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語音保密通信系統(tǒng)第1章 語音保密通信的基本原理11 前言通信的安全問題，自古以來就一直是人類研究的熱點(diǎn)問題之一，特別是在軍事政治領(lǐng)域，形式多樣且充滿想象力的各種通信保密技術(shù)總是層出不窮，而且往往它們的成功與否都直接左右了當(dāng)時(shí)的局勢。早在公元前440年，古希臘人Histaicus就將他最信任的奴仆的頭發(fā)剪去，然后在頭皮上刺上秘密信息，等到頭發(fā)再長出來時(shí)，頭皮上所刺的信息就變的不可見了，從而通過此法將秘密信息安全的送到了目的地。在古波斯有一個(gè)叫Demeratus的希臘人，他在傳送波斯國王Xerxes將要入侵古希臘軍事重鎮(zhèn)斯巴達(dá)的消息時(shí)是這樣做的：首先將一塊用于書寫的木片表面上的蠟削去（字本來是在蠟上的），并在木片上寫下秘密信息，然后在木片上在覆蓋一層蠟。這樣木片看上去就像空白的一樣，當(dāng)時(shí)它不僅欺騙了海關(guān)人員，還差點(diǎn)兒欺騙了接受方。這些應(yīng)該是關(guān)于保密通信技術(shù)最早的記載了，雖然類似于此的通信方法一直到近代還在使用，但保密通信技術(shù)也雖著人類文明的進(jìn)步而不斷發(fā)展，在不同時(shí)代的科技背景下會(huì)有其相應(yīng)的的保密通信術(shù)出現(xiàn)。因此，從飛鴿傳書到微型膠片再到無線電報(bào)碼，從藏頭詩到Cardan柵格再到隱形墨水，保密通信術(shù)也已經(jīng)走過了近千年的歷史。而在人類社會(huì)步入信息時(shí)代之際，保密通信技術(shù)也有了新的發(fā)展。 12 保密通信的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景雖著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，我們進(jìn)入了一個(gè)全新的數(shù)字世界。與此同時(shí)，信息的表現(xiàn)形式也不再拘泥于前，而有了新的變化。在計(jì)算機(jī)中大量存儲(chǔ)的都是被數(shù)字化后的信息，這其中既包括文本信息，又包括圖像，聲音等多媒體信息。信息被數(shù)字化后的優(yōu)點(diǎn)是鮮而易見的，尤其是在通信領(lǐng)域，因?yàn)閮H僅通過一張小小的磁盤或一根簡單的電纜線，你就可以把所需轉(zhuǎn)送的秘密信息帶到你想去的任何地方，這在很大程度上簡化了信息的傳輸過程，節(jié)約了絕大部分時(shí)間，從而不僅給我們的工作帶來了極大的便利，而且從某種意義上可以說是改變我們的生活方式。而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和多媒體技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是在網(wǎng)絡(luò)高速發(fā)展，Internet迅速普及的今天，數(shù)字信息的獲取和傳播更是前所未有的快捷和方便。 雖然 ，新的技術(shù)給我們的工作帶來了便利，但由此而產(chǎn)生的一些問題我們還是不得不考慮。這其中就包括有關(guān)信息的安全問題。但與以往不同的是，現(xiàn)在我們關(guān)心的是有關(guān)數(shù)字信息安全的問題，這應(yīng)該說是一個(gè)全新的話題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球范圍內(nèi)，數(shù)字信息在通過網(wǎng)絡(luò)或其他物理介質(zhì)傳輸時(shí)，由于遇到不明身份的惡意攻擊者任意地篡改和破壞而造成的直接經(jīng)濟(jì)損失每年都達(dá)到十億美元，而且這個(gè)數(shù)字還一直在不停的增長。問題的暴露為我們敲響了警鐘，看來如何在傳輸?shù)倪^程中對數(shù)字信息實(shí)施有效的保護(hù)已經(jīng)成為了下一步我們需要解決的當(dāng)務(wù)之急。我們深信，隨著時(shí)間的推移，人們對數(shù)字信息在通信過程中的安全要求會(huì)越來越迫切，無論是政府機(jī)關(guān)，商業(yè)機(jī)構(gòu)，還是個(gè)人用戶都會(huì)希望在信息傳播的過程中對自己的秘密加以保護(hù)，以免遭受精神上和經(jīng)濟(jì)上的雙重?fù)p失。因此，從事保密通信領(lǐng)域的研究不僅意義非凡而且前途一片光明。其實(shí)，對于數(shù)字信息的保密通信，雖然多數(shù)傳統(tǒng)的保密通信技術(shù)已經(jīng)不在適用，但其中的主要思想還是相似的，那就是要將秘密信息偽裝或隱藏起來，防止在傳輸?shù)倪^程中被非法用戶發(fā)現(xiàn)或破壞。就目前的研究情況而言，在數(shù)字信息的保密通信領(lǐng)域，應(yīng)用得最多，最為廣泛的就是數(shù)據(jù)加密技術(shù)。 ￥#%￥%￥*（*）（*%#%￥*%111111111111100000110000001011011100101001010111加密所謂加密就是將秘密信息轉(zhuǎn)換成無意義的亂碼，以達(dá)到在通信的過程中保護(hù)信息的目的，其過程描述如圖1.11.2 語 圖1-2 信息加密的基本過程1.3 語音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在發(fā)送系統(tǒng)中，從話筒輸入的語音信號經(jīng)采樣保持，由于人類語音的頻譜成分一般在10KHZ以下，只需保留3.5KHZ以下的頻譜，故采樣頻譜選取8KHZ，再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，進(jìn)而對輸入的數(shù)字語音信號進(jìn)行加密運(yùn)算，然后把密文發(fā)送到通信線路上（采用基帶通信）。接受端進(jìn)行解密運(yùn)算并把解密信號輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中，轉(zhuǎn)換成語音模擬信號并經(jīng)過放大和低通濾波后推動(dòng)揚(yáng)聲器播放。整個(gè)通信過程為實(shí)時(shí)通信，通信過程如圖1-3所示。在利用單片機(jī)對A/D,D/A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，我們又利用SystemView軟件進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。圖1-3語音通信系統(tǒng)框圖1.4 ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的基本工作原理ADC0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼進(jìn)型，芯片由單個(gè)5V電源供電，可以分時(shí)對8路輸入模擬量進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，典型的AD轉(zhuǎn)換時(shí)間為100微妙左右。在同類型產(chǎn)品中，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)位都屬于居中位置。 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖1.3所示圖1.4 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖引腳功能說明：D7D0：8位數(shù)字量輸出，AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。IN0IN7：8路模擬電量輸入，可以是：05V或者5V5V或者10V+10V。+VREF：正極性參考電源。VREF：負(fù)極性參考電源。START：啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換控制輸入，高電平有效。CLK：外部輸入的工作時(shí)鐘，典型頻率為500KHz。ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收3位地址碼，低電平鎖存地址。CBA：3位地址輸入，其8個(gè)地址值分別選中8路輸入模擬量IN0IN7之一進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。C是高位地址，A是最低位地址。OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出AD轉(zhuǎn)換結(jié)果D7D0。EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時(shí)，EOC輸出低電平；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，EOC輸出高電平。EOC輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。Vcc：芯片工作電源5V。GND：芯片接地端。1.5 MCS51系統(tǒng)與ADC0809芯片的接口設(shè)計(jì) 圖1.5 MCS51系統(tǒng)與ADC0809芯片的接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì)說明：1 由于ADC0809片內(nèi)無時(shí)鐘，因此可利用8051提供的地址鎖存允許信號ALE可由D觸發(fā)器二分頻后獲得。由于ADC0809具有輸出三態(tài)鎖存器，故其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。地址譯碼引腳A,B,C分別與地址總線的低三位A0,A1,A2相連，用來選通IN0IN7中的一個(gè)通道。