Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  No.   4 ,  A ugus t   2020 ,   pp.  4270 ~ 427 8   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 4 . pp 4270 - 42 78          4270       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   A  h igh secu rity an d noise im mu nity   of  sp eech based     on double  chaotic m asking       Ehab Ab dulR az z aq  Hus sei n 1 ,   M urt ad h a K. K hash an 2 , Ameer   K. J awad 3   1,2 Depa rtment   of   Elec tr ical Engi n ee ring ,   Fa cul t y   o f  Engi n ee ring ,   Univer sit y   of  B ab y lon ,   Ir aq   3 Depa rtment of  Com pute r  Engi n ee ring ,   Fa cul t y   o f  Engi n ee ring ,   Univer sit y   of  Isl a m ic ,   Ir aq       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   J ul  11 , 2 019   Re vised  Feb   2 5 ,   2020   Accepte d  Ma r   2 , 2 020       It  is  known  tha t  inc re asing  the  sec urity   of  the  informati on  an d  red uci ng     the   noise  eff ect   through  publi c   cha nne ls  are   t wo  of  the   m ai n  priori ties  in   deve lop ing  an y   comm unic at ion  s y stem.  In  thi s  art i cl e ,   an  eff ici ent ,   se cur e  comm unic at ion  s y stem  with  two  le vel s  of  enc r y pt ion  has  bee n   appl ie d  to     the   spee ch  sign al .   Th e  suggested  sec urity   app roa ch  was  implemente d  b y   using  two  diffe ren t  stage s  of  chaotic   m asking  on  the   signal ;  one  m asking  was   conduc t ed  b y   us ing  Lore nz  s y s tem   and  the   othe r  m asking  was  bui lt   b y   u sin g   Rӧss le r  cha otic  flow  sy st em.  Th e  m ai n  goal   of  deve lop ing  thi s  two - cha ot ic  m asking  appr oa ch  is  to  in crease  the   k e y   s pac e  and  th e  sec urity   of     the   informati on .   Also,  an  immunit y   technique  has  bee n  implemente d  in     the   suggested  a pproa ch  to  red u ce   the   noi se  eff ec t .   For  pra ct i cal  appl i ca t ion   purposes,  thi s  s y stem  was  te sted  with  addi ti v e  white   gaussian  nois e  (AW GN)   cha nne l.   The   si m ula ti on  resul ts  show   tha t  the  qu al ity   of  re constr uct ed  spe ec h   signal   is   cha ng ea bl e  a cc ord ing   to  the   used   si gnal   to  noise   r at io   (SN R);  the ref or e,   a  pro posed  te chn ique  base d  on  dig it a l  proc essing  m ethod  (DP M)  was  appl ie d  to  t he  first  m aske d  signal   b y   conve r ti ng  the   sam ple d   dat a  from   the   analog  to  th e  bina r y   form at .   The   sim ula ti on   result s  show   th at   an  22  dB  (SN R)  is  suffic i ent   to  re c over   t he  spee ch  signa l  with  m ini m um   noise  by   using t he   suggested approach.   Ke yw or d s :   Chaotic  f l ow s yst e m s    Dou ble ch a otic  m asking   com m un ic at ion  sec ur it y   Encr y ption    Sp eec h qu al it y   Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Eha b Abd ulRaz zaq  Hussei n,    Dep a rtm ent o f El ect rical  En gi neer i ng,    Faculty  of E ngineerin g,    Un i ver sit y o f B abyl on, Baby lon ,  Iraq .   Em a il : dr .eh a b@i tnet.u obaby lon .e du.iq       1.   INTROD U CTION     In   c omm un ic at ion   syst em   se cur it y  is  the  m ai n  go al   that   m us t  be  achieved ,  in  orde r   to  kee p  data   away  from   at ta cks  (an   eaves droppe r) .   In f or m at ion  m us t  be  encr y pted  over   var io us   te chn i qu e s,     Send  e ncr y pted  s peec h  or  an y  form   of   data  need  to   us e   a  ge ner al   key  that   sho uld   be  known   by  t he  rece iver  of   com m un ic at ion   syst em .  A  c hao ti c  syst em   has  m any  pr operti es  li ke,   ve ry  sensiti ve  to   init ia l  con diti on   a nd   par am et ers,  er godic,  unpredi ct able sig nal an d determ inist i c syst e m . D ue t o  the im po rtan t prop e rtie s of  chao t i c   that m entioned, ch a otic ca n b e u ti li zed in se cur e  co m m un ic at ion .   