基于FPGA的混沌系统实现及其在多媒体保密通信中的应用

论文摘要

随着信息技术的飞速发展,图像、音频和视频等多媒体数据的安全越来越重要,如何保证多媒体数据的安全性已经成为当前一个重要的课题。多媒体数据与传统的文本数据之间有着很大的差异,具有冗余度高和数据量巨大的特点,传统的加密方法难以有效对其进行有效地保护。为了应对这种挑战,研究者不断探索新的多媒体保密通信方法。其中,将混沌理论与传统加密算法相结合的混沌保密通信系统,得益于混沌系统的初始值极端敏感性、系统参数极端敏感性、伪随机性、非周期和遍历性等特性,可以对多媒体数据进行快速和有效的加密,受到了广泛的关注。本文阐述了混沌多媒体保密通信系统的研究背景及意义,列举和总结了当前国内外对混沌保密通信的研究状况以及发展趋势。并完成两种混沌多媒体保密通信系统——基于数字可编程多涡卷混沌系统的语音保密通信系统和基于网格多翅膀混沌系统的视频保密通信系统,通过FPGA平台实现了其应用,完成了以下工作:(1)提出了一种新颖的可控网格多涡卷混沌系统,系统可以在运行过程中随机更改吸引子数目,提升了系统的随机性和复杂性,使得系统更适合应用于保密通信系统之中。提出了一种新的网格多翅膀混沌系统,系统对现有研究中的网格多翅膀混沌系统进行了改进,采用锯齿波函数替代原有的迟滞函数,系统结构更加简单和易于在FPGA(现场可编程门阵列)等数字平台上实现。(2)应用所设计的可控网格多涡卷混沌系统,并结合反馈型驱动——响应同步原理,设计了一种实时混沌音频保密通信系统,充分利用了可控网格多涡卷混沌系统的特性,在通信过程中随机对系统涡卷吸引子数目进行更改,以提升系统的安全性。在低成本FPGA平台上对系统进行了硬件实现,系统可以实时对音频信号进行采集、加密、传输和解密,验证了系统的有效性。(3)设计了一种基于网格多翅膀混沌系统的实时视频保密通信系统,为了对系统的安全性进行提升,对混沌系统的状态变量进行了混合和截取低有效位等后处理操作,并设计了一种三个色彩通道密文分别反馈至混沌系统的闭环反馈结构,提升了系统的抗选择明文攻击能力,使得密文与混沌系统之间的关系更加复杂,系统的破译难度更大。通过FPGA平台完成了所设计的混沌视频保密通信系统,系统可以实时对摄像头采集的视频数据进行保密传输和显示。(4)为了保证系统的安全性,采用密钥空间分析、统计学特性分析、明文敏感性分析、密钥敏感性分析和NIST随机数测试等方法对所设计的混沌保密通信系统进行了安全性能的相关分析和测试。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 本课题研究背景和意义
•   1.2 国内外研究现状分析
•   1.3 本文内容及结构安排
• 第二章 相关基本理论
•   2.1 混沌的定义
•   2.2 混沌系统的性质
•   2.3 多涡卷和多翅膀混沌系统
•     2.3.1 多涡卷混沌系统
•     2.3.2 多翅膀混沌系统
•   2.4 混沌系统的同步
•   2.5 混沌与保密通信
• 第三章 可控多涡卷混沌系统及其在音频保密通信中的应用
•   3.1 引言
•   3.2 可控多涡卷混沌系统
•     3.2.1 可控多涡卷混沌系统模型
•     3.2.2 混沌发生器的FPGA实现
•   3.3 混沌音频保密通信系统及其实现
•     3.3.1 混沌音频保密通信系统
•     3.3.2 FPGA实现
•   3.4 安全性能分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 网格多翅膀混沌系统及其在视频保密通信中的应用
•   4.1 引言
•   4.2 网格多翅膀混沌系统
•   4.3 视频保密通信系统设计
•   4.4 视频保密通信系统的FPGA实现
•   4.5 安全性能分析
•     4.5.1 NIST随机性测试
•     4.5.2 统计学特性分析
•     4.5.3 敏感性分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 论文内容总结
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间发表学术论文与研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 常德

导师: 李志军

关键词: 混沌,多媒体保密通信,多涡卷,网格多翅膀,现场可编程门阵列

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 湘潭大学

分类号: TN919.8;TN791;O415.5

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.000396

总页数: 61

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