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離散化動態密碼為基礎之語音加密系統
─第十屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽複賽報告─

【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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在科技發展日新月異的現代,人們愈來愈仰賴各式通訊科技產品,為求能夠安全地傳遞資訊,使得保密通訊技術的重要性日益提升。而如何利用混沌系統之特性設計保密系統,已是當前備受重視的一門課題。


鑒於以往的混沌保密通訊系統,其混沌系統之振幅與響應速度,受限於內部元件與電路製作而不易調整與變更,且整體系統實現上,亦會受到電子元件的電壓限制而侷限其電壓振幅的調整。因此,完善的電路設計,確保系統不會因為電路飽和而影響系統效能,亦為以往混沌電路設計上不可忽視的一項課題。


如今,所有電子產品除了進一步追求性能完整,更要求成品提升穩定性、成本降低及體積的縮小,總結前述幾項重點,本作品計畫目標在於:將傳統運算放大器及被動元件所組成的混沌電路數位化,並利用盛群HT32F1765控制器高速的計算能力,以程式演算法的方式實現混沌系統。除了可以大幅提昇混沌系統的穩定性及調變性外,更可降低保密通訊系統的成本及體積;在晶片內離散化混沌訊號,也能加快訊號加密的速度及穩定性並搭配無線傳輸裝置方便應用於通訊保密的設計及實現,以達到本作品所求之目標-提升語音資訊傳遞間的高度保密性與安全性。


本作品主要目的和內容為(1)離散混沌系統建立;(2)建立可調振幅之數位化混沌系統;(3)動態密碼系統設計;(4)語音加密系統實現。此系統不僅有完整的語音加密系統,可達到即時和穩定的語音加密及傳送功能,為通訊安全提供良好的保障以及安全性。


前言

過去十多年來由於全球走向無線通訊自由化,所以世界各地電信市場早已逐漸茁壯,更隨著無線通訊硬體與軟體技術成熟,無線通訊邁向高速化,因此研發出許多能滿足各種需求的無線通訊技術及設備是電信及通訊產業日後之發展,這將成為衡量國家開發程度之重要依據及指標。


不論在數位或無線通訊系統的發展與使用都大幅度的增加,許多學者的文獻在探討利用混沌同步系統實現通訊保密,因此隱私權部分最被認為是一個難題;由於混沌通訊在保密方面卻具有某種程度的優點,將來必定會成為普遍使用的通訊方法之ㄧ,所以將來「以混沌電路為基礎之應用與製作技術」更勢必成為通訊界一項不可或缺的基本技術。


隨著社會的發展和現代科學技術的進步,全球國際化程度越來越高,私密一直是人們生活中非常重要一環,在我們的生活中無時無刻都會有一些部分想要屬於自己知道的秘密。而在通訊發達的現今,人人幾乎都人手一機,人與人之間、單位對單位溝通、對話時,幾乎都是利用電話、通訊設備來做為溝通。然而有些不肖業者卻會竊聽對話內容,而做不法的事,小則造成很多當事人的隱私權受損,大則洩露國家機密,所以加密技術就變成了通訊設備中十分重要的環節。


創作緣由

自從氣象學家Lorenz提出蝴蝶效應(Butterfly Effect),論述某系統如果初期條件僅有微小差距,卻造成未來巨大的變化,混沌系統因具有寬廣的傅利葉(Fourier)頻譜與在相位空間不可預測的特性,以及對初始條件高度敏感的特性,直觀上像是雜訊,因此近年來,在通訊安全的應用上,受到廣大學者的注意及研究。有鑒於以往的電路製作技術,混沌系統的實現是以固定類比元件組成之多迴路的回授電路,製作複雜、體積龐大、系統會有飽和的疑慮。


因此,本作品改以程式演算法加以數位離散化,相較於傳統硬體電路所實現的混沌電路更大幅提升資料的安全性及可靠度;而本作品將著重於離散化混沌系統[1]以動態密碼加解密原理的實現,將會使用HT32F1765微控制器於傳送端及接收端,主要工作在於處理混沌系統離散化加解密時,所需要的大量數學運算,所以HT32F1765微控制器在這裡所扮演極重要的角色。