Seve ral  w orks   and  stu dy  ca n  be   do ne  in   the  ap plica ti on   of  cha otic   in  secu re  c om m un ic at ion .    Since  19 93   Oppe nh ei m   a nd   C uo m o,   im ple m ented  m asking   sc he m e  of   the  L or e nz  syst em   in  secure   com m un ic a ti on   [1 ,   2 ] .  In  1996  Mi la no vice  Zag hloul  pu t  an  im pr ove d  te ch nique  to   im ple m ent  chao ti c   m asking  in  t he   com m un ic at i on  fiel d  [ 3 ,   4 ] .  A fter  t his  c ha otic  ci rcu it   of  sec ur e   com m un ic at ion   ba sed  on   Lor e nz  syst em   is  i m ple m ented  in  disc rete  el ect ro nics  c om po nen t  [ 5 ,   6 ] .  In   20 09   a  s ecur e  c omm un ic at ion   base d  on  a  fr ac ti on al   cha otic  m et ho d  wa s  pr opos e d  [ 7 ] .  In   2011,  a  ne w  3 - dim ension al   syst e m   based   on  chaos  theo ry  was   pr opose d  by  Li  an d  Ou  [ 8 ] ,  us in g  the   ch aotic   fl ow,  L or e nz  syst e m .  Zhang   a nd  Z hao  ha ve  stud ie d  a  two - st age  dri ver   syst em   by  e m plo yi ng   the   pecora  an d  ca rroll   (P C)  m eth od  on   the  L orenz  c haos  m o del  in     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A h i gh secu rit y and n oise i mmun it y  of s peech b as e d  …   ( Eh ab A bdulR az z aq Hussein )   4271   the  fiel d  of   se cur e  c omm un ic at ion s  [ 9 ] .  I n  2018,  pr ese nt ed  a  secu rity   of   s peec h  base d  on  tw o  e ncry ption  sta ge,   th e  fir st  sta ge  is  ti m e   scram bling   to   co ns tr uct  b y  chao ti c  m ap,   wh il e  the   seco nd  sta ge  is  c ha otic   m asking establ ished  b y t he  c ha otic flo w [ 10 ].   Yam ada  and   Fujisaka  [ 11 ] ,   condu ct e d  on   the  first  rese arch   on   sy nchronizi ng,  a  ch aotic   syst e m .     Wh il e  pecora  carr oll  [ 12 ,   13 ]   achieve  that  chao ti c  m od el s   can  be  s ync hr on iz e d  wh e n  a   su it able  c onne ct ion   desig n  is  f ound,  s uc h  as  the  chao ti c  ti m e  g rowth  of   t he  two -   syst em s  beco m e  co m par able.  Cha otic  secu r e   com m un ic at ion   is  pr ese nted   in  th ree  m ai n  ty pes:  Cha otic  m od ulati on ,   chao ti c  m asking  an d  c ha otic  sh ift  keyi ng [ 14 ,   15 ] . In  t his wo rk two l evels  of ch aotic  m asking   are a pp li ed  to  t he  s peec h  sig na l.   The  outl ine o f  this  arti c le   is  a s  go  a hea d.  I n  Sect ion  2 , w e  s et   the d escri ption  of  t he  pro pose d  syst em ;   the  ai m   of   the  m ul ti   chao ti c  m asking ;  the   de sign   of  the  propose d  syst em   with  a dd it ive  wh it e  gau s sia n  no is e   (AWGN )  c hannel  ha s  been  in tro du ce d.  I n  S ect ion   3 ,   we   e xpos e   the  qual it y  m easur em ent  of  the   sp eec h  so  as   to  ex plain  the  rob us tness  of   t he  m od el   that  stud ie d  co ncernin g  the  resi dual   cl arit y  of   the  ci ph ere d  sig nal  an d  the   pro per ti es  of   the  receive d  data.  I n  Sect ion   4   the  sim ul at ion   res ults  ar e  ob ta ine d  incl ud e  t he  m aski ng / de - m asking  pr oce ss  an d  the  res ul ts  of  us i ng  the   pro posed   m eth od  t o  re du ce   the  e ff ect   of  no i se.  T he  c oncl usi on  is   pr ese nted  in  t he  last  secti on.       2.   THE   PRO PO SED   M ODEL   The  sec ur it y  of  the  e nc rypte d  sig nal  inc rea ses  pro portio na l  to  the  rand om ness  of   the   c hao ti c  si gn al   and   the  siz e  of  the  key  sp ace   of   the  syst em   that  be  us e d.   In   this  w ork  double   m asking  to  the  sp eec h  sign al   base d  on  c hao t ic   sign al   ha s  be en  intr oduce d.  Each  pa rt  of  the  pr opos e d  sy stem   need s  to  be  sync hro nize d  wit h  their  ide ntica l  par ts  at   t he  re cei ver   si de.   