原成类比状态,但因解析度的问题所以产生了锯齿样的缘角;严重影响声音的品质,因此我们设计了一个一阶低通滤波器[3]将此波形中的高频缘角剔除掉,经过滤波器后的语音还原讯号如图8所示。


图9 : CH2 DAC讯号经过LPF后之波形
图9 : CH2 DAC讯号经过LPF后之波形


为证明使用程式演算法所设计出的离散化混沌系统能与传统电子元件组合的混沌电路一样具有产生奇异吸子的能力,我们特别利用两组DAC晶片将离散化后的(3)式取其中X1 及X2进行数位类比转换,进而还原成传统类比混沌讯号,透过示波器XY模式观察其相位图,该相位如图10所呈现;藉由此图我们即可证明离散化后的混沌电路之特性完全与传统类比混沌电路一模一样。


图10 : 离散化混沌系统奇异吸子X1-X2相位
图10 : 离散化混沌系统奇异吸子X1-X2相位


藉由此加密技术的各项特性,使本文所探讨的系统不仅能够有效解决传统式类比混沌系统元件体积过大、杂讯干扰影响及部分元件容易老化所造成的问题外,也成功地将离散化混沌保密系统实现于盛群晶片HT32F176[4]上,让系统不单单只有数位讯号处理的能力,也能进行语音加密解密的功能,其中在传送媒介的选择上,为能因应现代科技广泛使用的网路系统,本系统选用无线网路模组来进行传递发射讯号的模拟,不仅将保密系统技术运用在人们最广泛的网路中,也相对的提升语音资料传递间的保密可信度与安全度。


(本文作者为潘善政1、颜锦柱1、简品晟2、张皓勋2、梁文源2、龚晖竣2为树德科技大学电脑与通讯系1教授、2学生)


参考文献

[1] M.Hirsch(赫希,斯梅尔),微分方程、动力系统与混沌导论,人民邮电出版社,2008/04/01


[2] 李宜达,控制系统设计微处理机设计与实务MATLAB/SIMULINK,全华图书,2011/09/29


[3] 张智星,Audio Singal Processing and Recognition(语音处理即辨识),http://mirlab.org/jang/books/audiosignalprocessing/index.asp


[4] 董胜源,微处理机设计与实务迈向AMA中级与高级先进微控制器应用认证使用ARM Cortex-M3 ARMINNO之Holtek 32位元晶片,台科大,2014/03/06


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