系统采取改进的数据加密算法（Data Encryption Algorithm，DEA），由繁芜可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）芯片EPM570构建硬件系统。声波旗子暗记经频率调制后，经密钥加密后发送给吸收端，吸收端先经由滤波，再由密钥解密后还原出原旗子暗记，从而实现近间隔加密传输。硬件电路分为发送端和吸收端两部分，由主控器、CPLD、直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer，DDS）、滤波器和里所（Reed-solomon，RS）码模块电路构成。实验表明该系统具有较高的安全性，可运用于机密旗子暗记或敏感旗子暗记的传输。
中文引用格式：单慧琳，张银胜. 基于改进DEA算法的声波加密传输系统[J].电子技能运用，2019，45(4)：104-108.
英文引用格式：Shan Huilin，Zhang Yinsheng. The acoustic encryption transmission system based on improved DEA[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(4)：104-108.
0 弁言
声波传输的研究由来已久，1948年，SUN OIL公司首先提出通过声波进行数据实时传输[1]；1972年，BARNES T等人首次剖析了在钻柱等特定环境下声波传输特性[2]；近年来MASHSA M提出基正交频分复用的多载波调制的声波传输模型等[3]。以上研究表明声波具有抗滋扰能力强、设备大略、本钱低廉等特点，其运用越来越广泛[4]。声波旗子暗记与成熟的算法相结合，能够极大地提高信息传输的精确度。
本文研制一种近间隔声波加密传输系统，该系统采取硬件加密，发送端由CPLD构建加密系统[5-6]，一个密钥对应一种系统，信息经由加密系统后天生加密信息。输出端也由CPLD构建解密系统，解密系统通过密钥匹配，是发送真个逆系统，输出端将吸收到的旗子暗记通过此解密系统得到原旗子暗记。DEA算法加密效率高且非常实用，个中含有大量的置换运算，非常适宜硬件实现[7]。本系统基于一种改进的DEA加密算法，能极大地降落数据加密的本钱，DEA加密和解密系统大致相同，只有子密钥放置顺序不同，只需一套系统，可同时实现加密解密两个功能。
1 算法剖析
1.1 理论根本
本系统紧张丈量声波的物理量有位移量X和声压级LP。声波是一种机器波，位移X表示震源或介质离开静止位置的间隔，如式(1)所示：
个中，A表示振幅，f表示声音的频率，频率范围为16 Hz～20 000 Hz，θ表示初相角。
声压级LP表征声音的强度，如式(2)所示：
个中，P表示声压，单位为帕斯卡(Pa)，P0为常数2×10-5Pa。本系统中掌握声压在0.02 Pa～0.2 Pa之间，声压过小会增加吸收和处理的难度，声压过大将失落去本系统的实用性。
系统采取分组密码，将明文划分成固定位数的字符分组，一组一组地进行加密，安全性高，易于标准化，加密与解密速率快，运用非常广泛[8]。
1.2 改进型DEA加密算法
加密算法采取改进的DEA加密算法，从节省资源角度，本系统采取10 bit密钥，每8 bit为一个加密/解密块对数据进行加密或解密，明文和密文长度都为8 bit。
1.2.1 改进型DEA加密过程
初始置换通过固定的置换IP重新排列8 bit明文的各个比特，将明码顺序打乱，如：初始置换使第2位明文置换到第1位，第4位明文置换到第2位。初始IP置换如表1所示。
改进的DEA算法从简化和安全两方面考虑，其核心是两轮迭代运算，每轮迭代的运算构造相同，每轮迭代以用户密钥和上一轮迭代结果作为迭代函数的输入量。将8 bit明文分割成低4位L1-4和高4位H5-8，每一轮迭代运算的低4位变为上一轮迭代结果的高4位，而高4位即是上一轮迭代结果的高4位经由一个与密钥干系的函数f后与上一轮迭代结果的低4位相异或。末了一轮迭代后将低4位和高4位互换。高表示第n轮迭代的高4位，表示第n+1轮迭代的高4位，K表示密钥。第n轮迭代过程用式(3)、式(4)表示。
为担保安全性，函数f(M，N)为非线性函数，输入为长度为4 bit的二进制数字，函数f(M，N)的实行过程可分为4个步骤，即扩展置换、与子密钥异或、S盒代换和P盒置换。
1.2.2 改进型DEA解密过程
DEA解密和加密过程基本相同，只是子密钥利用顺序不同，加密过程中第一轮迭代利用子密钥K1，第二轮迭代利用子密钥K2，而解密过程中第一轮迭代利用K2，第二轮迭代利用子密钥K1。子密钥是由用户输入的密钥天生的，本系统用户输入的密钥为10 bit二进制代码。子密钥的天生过程分为以下4个步骤。