將P2.7(地址線最高位為A15)作為片選信號，在啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號和P2.7控制ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。由于ALE和START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號和P2.7引腳經(jīng)一級或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器?？梢姡谲浖帉憰r(shí)，應(yīng)令P2.7=0,A0,A1,A2給出被選擇的的模擬通道的地址。執(zhí)行一條輸出指令，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；執(zhí)行一條輸入指令，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。2 ADC0809芯片的+VREF接5V，VREF直接接地，這是單極性接線，模擬量輸入范圍是：05V。3 讀取A/D變換結(jié)果的程序?yàn)?ORG 0000H LJMP START ORG 0100HSTART : MOV R1,#1EH MOV DPTR, #7FF8H MOV A, 00H MOVX DPTR,A ； 啟動(dòng)一個(gè)通道A/D轉(zhuǎn)換，從0通道開始 MOV R6, #01H DELAY : NOP NOP DJNZ R6,DELAY ；延時(shí)等待 MOVX A, DPTR ；讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果 MOV R1, A END 1.6 DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基本工作原理DAC0832是最常用的8位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙寄存器選通。數(shù)字量先輸入到數(shù)據(jù)寄存器， 再選通進(jìn)入DAC寄存器后，開始進(jìn)行數(shù)模（DA）轉(zhuǎn)換。在一個(gè)輸字量轉(zhuǎn)換過程中，后繼轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可以進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器等候。如圖1.6所示。 圖1-5DAC0832內(nèi)部引腳圖輸入鎖存使能ILE：高電平允許數(shù)據(jù)輸入。低電平禁止數(shù)據(jù)輸入。輸入信號CS、WR1：在ILE1的前提下，CSWR10，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)選通進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器。輸入信號WR2、XFER：當(dāng)WR2XFER0，數(shù)據(jù)選通進(jìn)入DAC寄存器開始進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。D7D0：8位數(shù)字量輸入端。Io1和Io2：DAC轉(zhuǎn)換電流輸出端。實(shí)際使用時(shí)，在兩個(gè)電流輸出端串接運(yùn)算放大器，把輸出的模擬電流轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出。Rb：反饋電阻連接端。實(shí)際使用方法參考應(yīng)用電路。VREF：外接直流參考電源輸入。直流電源VREF在10V10V范圍選擇。Vcc：外接直流工作電源，在5V15V范圍選擇。AGND：模擬接地端。DGND：數(shù)字接地端。兩種接地端應(yīng)該分別處理。具體可以參考實(shí)際的應(yīng)用電路。1.7 MCS-51系統(tǒng)與DAC0832的接口設(shè)計(jì)MCS51系統(tǒng)與DAC0832的接口設(shè)計(jì)，如圖1.7所示圖1.7 MCS-51與DAC0832的接口電路圖接口設(shè)計(jì)說明：本接口采用地址不完全譯碼設(shè)計(jì)，Y6控制信號來自74138譯碼器輸出。當(dāng)Y6輸出有效時(shí)，A15A14A13110B。如果其他沒有使用到的地址都選擇為0，那么DAC0832電路的地址是0C000H。如果VREF5V，那么Vout5V0V。即8位數(shù)字量等于255時(shí)，Vout5V；8位數(shù)字量等于0時(shí)，Vout0V。如果VREF5V，那么Vout0V5V。即8位數(shù)字量等于255時(shí)，Vout5V；8位數(shù)字量等于0時(shí)，Vout0V。如果VREF10V，那么Vout10V0V。