一种新型CD－QCSK混沌保密通信系统设计

柯俊霄

(四川托普信息技术职业学院，四川成都 611743)

0 引言

如何提高通信系统的数据传输速率，同时希望运算检测结果稳定，减少误码率，更重要的适用于现代数字通信系统中对信息的保密性越来越高的要求，是目前混沌保密通信研究的努力方向。针对上述这一系列的问题，对QCSK数字调制方式进行了改进，提出了一种新型的混沌键控数字保密通信方案—相关延迟－差分四项相移混沌键控(CD-QCSK)通信系统。该混沌键控系统同时兼具CDSK系统保密性高和QCSK误码率低的优点，系统的误码率性能和保密性也都有所提高，并且系统的传输速率是原有键控方式的4倍。

1 CD-QCSK的设计原理

CD-QCSK通信系统调制与解调的原理框图如图1所示，改进后得到的CD-QCSK系统在原理上主要结合了QCSK误码率低和CDSK保密性高的优点，并且将信号的传输速率提高了2倍。

图1 相关延迟－差分混沌键控(CD-QCSK)系统原理框图

2 CD-QCSK通信系统的仿真分析

这里选择logistic混沌映射作为发送端的混沌发射系统，通过Matlab/Simulink中的可视化模块搭建CD-DCSK通信系统仿真框图，来分析该通信系统的性能。首先从时域上仿真分析一下系统的可实现性，需要传输的有用信号如图2所示，将需要传输的二值信息“0，1”序列先调制成“+1，－1”序列，然后再通过发射端进行调制发送，通信系统经过3 s后同步解调出了有用信息。通过图3可以看出在接收端很好地将接收信号解调出来了。

图2 需要传输的有用信号

图3 接收端解调出的信号

改进的CD-QCSK系统借鉴CDSK的调制原理，信道中传输的是混沌信号与延迟后并经发送信息符号调制后的叠加信号，所以在信道中，没有重复或相位相同的混沌信号，这就使得信号传输的保密性得到了保证。而且在一个相同的符号周期内，改进的CD-QCSK利用相位延迟时间差，在2个半段符号周期都携带有用信号，提高了频带的利用率，传输速率是QCSK的2倍。CD-QCSK系统在信道中传输的是经过相关延迟叠加后混沌信号，利用了混沌序列所特有的性能，所以在信道中，信号传输的保密得到了保证。CD-QCSK信道中传输的调制后的混沌信号如图4所示，可以看出在CD-QCSK信道中传输的信号的保密性较其他键控方式更胜一筹，而且CDQCSK信道中传输的信号比特能量比CDSK和QCSK信道中更加均匀，不会产生接收端因单位比特能量随着时间改变造成估计问题。

图4 CD-QCSK信道中传输的调制后的混沌信号

在这里仅需对比分析DCSK、CDSK和改进的DCSK系统，以及码元传输速率和改进的CD-DCSK相当的QCSK系统在GN信道中的误码率性能。在AWGN信道下，CDSK通信系统的误码率性能较另外键控方式相比较差，而QCSK系统的性能要好于DCSK系统。当信噪比较高时，CD-DCSK和QCSK的误码率性能比较接近;在QCSK的误码率CD-DCSK逐渐增大;在给定BER=10/3条件下，CD-QCSK较QCSK调制方信噪比提高了2.2～2.7 dB。所以总体上看，CD-QCSK系统的误码率性能要优于QCSK、CDSK和DCSK系统。

3 数字化后的混沌遮掩的实现

3.1 混沌加密前后效果图

利用Matlab和Dsp Builder软件搭建仿真系统模型，由于数字化后的混沌信号为0，1序列，因此传输的数字图像选择为256×256像素的Lena二值图像，驱动系统的初始值为(10，20，15)，响应系统的初始值为(1，2，3)。首先仿真实现数字化后的混沌序列与二值图像的像素值相加实现图像信号的遮掩同步保密通信，然后数字化后的混沌遮掩同步通信系统传输二值图像信号的仿真结果如图5所示。