(1)10 bit的密钥经由一次置换，将原来的10 bit二进制序列变成新的10 bit二进制序列。
(2)将置换后的10 bit二进制密钥分成两个等长度的两个小组，分别为低5位L1-5和高5位H6-10。
(3)将每个分组的二进制数分别左移一位，将两组左移后的密钥连接起来，原来低位还在低位，高位还在高位。
(4)将第(3)步得到的10 bit二进制数置换成8 bit二进制代码，即子密钥。而子密钥K2的天生过程与K1天生过程除了第(3)步左移位数不一样外，其他完备相同，密钥K2的天生过程的第(3)步向左移3位。
1.3 RS编码
RS编码是一种前向纠错的信道编码，声波采取RS编码能有效纠错降落误码率[8]。RS码字多项式的n-1次到n-k次的系数便是信息位，p式为本原多项式，式(5)天生矩阵左边部分IK是一个k×k阶的单位矩阵。
多项式(6)、式(7)相乘时，结合MATLAB，RS编码的实现步骤如下：(1)将所有的寄存器清零；(2)将多项式A(x)最高次系数ak存入寄存器第一级，同时乘法器输出乘积的最高次项系数；(3)将多项式A(x)的第二个系数ak-1送入寄存器的第一级，而之前存入寄存器的最高次系数ak由寄存器的第一级进入第二级，同时第二级系数ak-1与br-1相乘，乘积xk+r-1的系数即是多项式A(x)第二级系数乘多项式B(x)的第一级系数加上多项式A(x)第一级系数乘以多项式B(x)的第二级系数；(4)重复第(3)步过程，直到k+r+1次移位后，乘法器输出多项式A(x)的常数项与多项式B(x)的常数项的乘积。
多项式相除的详细步骤和相乘类似。g(x)为RS码的天生多项式，m(x)·xn-k表示在信息组的后面插入n-k个监督码。
1.4 RS译码
RS译码过程分为5个步骤，详细过程如下。
(1)由吸收码字多项式R(x)求得伴随多项式S，ST为S的变换矩阵，α为吸收码矩阵的元素，n为分组长度，H为商式，公式如下：
(2)由S求缺点位置多项式Δ(x)。
个中为缺点位置数对应的缺点值。
(3)由Δ(x)解出错误多项式的根，从而确定缺点位置。详细如下：首先考验初始位置数x0位置是否有缺点，如果把x=1/α0=αn代入缺点位置多项式Δ(x)结果与0不相等，则可以验证第一个码元为精确的；反之则有缺点，以此方法依次考验别的各位是否有缺点。
(4)由缺点位置数和所得缺点值得到缺点图样，干系参数为，根据吸收码多项式的缺点多项式的根r和缺点图样关系r-完成纠错，得到最可能发送的码字，从而完成译码。
2 硬件电路设计
2.1 系统总体设计
发送端由主控器、加密系统、RS编码器、DDS模块、扬声器等部件组成。其硬件事理框图如图1所示，发送端主控器采取TI的MSP430F149，通过4×4的矩阵键盘与主控器连接，实现基本的掌握和数据输入。显示部分用LCD12864液晶屏，可以显示8×4个汉字。主控器与CPLD构建的加密系统之间由8位数据输入端和10位密码输入审察连接，用于与加密系统之间的数据传输。加密系统采取Altera公司的CPLD芯片EPM570T100C5N。DDS与主控器连接，主控器将加密信息通过频率调制加载到一定频率的正弦波旗子暗记中，DDS发送正弦旗子暗记，DDS采取AD9850芯片，DDS输出端接功率放大器，终极输出至扬声器。
吸收端由主控器、滤波器、电压比较器、解密系统、RS译码器等部件组成，其事理框图如图2所示。吸收端通过麦克风采集声波旗子暗记，麦克风与滤波器相连，滤波器过滤杂波后提取出有用旗子暗记。滤波器与滞回电压比较器相连，用于将正弦波旗子暗记转换成同频率的方波旗子暗记，滞回电压比较器由555定时器实现。滞回电压比较器将天生的方波旗子暗记输入给主控器处理。主控器与基于CPLD芯片的加密系统之间有8 bit数据输入和10 bit密码输入，加密系统的8 bit数据输出回送给主控器。
本系统中声波旗子暗记传输采取十六进制，频率范围为1 400 Hz～4 400 Hz，相邻频率间隔为200 Hz。采取十六进制有利于提高信息传输速率。
2.2 滤波器设计
本系统须要两类滤波器：带通滤波器和低通滤波器。
带通滤波器设计紧张基于声波频率在1 400 Hz～4 400 Hz之间，该滤波器可设计为两个单独的滤波器，个中低通滤波器的截止频率即是4 400 Hz，高通滤波器的截止频率即是1 400 Hz，将二者级联可得到。
低通滤波器设计紧张目是肃清高频杂音，一样平常低通滤波器对大于4 600 Hz而小于20 kHz的噪声过滤效果不明显，乃至只有1 dB的衰减。综合考虑，设计有源低通滤波器在频率4 600 Hz处衰减小于0.1 dB，在20 kHz处衰减大于15 dB。其陡度系数AS为：