即8位數(shù)字量等于255時(shí)，Vout10V；8位數(shù)字量等于0時(shí)，Vout0V。如果VREF10V，那么Vout0V10V。即8位數(shù)字量等于255時(shí)，Vout10V；8位數(shù)字量等于0時(shí)，Vout0V。輸出方波脈沖的數(shù)模轉(zhuǎn)換程序如下：MOV DPTR，#0C000H； DAC端口地址CYCLE：MOV A，#0； 輸出低電平MOVX DPTR，A；NOP；NOP；MOV A，#250； 輸出高電平MOVX DPTR，A；NOP；NOP；SJMP CYCLE；第2章 SystemView 仿真系統(tǒng)軟件2.1 SystemView的介紹電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA) 技術(shù)已經(jīng)從單純的性能模擬仿真(Matlab) 、系統(tǒng)元件級仿真(PSPICE) 發(fā)展到系統(tǒng)級仿真,直至指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。美國ELANIC 公司開發(fā)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)軟件將設(shè)計(jì)與仿真結(jié)合,功能、界面以及硬件接口遠(yuǎn)比其它EDA 軟件優(yōu)越,特別適合于通信系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、模擬、調(diào)試、分析等。2.2 SystemView仿真軟件的主要特點(diǎn)System View 是一個(gè)完整的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析和仿真的可視化開發(fā)設(shè)計(jì)工具,它可以構(gòu)造各種復(fù)雜的模擬、數(shù)字、數(shù)模混合及多速率系統(tǒng),可用于各種線性、非線性控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和仿真。System View 設(shè)計(jì)仿真軟件的接口框圖如圖2-1 所示。圖2-1System View設(shè)計(jì)仿真軟件接口框圖該系統(tǒng)可以方便設(shè)計(jì)各種濾波器,同時(shí)系統(tǒng)備有通信、邏輯、數(shù)字信號處理、射頻/ 模擬、CDMA/ PCS、DVD、自適應(yīng)濾波器以及第三代無線移動(dòng)通信系統(tǒng)等專業(yè)庫,適合各種專業(yè)設(shè)計(jì)人員。系統(tǒng)還支持外部數(shù)據(jù)的輸入輸出,支持用戶編寫代碼(Cgg) ,兼容Matlab 軟件,同時(shí)該系統(tǒng)還提供與硬件設(shè)計(jì)工具的接口,支持Xilinx公司FPGA 芯片和TI 公司的DSP 芯片,能將系統(tǒng)的單個(gè)模塊或整個(gè)系統(tǒng)生成FPGA或DSP芯片下載所需的數(shù)據(jù)文件,也就是說該系統(tǒng)將仿真、設(shè)計(jì)與硬件開發(fā)集成在一起。在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真中,該系統(tǒng)支持多速率系統(tǒng)和并行系統(tǒng),允許合并多種數(shù)據(jù)速率輸入系統(tǒng),簡化濾波器的執(zhí)行。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上,支持TOP DOWN設(shè)計(jì)方法,使用多層次模塊化結(jié)構(gòu)構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)。每個(gè)功能模塊采用圖標(biāo)表示,System View 的圖標(biāo)庫包括幾百種信號源、接收端、操作符和功能塊,提供從DSP、通訊信號處理、控制直到構(gòu)造通用數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用模塊。信號源和接收端圖標(biāo)允許在System View 內(nèi)部生成和分析信號,還提供外部處理的各種文件格式的輸入/ 輸出數(shù)據(jù)。System View 的操作符庫包含一個(gè)功能強(qiáng)大的圖形模板,提供設(shè)計(jì)模擬和數(shù)字以及離散和連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)的環(huán)境,包含大量的FIR/ IIR 濾波類型和FFT 類型。System View 的人機(jī)界面主要有分析窗口和設(shè)計(jì)窗口。