最後,本作品將進一步設計傳送語音訊息來驗證此傳輸保密系統之可行性。規劃之系統架構如圖1所示。



圖1 : 離散化動態密碼為基礎之語音加密系統
圖1 : 離散化動態密碼為基礎之語音加密系統

在圖1當中,Encryption System加密端的部分,首先將欲傳送的語音訊號送入HT32F1765進行A/D轉換,將原有的類比聲音訊號轉換為數位聲音資料,再將由程式演算法產生的離散化混沌訊號與數位聲音資料進行加密,接著透過無線網路模組將加密後的語音訊號發射到公共通道中,等待Decryption System解密端接收加密訊號並進行解密還原的動作。解密端一接收到加密的訊號後,會透過由程式演算法所建立的解密法則進行解密,解密後的數位聲音資料會由外部的D/A處理器進行語音還原,還原出來的類比訊號即可透過喇叭發出聲音。


本次研究主要完成以離散化動態密碼為基礎之語音加密系統的設計,我們將內容分成四項來研究:


*離散化混沌系統建立


*動態密碼系統設計


*系統功能整合實現


*系統成品實現


此系統不僅有完整之語音加密系統,可達到即時和穩定的語音加密及傳送功能,為通訊安全提供良好的保障以及安全性。


工作原理

以往傳統的語音加密系統常用固定密碼或其加密方式亦為大家熟悉之方法,雖方便,但相對被破解的可能性較高,解鎖訊號暴露於公共空間中,亦容易被截取,若未進行特殊編碼加密,亦可能影響通訊品質及其安全性。


本設計以非線性混沌系統的特性為主,設計並實現將傳統固態元件組成的混沌電路離散化,使HT32F1765內部的演算法程式可產生隨機之混沌訊號,做為密碼之用,並設計動態密碼之編解碼及動態更新機制,確保語音通訊的安全性,再藉由微控制系統暨韌體程式,實現規劃出離散化動態密碼為基礎之語音加密系統設計,配合HT32F1765內建的高性能傳輸介面,建構出完整的語音加密控制平台,讓語音加密的控制和應用更為簡易。同時整合了無線網路傳輸系統,讓使用者即使使用網路電話通訊,也可建立一個安全並具有發送加密訊號功能的語音平台,再者可讓使用者自訂密碼,讓加密法則更具彈性,大幅提升其保密性能。


離散化混沌系統設計及實現

本次作品離散化動態密碼為基礎之語音加密系統之設計,係以連續混沌系統原有之特性將以離散化後與之應用,以下將條列介紹連續混沌系統之特性:非線性:有別於線性系統會收斂、發散之特性。這是混沌系統存在特有的行為,即奇異吸子,雖然其不穩定,但仍然存在一定的區域來限制其系統之狀態,使其系統不至於發散。


*變幻莫測:類隨機的狀態響應,不可預測之特性。


*蝴蝶效應:對起始值具有相當敏感的特性,即使同一系統,只要起始值不同,最後的狀態響應將截然不同。


*寬闊的傅立葉頻譜:表示其訊號組成,是複雜的。


為充分應用以上特性,以下說明混沌系統的離散化方法,同時離散系統亦保有連續混沌系統之特性。在此文中,首要目標在於設計離散混沌系統混沌的設計,並將之應用於即時語音加密系統的設計當中,因此如何將連續之混沌系統離散化,並保有原連續系統之混沌特性,是非常重要的,現利用上述說明的方法,可解決此一問題。


本文首先研究離散混沌系統數位化,將混沌系統數位化的目的是可以有效解決傳統式類比混沌系統元件體積過大的問題,再者也比較不會受到雜訊干擾的影響以及元件老化所衍生的問題,並且實現於盛群HT32F1765系統上,充分發揮嵌入式系統強大且快速的數位訊號處理能力,進行語音的加解密功能。在電路方面,若系統訊號過大,如:聲音、影像之訊號,常會造成電路飽和或運算數值解析度不足的問題,因此混沌系統數位化不僅把體積變小,運算能力也大幅提高了。


