TW201001966A - Secure communication system and data transmission method thereof - Google Patents

Description

201001966 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 一種通訊系統及其方法，特別是指一種 〇 口 進行資料加解密的保密通訊系統及其資料傳輪把尼讯號 【先前技術】 先前技術中，傳統的數位通訊系統為 效果，通常以下列方式進行加密： 胃4保密的 -為洲-特定金麟行加密，將所有傳輸 此特定金鑰輸出，接收端具有此特定金餘的 、 、裝置或用卢才 得以接收或開啟。 τ 二為將傳輸資料利祕定金鍮、或是將傳輸資料作互 斥或、位移、加總等多種加费手段，接收端具有 八 瑜、或是得知解翁手段的裝置才得以> 解ρ , 關已㈣的傳輸資 料。 然先前技術具有無法避免之缺失： 其一，若以特定金鑰進行加密，若輯 右犄疋金鑰流出，谓 輸資料的加密行為如同虚設。 其二，雖傳輸貧料為加密過的資料，若有^者戴取揭 輸資料，並反覆實驗加密傳輪㈣村能被破解而 還原成原始資料。

【發明内容J 有鑑於此」本發明所欲解決之問題係在於提供一種結 合混沌系統狀態不可預測之特性，透過系統控制的觀念， 201001966 使兩個混沌系統狀態響應達到同步，有效加解密數位訊號 的數位訊號通訊系統及其方法。 為解決上述方法問題，本發明所提供之技術手段係揭 露一種數位訊號通訊系統之資料傳輸方法，係先利用一傳 輸端之第一混沌模組產生第一混沌訊號；利用傳輸端之第 一壓控振盪模組根據第一混沌訊號產生對應之第一調變方 波電壓；根據第一調變方波電壓對一原始數位訊號加密為 一傳輸訊號，並傳送傳輸訊號與第一混沌訊號；利用一接 收端之第二混沌模組產生第二混沌訊號；根據第一混沌訊 號與第二混沌訊號利用接收端之一設定模組計算出一設定 參數，再根據設計參數推算出一控制參數；根據控制參數 控制該第二混沌模組，令該第二混沌訊號與該第一混沌訊 號同步；利用接收端之第二壓控振盪模組根據同步之第二 混沌訊號產生第二調變方波電壓；以及根據第二調變方波 電壓對傳輸訊號解密。 本發明係揭露一種保密通訊系統，此系統包含一傳輸 端與一接收端。 傳輸端包含一第一混洗模組、一第一壓控振盪模組、 一加密模組與一傳輸模組。第一混沌模組產生一第一混沌 訊號，供第一壓控振盪模組產生一第一調變方波電壓，令 加密模組根據第一調變方波電壓對一原始數位訊號加密形 成一傳輸訊號。傳輸模組傳送第一混沌訊號與傳輸訊號。 接收端包含一接收模組、一設定模組、一第二混沌模 6 201001966 組、一第一壓控振盪模組與一解密模組。接收模組係接收 第一混沌訊號與傳輸訊號。第二混沌模組產生一第二混沌 訊號，設定模組根據第一混沌訊號與第二混沌訊號計算出 一設定爹數，再根據設定參數推算出一控制訊號，以利用 控制訊號控制第二混沌模組，令第二混沌訊號與第一混沌 訊號同步。第二壓控振盪模組根據同步之第二混沌訊號產 生一第二調變方波電壓。解密模組根據第二調變方波電壓 以將傳輸訊號解密為原始數位訊號。 本發明具有先前技術無法達到之功效： 其一，混沌訊號本身具有執跡不可預測性、白色雜訊 般寬的頻譜，以及對初始條件敏感等特性。故此系統產生 的調變方波電壓即為隨機頻率及大小的電壓，因此以此調 變方波電壓為輸入的壓控振i模組所產生調變方波電壓， 同樣具有頻率隨機，無法預測之特性。 其二’接收端在取得傳輸端混屯訊號時，隨即建構傳 輸端所有狀態並達到雙端同步’也代表著接收端產生的調 變方波電壓會與傳輸端一致，只需根據接收端產生的調變 方波電壓調整傳輸訊號，即可還原原來的原始數位訊號。 然而竊取者即使擷取到傳輸訊號’若是無法建構出整個系 統的響應狀態’很難解回原始數位訊號。 其三’因是利用壓控振盪模組產生調變方波電壓，因 此可視輸出結果來調整輸入的混洗訊號，進而控制調變方 波電壓的頻率變化的範圍’解決了混沌電路在頻率上一直 201001966 無法突破的問題。 【實施方式】 為使對本發明的目的、構造特徵及其功能有進一步的 了解，茲配合相關實施例及圖式詳細說明如下： 請參照圖1，其為本發明之保密通訊系統之方塊架構 圖。此系統包含一傳輸端100與一接收端200。 傳輸端100包含一第一混沌模組110、一第一壓控振 盪模組120、一加密模组130與一傳輸模組140。接收端 200包含一接收模組240、一設定模組250、一第二混沌模 組210、一第二壓控振盪模組220與一解密模組230。 