System View 設(shè)計(jì)窗口用于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、構(gòu)建,如全局參數(shù)連接、可變參數(shù)設(shè)計(jì)、與外部文件接口以及自動(dòng)程序生成功能等,并可以與其它仿真工具接口;分析窗口用于觀察系統(tǒng)運(yùn)行的結(jié)果和對該結(jié)果進(jìn)行的各種復(fù)雜的計(jì)算、分析和處理,是一個(gè)能夠提供系統(tǒng)波形、詳細(xì)檢查的交互式可視環(huán)境。2.3 SystemView 系統(tǒng)圖庫簡介SystemView的環(huán)境包括一套可以選擇的能夠增加核心庫功能的用于特殊應(yīng)用的庫。它允許通信、DSP、射頻/模擬和邏輯應(yīng)用。（1） 通信庫SystemView的通信庫包含仿真一個(gè)完整的通訊系統(tǒng)必要的工具,這些函數(shù)包括:基帶脈沖整形、調(diào)制解調(diào)、信道模型、糾錯(cuò)編碼譯碼等。能夠在一個(gè)運(yùn)行過程中產(chǎn)生完整的誤碼率曲線,通信庫圖標(biāo)如圖2-2所示。圖2-2通信庫圖標(biāo)（2）DSP庫System View的DSP庫能夠在運(yùn)行DSP芯片之前仿真DSP系統(tǒng)1。這個(gè)庫支持大多數(shù)DS 芯片的算法模式。例如乘法器、加法器、除法器和反相器的圖標(biāo)代表真正的DSP 算法操作符。還包括高級處理工具:混合的Radix FFT、FIR 和IIR 濾波器等2 。DSP 庫圖標(biāo)如圖2-3 所示。圖2-3 DSP 庫圖標(biāo)（3） 邏輯庫System View 邏輯庫包括常用的數(shù)字通用邏輯器件的圖標(biāo)。這些圖標(biāo)包括74 系列器件功能圖標(biāo)和用戶自己定義的圖標(biāo)。（4） 射頻/模擬庫System View 模擬庫支持用于射頻設(shè)計(jì)的關(guān)鍵的電子組件。如混合器、放大器和功率分配器等。（5） 用戶代碼庫System View 的用戶代碼庫運(yùn)行建立自己的System View 圖標(biāo)庫。這些圖標(biāo)可以使用C 或C+語言編寫并且能夠插入提供的模板。這些模板可以使用任何商品的C 或C+編譯器編譯。2.4 SystemView系統(tǒng)操作步驟System View 提供了一種可視化、動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)模式。利用功能元件庫中的圖標(biāo)來代表某一種處理過程,在System View 系統(tǒng)窗口中完成系統(tǒng)或子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的過程便是在系統(tǒng)窗口中從不同的元件庫中選擇圖標(biāo),并在設(shè)計(jì)區(qū)域中連接,同時(shí)設(shè)置每個(gè)圖標(biāo)的參數(shù),控制系統(tǒng)的起始時(shí)間、中止時(shí)間、采樣頻率,最后從分析窗中分析結(jié)果,從而達(dá)到設(shè)計(jì)、分析系統(tǒng)的目的。利用不同的元件便可組合搭接各種模擬、數(shù)字系統(tǒng),對各類通信系統(tǒng)、數(shù)字信號系統(tǒng)、控制系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析。具體步驟如下:(1) 設(shè)計(jì)創(chuàng)建系統(tǒng)模型;(2) 安放信號源及其它元器件、函數(shù)模塊,并進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置菜單設(shè)置參數(shù);(3) 連接器件,運(yùn)行系統(tǒng);(4) 系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)修正;(5) 硬件模塊生成。單擊系統(tǒng)窗“工具欄”中的“分析窗”按鈕,進(jìn)入分析窗即可分析波形、比較波形、繪制功率譜、眼圖等。根據(jù)分析,對設(shè)計(jì)的電路模型或參數(shù)進(jìn)行修正。第3章 加密算法在第一章中我主要的闡述了語音加密的基本原理以及基本流程圖。并沒有對加密算法進(jìn)行詳盡闡述，但是加密算法對我們本次設(shè)計(jì)是非常重要的，下面我們對加密原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。設(shè)計(jì)中使用線性反饋移位寄存器（LFSR）產(chǎn)生序列密碼。 3.1線性反饋移位寄存器序列密碼由線性反饋移位寄存器（Linear Feedback Shift Register, LFSR）序列密碼和非線性序列密碼組成。線性反饋移位寄存器序列密碼是利用最大長度的移位寄存器和線性反饋函數(shù)產(chǎn)生偽隨機(jī)序列，使用該序列加密明文信息流得到密文序列。