A s  a  res ult,  sel f - sync hro nizat ion  (P C )  m et ho d  that  pro po s ed  by  Peco ra  Ca rroll   has  bee n  us e d  in  this  m od el ,   in  wh ic h  two  identic al   syst em s ,  on e  m ast e r  syst e m   (d rive n)   a nd  oth e r  sla ve  sys tem   (r esp on s e)   can  be  sync hron iz e d,   by  ch oosin g  on e  of  th e  sta te s  of   th e  diff e re ntial   equ at ions   of   m ast er  syst em   as  a  dr ive n  sign al   t o  the   ot her  side  sla ve  syst e m   [ 12 ] .  L or e nz  a nd  Rӧ s sle r  co ns ist ,  t he   first  a nd   the  sec ond  sta ges  of   the  pro posed  m od el ,   resp ect ively   as  cl arify  in  Figu re  1.  The n  the   no ise   effe ct   on  th e   receive d  data  ha s  been   i ntr oduced   by  ap plyi ng   a n  A WGN  channel  to  the  syst e m ,  so   that  a  sp eci fic  m e t hod  i s   pro po se d  t o  r edu ce   no ise   on  the   sig nal  b y  dig it al   proces sin g  m eth od  t o  t he  first  cha otic  m aski ng .     The pr opose d  m od el  co m po ne nts ca n divide d  as  the  fo ll ow ing :           Fig ure  1 .   Ge ne ral d ia gr am  o f pro po se d  m od e l       2.1.    Double  m as ki ng  se cure c om munica tion   Ther e   are  se ve ral  ap plica ti ons  to  the  c ha otic  sign al   in   secu r e  com m un ic at i on s   su c h  as   the   par am et er  chao ti c  m od ul at ion ,  the  c haot ic   sh ift  keyi ng ,  the  on -   off  keyi ng,  an d  th e  chao ti c  m asking   [ 16 ] .  The  chao ti c   m asking   ca n  be   con si der e d  the  sim plest  ap plica ti on   f or   t he  cha otic  sig nal  in  the  sec ur e  c omm un icati on s .   Also ,  it   can  be   easi ly   execu te d  in  the  el ect r onic   ci rcu it s,  s o  it   is  us ed  in  th is  propose d  sy stem .  The  sche m at ic  of the  double   m asking for  th e pro posed  sys tem  u se d  i n  thi s stu dy is s how n  in  Fig ure  2.   At  transm it te r  side.  I n  the f irs t  blo ck ,  the  L orenz f lo w  syst em   is  us ed   [ 17 ] ,   since  we  hav e   three  sta te s   in  the  syst em   ( x ̇   , y ̇   , z ̇ )  an d  acc ording  to  sel f - sync hro nizat ion ,   by   cho ic e  x m1   as  a  chao ti c  m ask  to  the  dat a ,     as foll ow.   T he Lore nz  m ast er  syst e m  is g ive n by:     x ̇ m1 =   σ ( y m1 − x m1 )   y ̇ m1 = r x m1 − y m1 − x m1 z m1   (1)   z ̇ m1 = x m1 y m1 − b z m1   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020  :   4270   -   4278   4272   So ,  the  first m aske d  sig nal  c 1 ( t )   is  giv e n by:     c 1 ( t ) = m ( t ) + x m1 ( t )   (2)     Wh e re:  m ( t )   is t he speec h  sig nal.    m  &  s su bsc rip t:  is the m ast er an d sl ave  syst em s r especti vely .   In  the  seco nd   bloc k,  the   R ӧs sle r   cha otic  syst e m   is  use d  a nd  acc ord ing   t o  sel f - sy nchr on iz at io n,    by cho os in g  y m2   a s the c ha otic m ask  t o  c 1 ( t )   as foll ows,           Fig ure  2 .   Sc he m at ic  o f   do ub l e m asking   pro po s ed  syst em       The  R ӧs sle r  m ast er m od el  is  giv e n by:     x ̇ m2 = − ( y m2 + z m2 )   y ̇ m2 = x m2 + a y m2     (3)   z ̇ m2 = b + z m2 ( x m2 − c )     So ,  the  seco nd  m asked  si gn al   c 2 ( t )   w hich se nt t o  t he  c hannel is  gi ven   by:      c 2 ( t ) = c 1 ( t ) + y m2 ( t )   (4)     At  recei ver   si de .   Th e  recei ve d  sig nal   c ̂ 2 ( t )   is  subtract ed   f ro m   the  fi rst  bl ock  ( Rӧssler  sla ve  s yst e m )  by the c ha otic  sign al   y s2   to  giv e   the r ec overe d  s ign al   c ̂ 1 ( t )   as foll ows.   The  Rӧssle r  sla ve  syst em   is give n by:     x ̇ s2 = − ( y s2 + z s2 )   y ̇ s2 = x s2 + a y s2   (5)   z ̇ s2 = b + z s2 ( x s2 − c )     So ,   c ̂ 1 ( t )   is ex pr ess ed by:       c ̂ 1 ( t ) = c 2 ( t ) − y s2   c ̂ 1 ( t ) = ( c 1 ( t ) + y m2 ) − y s2       (6)                       = c 1 ( t ) + e r2     wh e re:  e r2 = y m2 − y s2   Finall y  the   rec ov e re d  i nfor m at ion  m ̂ ( t ) is  obta in ed   by   s ub tract i ng  c ̂ 1 ( t )   from   the  c hao ti c   sig nal  x s1 of  the sec ond blo ck (Lo re nz  sla ve  syst em )  as foll ows.  