當傳送端欲傳送一原始數位訊號時，第一混沌模組係 產生一第一混沌訊號，第一壓控振盪模組120以第一混沌 訊號作為輸入訊號，產生一第一調變方波電壓。加密模組 130根據第一調變方波電壓對原始數位訊號進行加密，形 成一傳輸訊號。傳輸模組140與接收模組240建立一資訊 通道，以傳送傳輸訊號與第一混沌訊號至接收端200。 第二混、;屯模組210係隨機產生一第二混洗訊號，設定 模組250根據第一混池訊號與第二混洗訊號之差異計算出 一設定參數，再根據設定參數產生一控制參數來控制第二 混先模組210 ’令第二混先模組210產生的第二混洗訊號 同步於第一混池訊號。第一壓控振盤模組220以同步後的 第二混沌訊號為輸入’產生一第二調變方波電壓，解密模 組230以第二調變方波電壓為條件，對傳輸訊號解密，還 8 201001966 原為原始數位訊號。 請參照圖2,其為本發明實施例之保密通訊系統之資 料傳輸方法，請同時參照圖1以利了解。此方法包含： 利用一傳輸端100之第一混沌模組110產生第一混沌 訊號（步驟S210)。如前所述，傳輸端100在取得原始數 位訊號時，係利用第一混沌模組110產生第一混沌訊號。 第一混沌模組110為類比混沌電路，其數學模式，以一階 微分方程可表示為弋， Kl=xmi ， = -1.2xml - xm2 — 0.6xm3 + ， 其中 為第一混洗模 組110之三個狀態電壓 ，地為一函數，定義為，當〜>〇, 吨《(〜1) = 1 ;當·^mi=〇 ’ = 。 利用傳輸端100之第一壓控振盪模組120根據第一混 沌訊號產生對應之第一調變方波電壓（步驟S220 )。第一 壓控振盪模組120以第一混沌訊號作為輸入，產生相對應 的電壓輸出，形成第一調變方波電壓。如圖3,上方曲線 為第一混泡訊號，下方即為第一調變方波電壓，然而混洗 訊號具有不可預測軌跡的特性，而且頻率詭異多變，因此 第一調變方波電壓為一隨機頻率方波。 根據第一調變方波電壓對一原始數位訊號加密為一傳 輸訊號，並傳送傳輸訊號與第一混沌訊號（步驟S230 )。 此步驟中，傳輸端100之加密模組130係為一互斥或閘 (EXCLUSIVE OR Gate ; XOR Gate )。加密模組 130 係先 取得原始數位訊號，再取得第一調變方波電壓，之後將原 9 201001966 始數位訊號與第一調變方波電壓進行互斥或邏輯運算，以 形成傳輸訊號。之後，傳輸模組140透過資訊通道傳送傳 輸訊號與第一混沌訊號。如圖4，上方為原始數位訊號， 下方即為利用第一調變方波電壓作為加密條件的傳輸訊 號。 利用接收端200之第二混沌模組210產生一第二混沌 訊號（步驟S240)。接收端200啟動時，係利用第二混洗1 模組210產生第二混沌訊號，第二混沌模組21〇亦為類比 混沌電路，其數學模式，以一階微分方程可表示為勾=Xs2， 乙=〜+«，心=-1.2;^1_12-0取3+2.(\1)，其中〜、心、；^為此 第二混、;屯模組210之三個狀態電壓，吨〆〜)為一函數，定義 為，當〜>〇，啦电1) = 1 ;當X/0，幻冰以㈣當心“，= 4。 «為設定模組250輸出的控制訊號。本實施例中，給予第一 扣尼模組110與第二混沌模組210不同的初始值，依混沌 系統之特性’故第一混先模組11〇與第二混洗模組開 始運行的訊號曲線即為相異。 據第-混洗訊號與第二錢訊號利用接收端之 汉疋模組250計算出-設定參數，再根據設定參數推算 出一控制訊號（步驟S25G)。設定模組挪為一比例—積分 ?控制心係湘—進化演算法根據第—驗訊號與第 二〜沌訊號計算此設定參數。 ^實〜例中，將⑽成调]=[。叫視為第-混洗模組 、初值’ _，綱，接…鸦第二混洗模組21〇的初 201001966 值。設定模組250輸出的控制訊號，其計算公式為 吨)=A，其中為訊號誤差，設定參 數包含心=20.000000、4=0.003434、4=4.807194，心、尤,、A 分別 代表比例常數，積分常數及微分常數。 根據控制訊號控制第二混沌模組210，令第二混沌訊 號與第一混洗訊號同步（步驟S260 )。第二混洗模組210 根據上述的控制訊號調整第二混沌模組210,以將第二混 沌訊號與第一混沌訊號形成同步響應，如圖5。於調整後， 第二混沌訊號逐漸同步於第一混沌訊號。如圖6，第二混 沌訊號與第一混沌訊號同步後，其訊號誤差幾乎趨近零。 圖 6 中的誤差定義如 4 = ；^ -χ5ΐ(/^2 = -χί2(ί>3 = χ„3 -χί3。 