一個(gè)反饋移位寄存器（feedback shift register）由兩部分組成：移位寄存器和反饋函數(shù)（feedback function）（見圖2-2）。移位寄存器是個(gè)位序列。（移位寄存器的長度用位表示，如果它是位長，則稱其為位移位寄存器。）每次需要一個(gè)位，移位寄存器中所有位右移一個(gè)位。新的最左端的位根據(jù)寄存器中其他位計(jì)算得到。移位寄存器輸出的一個(gè)位常常是最低有效的位。移位寄存器的周期是指輸出序列從開始到重復(fù)時(shí)的長度。 輸出序列 圖 3-1 n級反饋移位寄存器 密碼設(shè)計(jì)者喜歡用移位寄存器構(gòu)造序列密碼，是因?yàn)樵撈骷菀淄ㄟ^數(shù)字硬件實(shí)現(xiàn)。最簡單的反饋移位寄存器是線性反饋移位寄存器（LFSR）。反饋函數(shù)跟寄存器中某些位簡單異或，這些位叫做抽頭序列（tap sequence）,有時(shí)也叫Fibonacci配置（Fibonacci configuration）。在密碼學(xué)中，LFSR是移位寄存器中最普通的類型6。 如果移位寄存器的反饋函數(shù)是的線性函數(shù)，則稱之為線性反饋移位寄存器LFSR。此時(shí)可寫為： 其中常數(shù)0或1， 為反饋系數(shù)，對于二進(jìn)制作用下，的作用就相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)，用斷開和閉合來表示0和1，這樣的線性函數(shù)共個(gè)。線性移位寄存器如圖3-2所示。輸出序列 圖 3-2線性移位寄存器一個(gè)位LFSR能夠處于個(gè)內(nèi)部狀態(tài)中的一個(gè)。這意味著，理論上，位LFSR在重復(fù)之前能夠產(chǎn)生位長的偽隨機(jī)序列。（是而不是是因?yàn)槿愕囊莆患拇嫫鲗⑹筁FSR無止盡地輸出零序列這沒有用處）。只有具有一定抽頭序列的LFSR才能循環(huán)地通過所有個(gè)內(nèi)部狀態(tài)，這個(gè)輸出序列被稱為序列。為了使LFSR成為最大周期LFSR，由抽頭序列加上常數(shù)1形成的多項(xiàng)式必須是本原多項(xiàng)式模2。多項(xiàng)式的階即移位寄存器的長度。LFSR本身也是偽隨機(jī)序列發(fā)生器，但它們也有一些討厭的非隨機(jī)特性。時(shí)序位都是線性的，這使它們在加密時(shí)全沒有用處，對長度為的LFSR，發(fā)生器的前個(gè)輸出位就是它的內(nèi)部狀態(tài)，甚至在反饋形式下未知的情況下，也僅需發(fā)生器的個(gè)輸出位就可用高效的Berlekamp-Massey算法來確定該狀態(tài)。從這個(gè)序列中產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)具有高的相關(guān)性，而且對某些應(yīng)用類型，它完全不隨機(jī)。雖然如此，LSFR在加密算法中仍經(jīng)常被作為構(gòu)造模塊6。32線性移位寄存器的一元多項(xiàng)式表示 設(shè)級線性移位寄存器的輸出序列 滿足遞推關(guān)系 (1)對任何成立。這種遞推關(guān)系可用一個(gè)一元高次多項(xiàng)式 表示，稱這個(gè)多項(xiàng)式為LFSR的特征多項(xiàng)式。 設(shè)級線性移位寄存器對應(yīng)于遞推關(guān)系(1),由于，故共有組初始狀態(tài)，即有個(gè)遞推序列，其中非恒零的有個(gè)，令這個(gè)非零序列的全體為。即表示由滿足遞推關(guān)系（1）構(gòu)成的集合。對于中任一序列，有母函數(shù) 定理1 設(shè)是上的多項(xiàng)式，且遞推序列。令 則 =其中 定理2 的充要條件是。定義 設(shè)為上的多項(xiàng)式，使的最小稱為的周期或的階。定理3 若是上的次多項(xiàng)式，且是序列的特征多項(xiàng)式，為的階，則的周期。定理4 若是次不可約多項(xiàng)式，且的階為，則序列的周期為。定理5 級線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的狀態(tài)序列有最大周期的必要條件是其特征多項(xiàng)式是不可化約的。定義 為次不可約多項(xiàng)式，若的階為，稱為次本原多項(xiàng)式。定理6 設(shè),則為序列的充要條件是為本原多項(xiàng)式。33 序列的偽隨機(jī)性 流密碼的安全性取決于密鑰流的安全性，要求密鑰流序列有好的隨機(jī)性，以使密碼分析者對它無法預(yù)測。也就是說，即使截獲其中一段，也無法推測后面是什么。如果密鑰流是周期的，要完全做到隨機(jī)性是困難的。嚴(yán)格地說，這樣的序列不可能做到隨機(jī)，只能要求截獲比周期短的一段密鑰流時(shí)不會(huì)泄露更多信息，這樣的序列成為偽隨機(jī)序列。 為討論序列的隨機(jī)性，先要討論隨機(jī)序列的一般特性。 設(shè)為0、1序列，例如00110111，其前兩個(gè)數(shù)字是00，稱為0的2游程；接著是11，是1的2游程，再接下來是0的1游程和1的3游程。 