基于單片機的灰度圖像混沌保密通信

所謂保密通信，就是為了防止通信秘密被竊取，在通信的過程中對秘密信息及其傳輸方式采取隱蔽的手段，從而達到保密的目的。混沌是非線性動力學系統所特有的一種運動形式。自從1990年提出混沌同步的原理并在電路中得以實現以來，混沌控制與同步及其應用迅速成為非線性研究領域的研究熱點。同時，混沌現象具有遍歷性、非周期性、連續寬帶頻譜、類噪聲等特性，特別適用于保密通信及圖像加密領域。現在混沌保密通信大致分為3類：第1類是直接利用混沌進行保密通信，如基于單片機利用Logistic映射對語音信號進行加解密實驗[1]、基于PC機利用Logistic映射和Henon映射對圖像信號進行加解密實驗[2]；第2類是利用混沌同步進行保密通信[3-4]；第3類是混沌數字編碼的異步通信。其中，第2類混沌同步保密通信是當前國際上研究的一大熱點。
　　本文根據細胞神經網絡(CNN)混沌同步的原理，基于單片機進行灰度圖像的保密通信實驗。通過無噪聲、不同程度噪聲干擾及同步性能的比較驗證了該方案的可行性。
1 CNN混沌模型
　　4元CNNs混沌同步保密通信如圖1所示[4]。

　　發射系統：
　???

??? 　傳輸信號：
　　s(t)=KX+200y4+i(t)　

　　通過同一個驅動變量s(t)，實現同步誤差e=x-x′，當e=0時候，也就是平衡狀態穩定時，構建的接收方程如下：
　　接收系統：
　　???

式中，取K=[80.190 0、20.154 6、11.936 3、-89.800 0]。
2 系統設計
2.1 單片機及開發工具
　　本文使用的單片機為AT89S52，在此基礎上實現灰度圖像混沌保密通信。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS集成電路芯片8位微控制器，具有8 KB系統可編程Flash存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業80C51單片機指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統可編程。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash，使得AT89S52可為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活、超有效的解決方案。
??? 　本文使用的單片機開發工具為Keil C51，版本為808A。此開發工具支持匯編/C語言編程。并且提供各種模擬芯片供軟件仿真使用。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編語言相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，易學易用。
2.2 設計流程
??? 　灰度圖像為二維信號，而本次設計所需的信號為一維信號，因此，實驗前必須如圖2所示將灰度圖像的二維點陣數組(m×n)轉換為一維數組，作為輸入信號i(t)。

??? 　整個實驗流程如圖3所示。需要說明的是，由于單片機存儲單元有限，混沌算法經過多次乘加，中間參量生成較多，為了獲得完整的數據結果以及單片機的運轉正常，特設定了5個數據為1次算法循環。一旦結束1次算法循環，便將結果數據發送至計算機，下次循環結果覆蓋保存在相同的存儲單元。這樣，保證了數據的完整性以及實驗的流暢性。

3 實驗結果
??? 　實驗界面如圖4所示，功能如下：
??? 　噪聲參數：通信噪聲，模擬實際環境外界干擾下實驗結果。
??? 　同步參數X：4元CNN混沌算法，X初始值，表示通信的同步性，X為0時，表示同步；大于零時表示欠同步，X值越大，同步性能越差。

??? 通行測試：測試單片機是否連接正確。
??? 運行：在通行測試正常情況下，點擊運行，顯示如圖4所示。
??? 輸入不同的噪聲參數以及同步參數獲得的結果如圖5所示。

??? 　本文基于CNN混沌同步原理，在單片機上實現了灰度圖像的保密通信。在噪聲系數和同步系數不同的情形下分別對實驗結果進行了對比，實驗結果如圖5所示。在理想情況下(即噪聲為0，完全同步情況下)，驗證了在單片機上混沌保密的可行性。而在噪聲逐漸增大的情況下，圖像的失真度越來越高，這符合實際情況。在同步參數改變的情況下，圖像出現欠同步現象，印證了在單片機上同步算法的運行正確性。單片機作為小型芯片設備，可嵌入在各種電子產品中，應用領域、成本低、效益高，并且保密通信效果穩定。