利用接收端200之一第二壓控振盪模組220根據同步 之第二混沌訊號產生一第二調變方波電壓（步驟S270 )。 如圖3，前述中，第二混沌訊號與第一混沌訊號已同步， 因此以第二混沌訊號為輸入條件下，第二壓控振盪模組220 產生的第二調變方波電壓即同等於第一調變方波電壓，同 為隨機頻率方波，且波型完全相同。 根據第二調變方波電壓對傳輸訊號解密（步驟S280)。 此步驟中，接收端200之解密模組230也是一互斥或閘 (EXCLUSIVE OR Gate ; XOR Gate)。解密模組 230 係先 取得該傳輸訊號，再取得該第二調變方波電壓，最後將該 傳輸訊號與該第二調變方波電壓進行互斥或邏輯運算，以 11 201001966 還原為該原始數位訊號。如圖7，第二調變方波電壓與第 一調變方波電壓為相同波型，故傳輸訊號透過第二調變方 波電壓解密後，即為原始數位訊號。 雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非 用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明 之精神和範圍内，所作更動與潤飾之等效替換，仍為本發 明之專利保護範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係本發明貫施例之保密通訊糸統之方塊架構圖， 圖2係本發明實施例之保密通訊系統之資料傳輸方法； 圖3係本發明實施例之第一調變電壓示意圖； 圖4係本發明實施例之原始數位訊號加密波形圖； 圖5係本發明實施例之混沌訊號同步示意圖； 圖6係本發明實施例之混沌訊號差異示意圖；以及 圖7係本發明實施例之原始數位訊號傳輸前後比較圖。 【主要元件符號說明】 100 傳輸端 110 第一混洗模組 120 第一壓控振盪模組 130 加密模組 140 傳輸模組 200 接收端 210 弟一混、/屯4旲組 12 201001966 220 第二壓控振蘆模組 230 解密模組 240 接收模組 250 設定模組 13

Claims (1)

1. 201001966 十、申請專利範圍： 1. 一種保密通訊系統之資料傳輸方法，其至少包含下列步 驟： 利用一傳輸端之第一混沌模組產生第一混沌訊號； 利用該傳輸端之第一壓控振盪模組根據該第一混沌 訊號產生第一調變方波電壓； 根據該第一調變方波電壓對一原始數位訊號加密為 一傳輸訊號，並傳送該傳輸訊號與該第一混沌訊號； 利用一接收端之第二混沌模組產生第二混沌訊號； 根據該第一混沌訊號與該第二混沌訊號利用該接收 端之設定模組計算出一設定參數，再根據該設定參數推 算出一控制參數； 根據該控制參數控制該弟二混 >屯模組’令該弟二混 沌訊號與該第一混沌訊號同步； 利用該接收端之第二壓控振盪模組根據同步之該第 二混沌訊號產生第二調變方波電壓；以及 根據該第二調變方波電壓對該傳輸訊號解密。 2. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該第一調變方波電壓為一隨機頻率方波。 3. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該第二調變方波電壓為一隨機頻率方波。 4. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該第一混沌模組產生該第一混沌訊號，所使 14 201001966 用為類比混、;屯電路，其數學模式，可不為= xm2 ’ = xm3 ’ 之3=-1.21^-^2-0.^3+，其中 xml、xm2、為該第一混 沌模組之三個狀態電壓，细φ^)為一函數，定義為，當 χ,,ρΟ，吨<xml) = l ;當 xml=0，hg?7(xml) = 0 當 xml<0 ’ = 。 5. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該第二混沌模組產生該第二混沌訊號，所使 用為類比混沌電路，其數學模式，以一階微分方程可表 示為 4=¾，ii2=xi3+w，ii3=-l.21^-:^2-0.6¾+2吨《(xj，其中〜、 xi2、χί3為該第二混沌模組之三個狀態電壓，吨《(h)為一函 數’定義為’當〜> 〇 ’ *?咖(x5l) = 1 ;當〜=〇，= 0 當 χ5ΐ < 0， S咖(x5l) = -1。w為設定模組輸出之該控制訊號。 6. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該設定模組為一比例-積分-微分控制器，係 利用一進化演算法根據該第一混沌訊號與該第二混沌訊 號計算該控制參數，該控制參數之計算公式係為 ，其中外) = xml(i)-xj)為訊號誤差，該設 ay 〇 定參數係為心=20.000000、4=0.003434 與& =4.807194，A、尺，與 心分別代表比例常數，積分常數及微分常數。 7. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該根據該第一調變方波電壓對一原始數位訊 號加密為一傳輸訊號步驟係包含下列步驟： 取得該原始數位訊號； 15 201001966 取得該第一調變方波電壓；以及 將該原始數位訊號與該第一調變方波電壓進行互斥 或邏輯運算，以形成該傳輸訊號。 8. 如申請專利範圍第1項所述之保密通訊系統之資料傳輸 方法，其中該根據該第二調變方波電壓對該傳輸訊號解 密步驟係包含下列步驟： 取得該傳輸訊號； 取得該第二調變方波電壓；以及 將該傳輸訊號與該第二調變方波電壓進行互斥或邏 輯運算，以還原為該原始數位訊號。 9. 一種保密通訊系統，其包含： 一傳輸端，係包含： 一第一混洗模組，產生一第一混泡訊號； 一第一壓控振盪模組，以該第一混沌訊號為輸 入，產生一第一調變方波電壓； 一加密模組，根據該第一調變方波電壓對一原始 數位訊號加密為一傳輸訊號；及 一傳輸模組，係輸出該第一混沌訊號與該傳輸訊 號；以及 一接收端，其包含： 一接收模組，係接收該第一混沌訊號與該傳輸訊 號； 一第二混、;屯模組，產生一第二混泡訊號； 16 201001966 一設定模組，根據該接收模組取得之該第一混沌 訊號與該第二混沌訊號計算出一設定參數，根據該設 定參數產生一控制參數，再根據該控制參數控制該第 二混沌模組，令該第二混沌訊號與該第一混沌訊號同 步； 一第二壓控振盪模組，根據同步之該第二混沌訊 號產生對應之一第二調變方波電壓；及 一解密模組，根據該第二調變方波電壓對該傳輸 訊號加密為該原始數位訊號。 10. 如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該第 一調變方波電壓為一隨機頻率方波。 11. 如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該第 二調變方波電壓為一隨機頻率方波。 12·如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該第 一混泡模組產生該第一混、;屯訊號之計算式為可示為 九,1 =，弋2 = ，‘ = —1.2¾ - X„,2 - 0.6xm3 + 2幻XxJ， 其中hU、 U為該第一混沌模組之三個狀態電壓，啦KxJ為一函 數’定義為，#‘>〇，吨<xml) = l ;當 xml=0，= 0當 xml<0，咖(Xw):-!。 13.如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該第 二混沌模組產生該第二混沌訊號，其數學模式，以一階 微分方程可表不為毛! = xi2 ， xs2 =xs3+u ， 毛3= -’ 其中 h為該第二混 17 201001966 沌模組之三個狀態電壓，啦《(h)為一函數，定義為，當 'ι>〇，咖(》1 ;當&1=〇，咖(〜)=〇當'1<〇，咖0^) = -1。 W為該設定模組輸出之該控制訊號。 14. 如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該設 定模組為一比例-積分-微分控制器，係利用一進化演算 法根據該第一混沌訊號與該第二混沌訊號計算該控制 參數，該控制參數之計算公式係為 吨，其中 4) = xml(i)-Ά)為訊號誤差，該 Φ 0 設定參數係為 & =20.000000、尤,=0.003434 與 & =4.807194，〜、尾 與&分別代表比例常數，積分常數及微分常數。 15. 如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該加 密模組係將該原始數位訊號與該第一調變方波電壓進 行互斥或邏輯運算，以形成該傳輸訊號。 16. 如申請專利範圍第9項所述之保密通訊系統，其中該解 密模組係將該傳輸訊號與該第二調變方波電壓進行互 斥或邏輯運算，以還原為該原始數位訊號。 18