T he Lo ren z  slave  syst e m  is g ive n  by:     x ̇ s1 =   σ ( y s1 − x s1 )   y ̇ s1 = r x s1 − y s1 − x s1 z s1     (7)   z ̇ s1 = x s1 y s1 − b z s1       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A h i gh secu rit y and n oise i mmun it y  of s peech b as e d  …   ( Eh ab A bdulR az z aq Hussein )   4273   So ,   m ̂ ( t )   is give n b y:     m ̂ ( t ) = c ̂ 1 ( t ) − x s1                         = ( c 1 ( t ) + e r2 ) − x s1             (8)                         = m ( t ) + e l1 + e r2     wh e re:  e l1 = x m1 − x s1   The  sy nchr on i zat ion  e rror bet ween L or e nz d rive  a nd r e spo ns e syst em s is g ive n by:     e l1 = x m1 − x s1   e l2 = y m1 − y s1   (9)   e l3 = z m1 − z s1     The  sy nchr on i zat ion  e rror bet ween R ӧs sle r d rive  a nd r e spo ns e syst em s is g ive n by:     e r1 = x m2 − x s2   e r2 = y m2 − y s2   (10)   e r3 = z m2 − z s2     2.2.    Double  m as ki ng  se cure c om munica tion s ystem u nder  t h e   AW GN  ch annel   Fo r  pract ic al   app li cat io ns   th e  pro po se d  sy stem   was  te ste d  a nd  sim ulate d  with  A WG N  c ha nn el ,   so   as  t o  st ud y  t he  ef fect  of   no ise   in  the  rec onstr ucted  i nform at ion   an d  to   est i m at e  the  am ou nt  of  po w er  m us t   be  ad de d  to  th e  sign al   in  ord er  to  recei ve  it   at   good   qual i ty.  Fig ur e  3  il lus trat es  the  pro pose d  double   m askin g  secur e  co m m un ic at ion   syst em  u nd er  the  A WGN c ha nn el .           Figure  3.   D oubl e  m asking propo s ed  syst em  u nd e r  t he  A WGN c hannel       The reco ve red  sp eec h  sig nal i s affect ed by  noise  as  f ollow :      ( ) = 2 ( ) + ( )     (11)     w he re    ( )   is   A ddit ive  Wh it e Ga ussi an  No ise  (A WGN) .     And refe rr e d  t o  ( 7 )   then       ̂ ( ) = ( ) + 1 + 2 + ( )   (12)     2.3.    No ise   reduc tio n by di git al pr ocessin g  me thod  (DPM )   In  this   m et ho d,  the   first  m asked  si gn al   c 1 ( t )   is  transfo rm ed  fro m   the  analo g  to  t he   di gital   ut il iz ing  (ADC)  c onve rter,  befor e  m ake  m asking   with  the  c ha os   si gn al   of   t he  sec ond  blo c k  of   t he  pr opos e d  s yst e m .    At  the  receive r   side,  t he  first  recovere d  sig na l  c ̂ 1 ( t )   w hich  is  bi nar y  data  f orm   will   be  c ha nged  ov e r  bac k  t o  the  analo g  f orm   by  us ing   ( DA C )  trans f orm er.  This  co nversi on   of   fi rs t  m asked   signa l  to  bin ary  f orm   wil l   reduce  the  im pact  of   noise   on  the  sign al .  I n  f act ,  the  sam ple s  that  conve rted  f ro m   the  analog   t o  the  bin ar y  ca n  be  act e d  by  ( 1,  2,  3  or  4... .  N b )  bits  f or  ea ch  sam ple   [ 18 ,   19 ] .  Cl ear  s peech  is  obta ined ,  by  i ncr ea se    the num ber   of   bits that   us ed .   The pr opose d  m et ho d  is  d e pi ct ed  by t he  s ub seq uen t  points:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020  :   4270   -   4278   4274   -   Ma ke  c onve rting  to   t he  sam ples  of  t he  fir st  m asked   si gnal   1 ( )   from   analog  to   t he  dig i ta l  form     us in g (ADC) .    -   Ma sk in g  the  c hange d ov e r da ta  w it h  the  sec ond bloc k  c ha ot ic  sign al .   -   Add A WGN c hannel to  the   m asked  si gn al .     -   On   the  receiv er  side,  an d  af te r  synch roniz at ion   of  the  fi rst  blo c k  sla ve   syst e m ,  the  bin ary  data  was   recovere d, an d t hen   by  us in g ( DA C )  the  sam pled data   was ob ta ine d.        3.   QUALIT Y   M EASUR MEN T   OF   SPEE C H   A  num eral  of   qu a ntit ie s,  m easur em ents  can  be  util iz ed  to  e valuate  the  ef f ect iveness  of   t he  pro pose d   syst e m   con cer ning  sec ur it y  of  enc rypte d  sig nal  an d  the  pr op e rtie s  of  the   recove red   s pe ech  sig nal.  