图5 数字化后的混沌遮掩叠加加密数字图像仿真结果

由图像传输的仿真结果可以看出，在采用离散数字化后的混沌序列直接与二值图像进行叠加这一方式时，数字化后的混沌遮掩同步通信系统并没有很好地掩盖传输的数字图像信号，在信道中传输的时频信号就已经泄漏出了发送的数字信号。由于传输的二值图像的像素值只有0和1两种情况，所以原图像和加密后图像的相邻像素的相关性和图像的统计直方图的比较无法从图像中体现出来，但是我们还是可以通过比较原图像和加密中灰度值为0和1的像素的个数，和计算相邻像素的相关系数得到加密图像的安全性能。

由混沌键控通信系统信道中信号的相关程度的仿真图可以看出，与之前的研究分析相符合，改进得到的CD-QCSK系统的信道的安全性最好，几乎相当于高斯白噪声的自相关程度，相对来讲QCSK系统的信道中传输信号的相关系数最大。我们改进得到的CD-QCSK系统通过调制信道中的混沌信号实现数字信息的保密传输，传输的数字信息不会直接参与信道中的发送，从系统的误码率和信息传输速率来考虑，其保密性能要更好。

4 结束语

基于Matlab/Simulink软件实现了仿真，改进得到新型混沌键控保密通信系统CD-QCSK的数字图像信号的保密传输，并且对混沌遮掩保密通信的加密方式进行了改进，也取得了较好的效果。然后依据混沌系统图像加密技术的评价标准分析比较了这几种通信系统的传输性能，CD-QCSK键控系统的信道传输信号不同时刻的自相关系数最小，验证了它们具有更优越的安全性，很好的应用价值。

［1］SUSHCHILK M，TSIMRING L S，VOLKOVSKII A R.Performance Analysis of Correlation-based Communication Schemes Utilizing Chaos［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications.2000，47(12):1684 －1691.

［2］LI H，FENG S F.UWB DCSK System Design and Simulation［C］∥IEEE International Conference on Test andMeasurement，2009，1:311 －314.

［3］GALIAS Z，MAGGIO G M.Quadrature Chaos-shift Keying:Theory and Performance Analysis［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications.2001，48(12):1510 －1519.

［4］王佳楠，丁群.一种新的混沌数字保密通信实现方案［J］.通信技术，2011，44(2):75 －77.

［5］MIN X，XU W，WANG L，et al.Promising Performance of a Frequency-modulated Differential Chaos Shift Keying Ultra-wideband System Under Indoor Environments［J］.IET Communications，2010，4(2):125 －134.

［6］WREN T J，YANG T C.Orthogonal Chaotic Vector Shift Keying in Digital Communications［J］.IET Communications.2010，4(6):739 －753.

［7］LAU F C M，YE M，TSE CK，et al.Anti-amming Performance of Chaotic Digital Communication Systems［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Fundamental Theory and Applications，2002，49(10):1486 －1494.

［8］丁群，王佳楠.混沌键控数字保密通信研究新进展［J］.黑龙江大学工程学报，2010(4):84 －90.

［9］LI C Q，CHEN G R.On the Security of a Class of Image Encryption Schemes［C］∥ ISCAS IEEE International Symposium on Circuits and Systems，2008:3290 － 3293.

［10］PISARCHIK A N，RUIZ-OLIVERAS F R.Optical Chaotic Communication Using Generalized and Complete Synchronization ［J］.IEEE Journal of Quantum Electronics，2010，46(3):279 －284.

［11］CHEN M Y.Chaos Synchronization in Complex Networks［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers，2008，46(3):1335 －1346.

［12］于娜，丁群，陈红.异结构系统混沌同步及其在保密通信中的应用［J］.通信学报，2007，28(10):73 －78.