根据切比雪夫滤波器衰减特性图可知，通带波纹0.1 dB的切比雪夫滤波器在4.347 8 rad/s处有超过15 dB的阻带衰减至少须要二阶滤波器，本设计采取二阶切比雪夫低通滤波器，在截止频率附近的截止特性最好，幅频特性曲线最陡。根据通带波纹0.1 dB等波纹切比雪夫滤波器极点位置表，得到归一化二阶0.1 dB切比雪夫滤波器极点位置为λ=0.610 4，ψ=0.710 6。
低通滤波器或者高通滤波器以3 dB点作为参考频率，频率变革系数打算得FSF=2π×fc=2π×4 600=28 902.65，滤波器中的电抗性元件的值除以频率变革系数FSF是滤波器归一化的根本。
低通滤波器采取状态变量全极点低通滤波器电路构造，该构造能够通过状态变量逼近，独立调度极点和零点坐标的特性，战胜一样平常有源低通滤波器不能有效调度极点和零点位置的毛病。λ和ψ为极点位置的实部和虚部。本滤波器电容值C选择0.01 μF，基准电阻R值选择10 kΩ，别的电阻R1~R4为外接电阻，调度后的实部λ′和虚部ψ′打算得到：
图3是Filter Solutions软件设计的有源低通滤波器和幅频特性曲线，图中电阻R12和R17可改为可变电阻，实现通过可变电阻在一定程度上改变电路属性。本系统采取高精度的电阻和电容，战胜电阻电容精度不高带来的失落真。
高通滤波器的浸染紧张肃清以人声为主的中低频杂音旗子暗记，凡人说话声音频率为200 Hz～800 Hz。高通滤波器设计知足以下哀求，在频率1 200 Hz处衰减小于0.1 dB，在200 Hz处衰减大于12 dB。本系统中的高通滤波器采取有源切比雪夫高通滤波器设计，高通滤波器设计过程与低通滤波器基本相同，图4为高通滤波器及其幅频特性图。
2.3 系统资源分配
系统4×4矩阵键盘接主控器P2口，DDS模块采取并行数据输入办法，DDS模块数据输入接P6口，DDS模块掌握端接P1.5、P1.6、P1.7口，显示模块接P4口和P5口；P3口为8位二进制数据输出，用于向CPLD构建的加密系统输入待加密的数据；P6口为8位二进制数据输入，用于吸收加密后的数据信息。数据输入输出采取并行办法，基于CPLD的加密系统采取10 bit二进制密钥输入，主控器剩余P1.1～P1.7口，5 bit密钥输入采纳分组输入，分成两组，每组5 bit二进制分别通过P1.3～P1.7输入到加密系统。
2.4 DEA加密算法实现
DEA加解密算法大量利用置换运算，按照一定的规则打乱原二进制各位的顺序。利用CPLD构建硬件DEA加密系统实行置换运算只须要改变接线方法即可，实行置换运算不须要韶光，如8 bit二进制输入为a1a2a3a4a5a6a7a8，经初始置换IP将变成a2a6a3a1a4a8a5a7。在CPLD中本色上便是将一号输入脚连接到四号位置，二号输入脚连接到一号位置，以此类推，可以完成加密算法中的所有置换运算。根据真值表得出函数表达式，终极可采取基于CPLD芯片的八选一选择器实现韶光S盒置换功能。
3 软件设计
3.1 发送端软件设计
首先进行系统的初始化，包括关闭看门狗、定时器初始化、各端口的初始化、液晶显示屏初始化等。然后程序进入循环以等待键盘选择系统的事情模式，通过键盘选择事情模式后，跳出循环实行对应的事情流程。
3.2 吸收端软件设计
该部分首先进行系统的初始化，之后进入循环等待键盘选择系统的事情模式，以便跳出循环实行对应的事情流程。
发送端系统初始化后，提示输入密码和待发送的数据，将数据输入到加密系统的密码输入端，加密系统分次完成数据加密，DDS将加密后信息发送。吸收端系统在初始化后提示输入密码，等待发送端发送旗子暗记，将吸收到的旗子暗记进行显示。实验数据测得本系统缺点率约为0.1%，系统相对稳定，有一定的实用代价，同时存在一定的偏差，紧张缘故原由是信道滋扰和时序出错。
4 结论
本声波旗子暗记加密传输系统稳定安全，达到了预期的目标，系统传输出错率较低，信息加密后传输，在一定程度上担保了信息的安全性，其硬件加密系统与软件加密系统比较有其固有的上风。本系统也存在着数据速率较慢的缺陷，但在一些不须要大量数据传输场合，例如无线支付领域只须要传输大略的掌握旗子暗记，一样平常只有几字节，目前智好手机的type-C接口为拓展硬件加密模块创造了条件，这些便利条件使该系统的推广成为可能。
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作者信息:
单慧琳，张银胜
（南京信息工程大学，江苏 南京210044）