T he se  are   sign al - t o  noisy   rati o  (SNR) ,  ( LPC)  li near   predic ti ve  co de  m easur e ,  ce ps t ral  distance  m e asur e  (CD )  an d  m ean  sq ua re e rro r  ( MSE)  [ 20 ,   21 ] .  Th ese  m easur e m ents are defi ned as  fo ll ows:     3.1.    Segme ntal  spe ctra l si gnal - to  no ise   ra tio   Segm ental   sp ect ral  sign al - to  no ise   rati o  (SSSNR )  is  a  quantifi cat ion   of   no ise   in  a  spe ci fic  sign al .     It  is  a  colle c ti ve  m easur em ent  of   the  resid ual  cl arit y  of   the  encry pted  sp eec h  and   the  fin e ness  of     the r ec onstr ucted  s peec h.   It is  sp eci fie d by th e subse qu e nt e qu at io n   [ 22 ] :     SSS N R ( s ( i ) , sn ( i ) ) = 1 0 log       (   ∑ s ( i ) 2 i = l i = 1 ∑ ( s ( i ) − sn ( i ) ) 2 i = l i = 1   )   (13)     w h e r e   l   i s   “ n um b e r   o f   s a m p l e s ” ,   s ( i )   i s   o r i g i n a l   s i g n a l   a m pl i t u d e   a n d   sn ( i )   i s   “ t h e   a m p l i t u d e ”   o f   t h e   e n c r y p t e d   or d ec rypted  si gn al .     3.2.    Li near  pre - di cat i ve  c od e  (L PC)     d lpc = ln ( AV A T BV B T )   (14)     w he re:  V  is  the   auto - co rr el at ion   m at rix  of   t he   act ual  sp eec h  bl oc k,  v ect ors A   &  B  co ntain   the  LPC  coe ffi ci ent  for  the  pu re sp eech  blo c k  a nd  the  recover ed   or enc rypted  s peech bl ocks   [ 23 ] .     3.3.    Cp es tra l  dist ance  me as ure  ( CD)     CD = 10 log 10 [ 2 ∑ { C x ( n ) − C y ( n ) } 2 p n = 1 ] 1 2   (15)     w he re:  c y ( n )   a nd   c x ( n )   are   th e  ce pestral  c oe ff ic ie nts   of   the  ori gin al   s pe ech   an d  the   rec onstr ucted   or   encr y pted  s pee ch.     3.4.    Mean  sq uare   error  (MSE)     MSE = ∑ ( y − x ) 2 n     (16)     Is  the m easur e o f  the  recove re d  sp eec h qu al it y, wh e re th e s m al le st value o f  MSE m eans g oo d  qual it y  of   the  rec onstr ucted  s peech   si gn al   w he re  (x)   is  “ the  or igina l  sign al ”,  (y)  is   “t he  reconstr uc te d  sign al ”  an d  ( n)  is “t he  le ngth  vec tor of t he si gnal ”   [ 24 ,   25 ] .       4.   SIMULATI O N   RES ULTS   In   this  par t,  t he  the or et ic al   analy ses  and  resu lt s  are  presente d  to  ex plain  the  ef fe ct iveness  of   the  pro po se d  s yst e m .  The  sp eech  file   enter ed  thr ough  the   coo l  edit9 6  de vice,  the  file   with  8   kHz,  8bit s  per   sam ples,  on e  channel,  42 960  sam ples  fo r  5.370 0  seco nd.  The  sim ulati on   resu lt s  will   be  pr ese nted  as  f ollows;   double   m asking   im ple m entation   of  the  s pe ech  sig nal  fro m   so ur ce  to   de sti nation,  the   i m pact  of   A WGN   channel  noise   on   s peec h  da ta   at   receiver   side  inclu des   the  resu lt s  of  noise   re du ct ion   by  us in g  dig it al  processi ng   m eth od  ( DP M ),   th e  key  sp ace  a nd  pe rfo rm ance  of   the  pro pos ed  m od el   as  com par ed  with  so m e   encr y ption sy stem s ar e prese nt ed.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A h i gh secu rit y and n oise i mmun it y  of s peech b as e d  …   ( Eh ab A bdulR az z aq Hussein )   4275   4.1.    Simul at i on   re sults  of d ou bl e chao tic ma s king   Re sp ect  to  the  process  of  e ncry ption  as e xp la ined  in secti on  (II.A),  th e o ri gi nal sp eech si gnal  en te re d  with  4296 0  sa m ples,  5. 37 00  seco nd   durati on  sho wn   in  Fi gure  4(a) .   The n  the  m asked   sign al   f ro m   the  first   sta ge  of  enc ryption  is  giv e n  i n  Fi gure  4( b ) .   Finall y  the  e nc rypted   sig nal  t hat  pr oduce d  f ro m   the  tw o  st ages  o f  m ast er s yst e m   is give n by Fi gure  4( c ) .         (a)         (b)         (c)     Figure  4.   (a ) O rigin al  s peec h si gn al ,  (b) M as ked sig nal afte r  the  f irst  sta ge  of e ncr ypti on,     (c)   The  en c ryp te d  s peech       Fr om   the  ab ove  encr y pted  si gn al ,  it   is  cl ear   that  the  entire   sp eec h  data  is   hidden   inside   the  cha otic   sign al   a nd  thi s  is  one  of   t he  m ai n  require m ents  to  obta in  the  ef fici ent  secu rity .  On   t he  sla ve   side,     after  a pply ing  the  process   of   the  first  a nd  th e  sec ond  de - m askin g  bl ock s   t he  final   rec ov e red  s peech  m ̂ ( t )   wa s  ob ta ine d w hich  is n ea rly  ex act  to  the  origi nal  sp eec h data wi th m ean squar e  erro r  (MS E)   =   5 . 2692 ∗ 10 − 6 .     4.2.    Prop os ed   s ys t em unde r   AW GN  c hannel   Dou ble  m ask  secur e  c omm u nicat ion   syst e m   is  su bj ect e d  an d  te ste d  unde r  the  A WG N  c ha nn el ,     Table  1   il lustr at es  the  ef fect   of  noise   on  r ecov e re d  s pee ch  sig nal  for  diff e re nt  S NRs.  It  is  noti ceable   that     the  syst em   has  poor  pe rfo rm a nce  at   32  an d  35  dB,  wh il e  w hen  the  SN R  is   reac hing  ove r  37  dB  t he  recovere d  sp eec h  sig nal  beco m es  cl ear er   ( SSS NR  ha ve  posit ive  val ue).  T o  cl ari fy  this,  diff e re nt  SN Rs  a re  sim ulate d  as  in Figu re  5.   By   us in g  the  pro po se d  m et ho d  DP M ,  the  first  m asked   s ign al   was  c onver te d  f ro m   the  analo g  t o    the  di gital   for m   so   that  the  i m pu nity   of  th e  cha ng e   in  t he   m asked   sig na l  values   due  to  the  noise   w ou l d  increase.  Table   2  s hows  the  r esults  that  obta ined  by  us i ng   t he  pr opos e d  sc hem e  at   diff er en t  SN Rs .  It  is   seen  from   this  ta bl e,  in  case  of   15   a nd  16  dB ,  the  syst e m   has  po or   e xe cution  util iz ing   t he  three  sp eec h  unde rstan dab il it y  m od el s,  fro m   18   dB  an d  go  up,   the  syst e m   execu ti on  is  enh a nce d  (i.e   SSS NR  be gin   t o  ha ve  po sit ive  estee m ).     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020  :   4270   -   4278   4276     (a)     (b)     Figure  5 .   The  re cov e re d  s peec h  at : (a )  S NR= 35 d B  (b) SNR =39 d B       Table  1.   T est  the  qu al it y   of  re cov e re d  s peech f or   diff e re nt S NRs   SNR [ d B]   LPC   SSSNR  [ d B]   MSE   29   1 .29 8 2   - 7 .62 9 8   0 .03 8 8   32   1 .24 2 9   - 4 .41 8 1   0 .01 9 4   35   1 .16 4 7   - 1 .14 5 5   0 .00 9 7   37   1 .10 8 1   1 .07 7 6   0 .00 6 1   39   1 .01 9 4   3 .16 7 4   0 .00 3 9   40   0 .99 8 0   4 .36 2 5   0 .00 3 0     Table  2.   T est  the  qu al it y   of  re cov e re d  s peech f or   diff e re nt S NRs  b y  us in g (DP M)   SNR [ d B]   LPC   SSSNR  [ d B]   MSE   15   3 .49 0 8   - 2 4 .55 4 2   2 .56 5 7   16   3 .18 6 5   - 1 3 .01 2 9   0 .87 2 3   18   2 .53 6 4   1 9 .06 0 8   0 .00 8 0   20   1 .02 4 6   3 1 .63 7 6   0 .00 2 5   21   0 .25 3 1   3 4 .29 5 2   3 .71 3 5 ∗ 10 − 6   22   0 .09 9 3   3 4 .29 3 1   6 .00 4 1 ∗ 10 − 8         4.3.    Key are a   Key  area   is  the   overall  n um ber  o f  “ keys”  t ha t  can b e u ti li zed f or  the   e ncr y ption  strat e gy. I t  sho uld  b e   gr eat   e nough,  to  fig ht  the  bru te   fo rce  at ta c ke r.   I n  our  pr opos e d  syst em   a  high  sec ur it y  can  be  obta ined   from   the secret  key i s d i vid e d on tw o  syst em  Lo re nz  a nd Rӧs sle r sy stem s as f oll ow s:   a)   Fo r  L or e nz  sys tem   The  sec ret  ke y  is  ( σ   , r   , b l )   a  floati ng  point  pr eci si on   of   ∆ = 10 − 2   is  util iz ed  f or   t he  sec ret  keys,   therefo re th e  key  area is  ( 10 2 ) 3 = 10 6   .   b)   Fo r  Rӧs sle r  sy stem   The  sec ret  ke y  is  ( a , b r , c )   a  floati ng  point  pr eci si on   of   ∆ = 10 − 3   is  util iz ed  f or   t he  sec ret  keys,   therefo re  t he  ke y  area  is   ( 10 3 ) 3 = 10 9   .   