定義 上周期為T的序列的自相關(guān)函數(shù)定義為 定義中的和式表示序列與（序列向后平移位得到）在一個(gè)周期內(nèi)對應(yīng)位相同的位數(shù)與對應(yīng)位不同的位數(shù)之差。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)時(shí)，稱為異相自相關(guān)函數(shù)。Golomb 對偽隨機(jī)周期序列提出了應(yīng)滿足的如下3個(gè)隨機(jī)性公設(shè)：（1） 在序列的一個(gè)周期內(nèi)，0與1的個(gè)數(shù)相差至多為1。（2） 在序列的一個(gè)周期內(nèi)，長為i的游程占游程總數(shù)的,且在等長的游程中0的游程個(gè)數(shù)相等。（3） 異相自相關(guān)函數(shù)是一個(gè)常數(shù)。 公設(shè)（1）說明中0與1出現(xiàn)的概率基本上相同，（2）說明0與1在序列中每一位置上出現(xiàn)的概率相同；（3）意味著通過對序列與其平移后的序列做比較，不能給出其他任何信息。 從密碼系統(tǒng)的角度看，一個(gè)偽隨機(jī)序列還應(yīng)滿足下面的條件： （1）的周期相當(dāng)大。 （2）的確定在計(jì)算上是容易的。 （3）由密文及相應(yīng)的明文的部分信息，不能確定整個(gè)。 下一定理說明，序列的偽隨機(jī)性序列滿足Golomb的3個(gè)隨機(jī)性公設(shè)。定理7 上的長序列具有如下性質(zhì)2 4：（1） 在一個(gè)周期內(nèi)，0、1出現(xiàn)的次數(shù)分別為和。（2） 在一個(gè)周期內(nèi)，總游程數(shù)為；對，長為的游程有個(gè)，且0、1游程各半；長為的0游程一個(gè)。（3） 的自相關(guān)函數(shù)為 3.4 序列密碼的破譯明文 設(shè)所用線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的是序列，可利用序列設(shè)計(jì)加密算法，這種加密算法的構(gòu)思如圖3-4所示：密鑰流 密文 圖3-4加密算法構(gòu)思示意圖算法的密鑰取決于初始狀態(tài)和的值，由前所述，這樣的級線性移位寄存器對應(yīng)的特征多項(xiàng)式是本原多項(xiàng)式。因次本原多項(xiàng)式有個(gè)，非0初始狀態(tài)有個(gè)，故共有個(gè)不同的密鑰或密鑰流。 雖然特征多項(xiàng)式完全決定了線性移位寄存器輸出序列的性質(zhì)，當(dāng)特征多項(xiàng)式為本原多項(xiàng)式時(shí)，線性移位寄存器輸出序列周期最長為，而且隨機(jī)性良好，然而線性移位寄存器序列密碼卻是可破譯的。設(shè)和表示線性移位寄存器輸出序列任意連續(xù)的兩個(gè)向量。其中 假定序列滿足線性遞推關(guān)系 這可以表示成 或，其中矩陣稱為反饋多項(xiàng)式的伴侶矩陣，它和互相確定。 進(jìn)一步假定破譯者知道了一段長位的明密文對，即已知 ， 于是可求出一段長位的密鑰序列 ，其中。由此可推出線性移位寄存器的連續(xù)狀態(tài)： ， ，作矩陣而 若可逆，則 下面我們證明可逆。因?yàn)槭怯勺鳛樗牧邢蛄?，要證可逆，只要證明這個(gè)向量線性無關(guān)。由序列遞推關(guān)系： 可推出向量的遞推關(guān)系 如果存在最小整數(shù)，使線性相關(guān)，即存在不全為0的系數(shù)，其中不妨設(shè)，使得即 對于任一整數(shù)有 對任何，密鑰流必須滿足 觀察到，如果，那么滿足線性迭代式的密鑰流的級數(shù)小于，這個(gè)與它的級數(shù)是矛盾，故，從而矩陣必是可逆的。35 Beth-Piper停走式密碼發(fā)生器這個(gè)發(fā)生器用一個(gè)LFSR的輸出來控制另一個(gè)LFSR的時(shí)鐘，如3-5所示。LFSR-1的輸出控制LFSR-2的時(shí)鐘輸入，使得LFSR-2僅當(dāng)LFSR-1在時(shí)間t-1的輸出是時(shí)，能在時(shí)間t改變它的狀態(tài)。 圖3-5Beth-Piper停走式發(fā)生器第4章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)及仿真 通過硬件實(shí)驗(yàn)我對語音加密有了進(jìn)一步的理解，為了更好的完成本次設(shè)計(jì)，我們又使用systemview軟件進(jìn)行仿真。4.1語音保密通信系統(tǒng)軟件仿真(1)語音通信接口仿真系統(tǒng)SystemView系統(tǒng)仿真電路圖如4-1所示。語音信號與+4V高電平相加，改變其幅值以滿足ADC轉(zhuǎn)換模塊的幅值要求。變幅后的語音信號經(jīng)過低通濾波器后，進(jìn)入ADC轉(zhuǎn)換模塊，輸出8路數(shù)字信號。