下圖為傳統類比混沌系統所描繪出之混沌訊號圖;而為了驗證離散系統仍具有混沌行為,圖2為利用Matlab所模擬[2]之離散混沌系統狀態響應。


圖2 : 傳統類比混沌系統(上)、離散混沌系統(下)的混沌相位平面圖
圖2 : 傳統類比混沌系統(上)、離散混沌系統(下)的混沌相位平面圖

經由圖2的比較後,可發現兩者的狀態響應皆相同,證明了類比混沌系統是可以用數位離散混沌系統實現,且保有原混沌系統隨機的特性,解決了類比混沌系統的缺點,且有效提升訊號處理能力。


動態密碼設計及系統整合實現

為確保系統之安全性,本作品用混沌系統狀態響應具隨機及對初始值敏感的特性,提出動態隨機密碼的概念,進一步設計出動態密碼更新裝置,首先,架構圖如圖4所示,在圖7中包含:


一組發射端

該發射端內包含數位混沌模組、編碼模組、資料庫模組及無線傳輸模組各一個。編碼模組內設有一個編碼密碼,該編碼密碼之初始值為第一密碼,而資料庫模組具有一個資料訊息,數位混沌模組產生一個隨機數位訊號,該編碼模組則利用該編碼密碼將隨機數位訊號及資料訊息編碼,產生一組發送訊號,並由無線傳輸模組傳輸發送訊號,同時該編碼模組以隨機數位訊號取代該第一密碼成為新的編碼密碼。


一組接收端

該接收端內包含一個無線接收模組、一個解碼模組。解碼模組內設有一組解碼密碼,解碼密碼初始值也為第一密碼,該無線接收模組接收該發送訊號,解碼模組則利用解碼密碼將該發送訊號解碼,進而還原隨機數位訊號及資料訊息,解碼模組並以隨機數位訊號取代該第一密碼成為新的解碼密碼,其中編碼密碼及解碼密碼對應,覆蓋原先第一密碼並分別預設輸入至該編碼模組及該解碼模組內。



圖3 : 動態密碼系統架構圖
圖3 : 動態密碼系統架構圖

圖4 : 混沌動態密碼更新示意圖
圖4 : 混沌動態密碼更新示意圖

圖4是混沌編碼更新示意圖,混沌動態編碼系統是以混沌系統產生的隨機訊號進行編碼,這個部分需要考慮的因素包含混沌系統資料的變化性、編碼系統的同步資料完整性,當錯誤發生時,可能會使系統功能失效而導致產生危險。


在發射端中,首先利用第一密碼與隨機數位訊號進行編碼,並將該發送訊號做第一次發送,於接收端接收具第一密碼加密的發送訊號後,再與接收端儲存的第一密碼做解碼動作,就可取得發射端的隨機數位訊號,這個隨機數位訊號將覆蓋存於接收端的第一密碼成為新的解碼密碼,並作為下一筆發送訊號解碼時所需的解碼密碼,同時該發射端的編碼模組將所取得的隨機數位訊號取代第一密碼成為新的編碼密碼,並以此隨機數位訊號作為下一筆與該資料訊息進行編碼的編碼密碼,該發射端在之後從混沌模組取得的隨機數位訊號,皆會覆蓋上一筆之編碼密碼及解碼密碼,藉此讓每次與資料訊息編碼的密碼皆對應且不相同,這就是動態密碼。


在完成以上階段研究後,將可整合系統實現完成本研究離散化動態密碼為基礎的語音加密系統設計與實現。


系統成品實現

本作品以離散化動態密碼為基礎的語音加密系統設計將連績混沌系統原有的特性以離散化後與之應用,其中除了利用混沌系統各項特性外,系統主要使用即時語音訊號做為傳遞訊號,透過晶片HT32F1765把原有的類比聲音訊號轉換為數位聲音資料後,將程式演算法產生的離散化混沌訊號與數位聲音資料進行加密,再透過無線網路模組將其加密過後的訊號發射到公共通道等待解密。


解密端接收到加密的訊號後,一樣透過解密端的HT32F1675晶片進行解密,利用程式演算法的特別解密技術還原資料,解密後的聲音訊號會再經過外部的DAC晶片進行語音還原的工作,還原出的類比訊號即可透過喇叭播放聲音。最後我們將介紹實際完成的系統成品圖。