Th eref or e ,  th e  tot al   key  s pace   is   ( 10 6 ∗ 10 9 )   wh ic h  is  a   hu ge  key   siz e to r e sist  th e comm on  att ack.      4.4.    Perfo r ma nce  comp ariso n  of t he  so m e encr yp ti on   sy s tem s a n d dou ble c haot ic  m aski n g  s ys te m   Fo r   hi gh  secu rity   the  resid ua l  intel li gib il ity  of   e ncr y pted  sig nal  s houl d  be   sm al l  as   possible  t o  pr e ve nt  any   a tt acker  from   reach  t o  e ncr y pted   data.   F or  m or e  ex plain ed  a bout  m eth ods   that  us e d  for   encr y pting   t he  sel f - s peech  cl ip  c on si der e d  i n  this  resear ch   see  [ 26 ] .   The   stud ie d  w orks   us e d  are:  “F re qu e ncy  do m ai n  scram bling ” ,  “Ti m e   dom ai n  scram bl ing ”  a ls o  “Tw o  dim ensi on al   scram bling ”   res pecti ve ly   as  in   Table  3.       Table  3.   Propo sed  m od el  r e sul ts as com par e d wit h  s om e encr ypti on syst e m s   Clas sical Scr a m b li n g   LPC   SSSNR  [ d B]   CD   Ti m e  do m ain  scr a m b lin g   0 .65 3 2   0 .97 5 4   2 .42 7 3   Frequ en cy  do m ain  scra m b lin g   0 .58 2 3   - 0 .27 3 5   2 .50 9 5   Two d i m en sio n s scra m b lin g   0 .61 3 2   - 1 .95 4 3   3 .23 6 9   Prop o sed  sy ste m   0 .97 5 1   - 2 1 .56 2 0   3 .96 6 1       It  is  ob vious  f ro m   Table  3  that  the  stu died   m od el   is  m uc h  bette r  tha n  oth e r  e ncr ypti on  m et ho ds.     In   public,  an d  after  lo okin g  t o  the   gai ned  re su lt s  we   obse r ve  that  t he  acc um ulate d  exec ution  by  us in g  doubly   chao ti c  m asking   util iz ed,   in  t erm s  of   “SSS NR”  is  m uch   r edu ce d   ( from   0.975 4  to  - 21. 5620)  c om par ed  wit h  the tim e d om ain  m et ho d  a nd t his in dicat e of  decr ease  the  r e sidu al  i ntell igibil it y of  the  enc rypt ed  d at a.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N: 20 88 - 8708       A h i gh secu rit y and n oise i mmun it y  of s peech b as e d  …   ( Eh ab A bdulR az z aq Hussein )   4277   5.   CONCL US I O N   In  this p a per, an  acti ve  secur e  co m m un ic ation  syst e m  w as a pp li ed  to the info rm ation  signal  b ased  on   the  double   chao ti c  m asking   te ch nique.  The  f ollo wing   con cl us io ns   can  be  dr a w n  from   this  stud y:     (a)   T he  sug ges te d  secu rity   app r oac h  was  im plem ented  by  us in g  tw o  dif f eren t  sta ges  of  chao ti c  m aski ng   on  the  sig nal;  on e   m asking   was  cond ucted  by  us in g  L or e nz  s yst e m   and   the  oth e r  m asking  was  bu il t  by  us ing  Rӧssler  cha otic  flo w  syst em ;  (b)  A  la rg e   key  s pace  of  ( 10 6 ∗ 10 9 )   was  obta ined   by  usi ng  t his   pro po se d  m et ho dolo gy.  The  la r ge  key   sp ace  of  this   m od el   m akes  the  syst e m   with  a  hi gh   r andom ness  an d  m or e  i m m un it y  agai ns t  at ta cks;  (c )   By   us ing  this  double   cha otic  m asking   te c hniq ue,   t he  resi du al   i ntell igibil it y  of   the  e ncr ypte d  data  decr ease d  w her e   the   S S SN R  is   m uch   reduce d  from   0.975 4  to   - 21. 5620  wh ic h  is   m uch   lowe r  as  com par ed  with   so m e  of   the  pre vious  stu dies;  (d)  Fo r  us a ge  ap plica ti on s,  the  pr opos e d  syst em   was   te ste d  ov e r  an  A WGN  cha nnel   and   the  res ul ts  sh ow e d  that   the  qu al it y  of   the  recovere d  inf or m a ti on   be gin s  to   be  cl ear  at   a  m ini m u m   SN R  va lue  of  37   dB  with  an  MS E  e qu al   to  0.0 061;   (e)   T he  dig it al   processi ng   m et hod  (D PM )  has  be en  c om bin ed  with  this  a ppr oach  to  r ed uce   the  ef fect  of  no ise   on  the  r ecov e re d  in for m at ion .     