此8路數(shù)字信號通過計(jì)算機(jī)接口提供給計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)語音信號處理及一些編輯、修正、運(yùn)算，將需要保密傳輸?shù)恼Z音數(shù)字信號通過串行數(shù)據(jù)口進(jìn)行加密傳輸，完成待傳輸語音信號的發(fā)送。在接受端，將被加密的信號進(jìn)行解密再經(jīng)過緩沖器進(jìn)入DAC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，模擬信號經(jīng)濾波、放大后輸出。由于傳輸過程中有噪聲存在，使得輸出語音與輸入語音在波形上有所差別，不可能準(zhǔn)確的恢復(fù)原始波形。 圖4-1 語音通信仿真電路圖(2) 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定系統(tǒng)時(shí)鐘：Start Time=0sec, Stop Time=1.34sec, No. of Samples=32161, Time Spacing=41.666666666666e-6 sec, Freq.Res.=746.245452566773e-3 Hz, Sample Rate=24e+3 Hz, No. of System Loops=1。圖標(biāo)序號 圖標(biāo)名稱 參數(shù)30SourceImportWAV 1chAudio WAV Format=8bit Monaural, Start output with sample number=1,Pad output using:0 samples per input sample19SourceAperiodicStep FctAmplitude=4V,Start Time=0sec,Offset=0V32Adder無31.33OperatorFilters/Systems linear Sys Filters AnalogButterworth No.of Poles=3,Low Cuttoff=5e+3 Hz,Filter input sample rate=24e+3Hz3SourcePeriodicPulse TrainAmplitude=1V,Offset=450e-3 V,Frequency=20e+6Hz,Phase=0deg，Pulse Width=25e-9 sec2LogicMixed SignalADCSelect Output Format: Twos Compliment,Gate Delay=0s,False Output=-1V，Max Input=1.28V,No.Bits=8,Threshole=500e-3V,Rise Time=0s,True Output=1V,Min Input=-1.27V5.6.911.1516.1718LogicGates/Buffers Buffer Gate Delay=0s,False Output=150e-3V，Threshold=500e-3V,Rise Time=0s,True Output=850e-3V,Fall Time=0s13LogicMixed SingalDAC Select Output Format: Twos Compliment,Gate Delay=0s,Min Output=-1.27VNo.Bits=8, Max Output=1.28V,Threshold=500e-3 V44OperatorGain/ScaleGain Gain Units:linear Gain=2041SinkExportWAV 1chAudio WAV Format=8bit Monaural, Audio Rate=24000Hz1.45SinkAnalysis 無 (3) 仿真結(jié)果在完成系統(tǒng)的搭建和設(shè)置之后,即可運(yùn)行仿真電路。運(yùn)行系統(tǒng)仿真電路圖后,在分析窗口中可對系統(tǒng)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理和分析。經(jīng)分析,在分析窗口觀察到圖4-2、圖4-3和圖4-4所示的圖形。 圖4-2 系統(tǒng)輸入語音信號 圖4-3 數(shù)模轉(zhuǎn)換后經(jīng)低通濾波器的輸出波形 圖4-4 系統(tǒng)輸出語音信號 圖4-5 仿真結(jié)果總 結(jié)經(jīng)過三個(gè)月的努力工作，從利用單片機(jī)進(jìn)行A/D,D/A變換到用SystmView軟件進(jìn)行仿真調(diào)試，這一系列過程的鍛煉以及指導(dǎo)使我對保密通信的原理及今后的應(yīng)用有了更深層次的理解。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信的安全度日益受到重視，話音保密通信將會(huì)在軍事通信和民用通信中得到廣泛的應(yīng)用，高保密度的加密已成為當(dāng)前十分重要的通信技術(shù)問題。我的畢業(yè)論文也是本著這個(gè)思想闡述的。在論文第一章中，我先對保密通信的歷史以及應(yīng)用前景做了簡單的介