圖5 : 系統完整電路圖
圖5 : 系統完整電路圖

圖5為本文研究的離散畫動態密碼為基礎的語音加密系統電路圖,利用DXP2004軟體將本系統規劃完成,其中電路圖中央黃色大方塊為本系統的核心處理器HT32F1765,此處理器將負責把D/A轉換後的語音訊號與處理器內部以離散化的動態密碼透過加密演算法加以攪和並發射到公共通道中,待接收方解密。除了上述的核心處理器,本次系統還包含電源穩壓模組、低通濾波器、語音放大模組、麥克風電路、DAC模組,透過完整的周邊電路讓此系統的功能更加完整及穩定。


圖6是將圖5的電路圖轉檔完成後的系統Layout圖,本次系統實現後的大小約長寬高分別為13cm X 11cm X 4cm,包括跳線和銅箔線路。完整系統如圖7所示。



圖6 : 系統Layout圖
圖6 : 系統Layout圖

圖7 : 兩套加密系統全雙工傳輸語音系統
圖7 : 兩套加密系統全雙工傳輸語音系統
圖8 : 加密前訊號及解密還原DAC聲音訊號
圖8 : 加密前訊號及解密還原DAC聲音訊號


圖8中為系統量測結果,CH1訊號為發射端主機麥克風所輸入的待加密語音,CH2訊號則為經過接收端解密後透過DAC晶片所還原的聲音訊號,由圖8中我們可以輕易比對出上述兩者波形的不同,CH2訊號系因為語音類比訊號經過離散化的處理即便透過DAC晶片已將此數位訊號還原成類比狀態,但因解析度的問題所以產生了鋸齒樣的緣角;嚴重影響聲音的品質,因此我們設計了一個一階低通濾波器[3]將此波形中的高頻緣角剔除掉,經過濾波器後的語音還原訊號如圖8所示。


圖9 : CH2 DAC訊號經過LPF後之波形
圖9 : CH2 DAC訊號經過LPF後之波形


為證明使用程式演算法所設計出的離散化混沌系統能與傳統電子元件組合的混沌電路一樣具有產生奇異吸子的能力,我們特別利用兩組DAC晶片將離散化後的(3)式取其中X1 及X2進行數位類比轉換,進而還原成傳統類比混沌訊號,透過示波器X-Y模式觀察其相位圖,該相位如圖10所呈現;藉由此圖我們即可證明離散化後的混沌電路之特性完全與傳統類比混沌電路一模一樣。


圖10 : 離散化混沌系統奇異吸子X1-X2相位
圖10 : 離散化混沌系統奇異吸子X1-X2相位


藉由此加密技術的各項特性,使本文所探討的系統不僅能夠有效解決傳統式類比混沌系統元件體積過大、雜訊干擾影響及部分元件容易老化所造成的問題外,也成功地將離散化混沌保密系統實現於盛群晶片HT32F176[4]上,讓系統不單單只有數位訊號處理的能力,也能進行語音加密解密的功能,其中在傳送媒介的選擇上,為能因應現代科技廣泛使用的網路系統,本系統選用無線網路模組來進行傳遞發射訊號的模擬,不僅將保密系統技術運用在人們最廣泛的網路中,也相對的提升語音資料傳遞間的保密可信度與安全度。


(本文作者為潘善政1、顏錦柱1、簡品晟2、張皓勛2、梁文源2、龔暉竣2為樹德科技大學電腦與通訊系1教授、2學生)


參考文獻

[1] M.Hirsch(赫希,斯梅爾),微分方程、動力系統與混沌導論,人民郵電出版社,2008/04/01


[2] 李宜達,控制系統設計微處理機設計與實務MATLAB/SIMULINK,全華圖書,2011/09/29


[3] 張智星,Audio Singal Processing and Recognition(語音處理即辨識),http://mirlab.org/jang/books/audiosignalprocessing/index.asp


[4] 董勝源,微處理機設計與實務邁向AMA中級與高級先進微控制器應用認證使用ARM Cortex-M3 ARMINNO之Holtek 32位元晶片,台科大,2014/03/06


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