基于成对载波和混沌加密的有线保密电话系统

　　1 背景

电话被窃听或非法监听问题一直是影响有线电话安全的主要问题，有线电话的窃听，首先就是从电话线路上拾取通话音频信号，拾取的方法主要有两种类型——感应式和并接式。感应式是通过拾取电话通话过程中从线路上辐射出来的微弱信号，经过放大和处理后提取有用的信息。并接式直接将话机或者窃听装置并联连接在电话线路上，即通常所说的搭线窃听。因此，对有线电话传输过程的安全防护引起了国内外学者的广泛关注，保密电话机应运而生。

目前的保密电话机的设计中，普遍采用了数据加密方式。数据加密方式行之有效，但也存在一些缺点，如数据加密对硬件的计算要求较高，数据加密是相对安全的，密钥的泄漏是致命的。能否设计出一套不依赖于密钥与加密算法(例如，卫星通信中的PCMA技术)也能够达到掩盖明文使攻击者无法正常读取的技术呢?这正是本作品开展研究的出发点。

PCMA(对称载波复用，Paired Carrier Multiple Access)是卫星通信领域的频率复用方式，在通信过程中，双方地面终端同时使用完全相同的频率/时隙/扩频码。使用本技术可使频带利用率提高一倍，同时可有效防止第三方对双方通信信号的截获，大大增强数据传输的安全性。成对载波的体制由于相互叠加，无法分离两端信号，第三方不能获得通话双方的信息，具有安全性特点。如把这一特点着重加以利用，理论上可构成一套话音和其他信息保密传输的系统，这正是本作品研究的理论依据。

根据成对载波复用技术在卫星通信中的应用原理，我们只需要通信的双方使用同样的频带传输，并且不停的在信道上传输数据，就可以达到在信道上的任意一点、每一时刻都发生叠加。这样一来，除通信双方之外的第三方在本地回路的任何地方进行监听，得到的都是叠加的载波信号，无法进行解调，即使解调也无法得到信息。而通信的双方由于拥有本地端保存下来的信号值，便可以在得到信号之后应用回波抵消的技术将收到的信号中经由一定回路返回的信号消去，提取结果即对方发送的信号。整个过程是保密的，并且进行了有效的通信。

　　2 系统原理与仿真

2.1 PCMA的基本原理

PCMA是卫星通信领域一种新的频率复用方式，通过采用一定的技术手段，可以允许两个不同的卫星地面站同时使用完全相同的频率、时隙或扩频码，从而可将现有的卫星信道的频带利用率提高一倍。PCMA技术的特点是使正在通信的两个终端所使用的信道数由4个减少为2个，即两个终端的上行信号和下行信号分别叠加在一起。同时，由于PCMA信号在时域和频域完全重叠，采用PCMA可以有效防止第三方对双方通信信号的截获，使安全保密性更强，而付出成本却很低，对系统的误码率影响极小。

　　图2.1 PCMA原理图

如图2.1所示，卫星站A发射上行信号A，卫星站B发射上行信号B;信号A、B同时使用相同的上行频率，信号A、B在卫星上叠加，通过下变频和功率放大后得到下行信号A1+B1。卫星站A根据自己的发射信号可得出估计信号A2(该估计信号A2接近下行信号A1)。同理，卫星站B可估计得出估计信号B2。因此，卫星站A可以接收到卫星B的信号B1为：A1+B1-A2≈B1。

为了从合成信号中减去自身的下行信号(即信号抑制)，卫星站必须精确地估算自身下行信号的各项参数，如经过传输的信号幅度变化、频偏、载波相位的偏差、和传输延迟等参数。信号抑制技术是PCMA技术的核心。

2.2 回波抵消器的基本原理与仿真

由PCMA的基本原理可知，在PCMA的实现过程中，信号抑制的实现实质上就是对自身回波的抵消。现代处理回波的主要技术是基于自适应滤波器实现的。自适应回波抵消器将远端语言信号输入到一个自适应滤波器以产生复制回波，然后将远端信号经过回波路径产生的真回波与复制出来的假回波接入一个减法器相减，达到小数回波的目的。由于通路的传输特性是时变的，所以这种复制要利用残余回波来进行自适应，使滤波器的传输函数始终跟踪着回波路径传输函数的变化。

回波抵消器通过将参考信号输入自适应传输滤波器来产生回波复制，如图2.2所示。如果传输滤波器的传输函数与回波路径一致，则复制回波将与真实回波相同，回波就可以得到完全抵消。因此，实现回波抵消器的核心算法是自适应滤波算法。

　　图2.2回波抵消器的基本原理

2.3 回波抵消算法与仿真

目前，用于回波抵消的自适应算法主要有两类：一类是最小平方算法((LMS算法))，一类是最小均方误差法(NLMS算法)。LMS算法的主要优点是算法简单，软硬件实现较容易，但小信号时收敛速度慢。NLMS算法是对LMS小信号时收敛速度慢的一个改进，且软、硬件成本增