This  c om bin at ion  le d  t o  m ake  the  pro po se d  ap proac h  wor k  properly   at   SN R  of  21  dB   with  a   m ean  sq ua re  error   ( MSE ) = 3 . 7135 ∗ 10 − 6 .   Althou gh   t his  com bin at ion   is  ver y   ben e fici al   to  i m pr ove  the  qu al it y  of    the  rec ov e re d  sign al ,  t he  c om pl ic at ion   of  the  syst em   was  increase d  a nd  this  will   requi re  so m e  incre m ents  in  the b a ndwi dth   of the c ha nn el   du e  to  t he  c ha nge in  the  data t ype f ro m  the a nalo g  to  the  b i nar y  form .       REF E RE NCE S   [1]   Cuom o  K.M,  Oppenhe im  A. V,  and  Strogatz  S. H,  “ S y nchr oniz a ti on  of  lo ren z - base d  chaotic   c irc u it s  wit h   appl i ca t ions  to  comm unic at ions , ”   I EE E  Tr ansacti ons  on  c ircu it s  and  systems  II :  analog  an d  digi tal  signal   proce ss ing ,   vol .   40,   no .   10 ,   pp .  6 26 - 633,   1993 .   [2]   S.  Sridhara n ,   E .   Daws on,   B.   Goldburg ,   “ Fast  Fourier  Tra nsf orm   Based  Speec h  En cr y pti on   S y stem , ”  I E E   Proce ed ings I   -   Comm unic ati ons,  Spe ec h   and  Vi s ion ,  v o l. 138,  n o.   3,   pp.   215 - 223 ,   Jun.  1991.   [3]   Mila nović  V,  an d  Za ghlou l  M.  E ,   “ Im prove d  m as king  al gor it hm   for  cha ot ic   communic a ti ons  s y st e m s ,”   El e ct ronic s   Lett ers ,   vo l. 32,  no.   1 ,   pp .   11 – 12 ,   1996.   [4]   Rupak  K.,   “ De si gn  and  Im ple m ent at ion  o f  Secur e  Chaotic  Com m unic at ion  S y s t ems ,”   Ph.D.  Th e sis,  Univer sit y   o f  Northum bria   at  Newca stle,  2011 .   [5]   Yu - Min  L,   Yu - Hong  Z,   and  Ji n - Quan  Y,  “ Cir cui t   implementation  of   sec ur e  c om m unic at ion  s y stem  b ase d  o n   improved  chaoti c  m asking al go ri thm ,”   Journal  of   Circui ts   and  S yste ms ,   vol .   14 ,   no .   1 ,   pp .   116 – 118 ,   2009.   [6]   J.  C.   Feng,   C.   K.  Tse,   “ Re construc ti on   of  Chao ti c  Sign al s  with   Applic a ti ons  to   Chaos - Based  C om m unic at ions ,”   Tsinghua   Univ er sit y   Press ,   2008 .   [7]   Arm an  Kiani - B,   et  al . ,   “ A  ch a oti c   sec ure   com m unic at ion   sche m e  using  fra ct i onal   cha ot ic  s y stems   base d  on     an  extende d   fra ct ion al   k al m an  f il te r ,”   Comm unic ati ons  in   Nonli near  Scienc e   an d  Numerical   S i mulati on ,   v o l.  1 4,     no.   3 ,   pp .   863 - 8 79,   2009 .   [8]   X.  Li ,   and  Q.  O u,   “ Dy n amical  prope rties  and  sim ula ti on  of  a  n ew  lore nz - l ike   c haot i c  s y stem ,”   Nonli near  Dyn .,    v ol.   65 ,   no .   3 ,   pp .   255 - 270 ,   2011 .     [9]   Y .   Zha ng ,   Y ,   H.  Zha o ,   and  L.   Zha ng ,   “ S y nchr onizati on   o f  cha o ti c   s y st e m   and  it s  application  in  se cur e  comm unic at ion ,   “ In   Inte rnationa l  Confe ren ce   on   Computer  Appl i cat ion  and   System   Mode li ng  ( ICCASM) ,   vol.   14 ,   pp.   94 - 97 ,   2010 .   [10]   Saad  S.  Hreshee,  Hikm at   N.  Ab dull ah ,   and  Am ee r  K.  Jawad ,   “ A  high  sec urity   comm unic at ion  s y stem  base d  o n   cha ot ic   sc rambli ng  and  cha o ti c   m asking ,”   In te r nati onal  Journa l  on  Comm unications  Antenna  and  Propagati o n  ( I. Re . C. A.P. ) ,   vo l.   8 ,   no .   3 ,   2018 .   [11]   Fujisaka ,   H. ,   and   Yam ada ,   T,   “ Stabi lit y   the or y   of s y nchr oni ze d  m oti on  in  coupled - oscil l at or  s y st e m s ,”   Prog.   Theor.   Phy s.,   v ol .   69 ,   n o.   1 ,   pp .   32 - 47 ,   1983   [12]   Pecor a,   L. M . ,   and   Carr ol l,   T.L,   “ S y nch ronizat ion  in  ch aot i c  s y st ems ,”   Ph ys.   Rev.  Lett.,   v ol.   64 ,   no,   8 ,     pp .  821 - 824 ,   19 90 .   [13]   Sivape rum al ,   S,  “ Hy brid   S y n chr oniz a ti on  of  Id e nti c al   Chao ti c   Sy stems   Via  Nov el   Slidi ng   cont ro l  with  Appli ca t i on   to  H y per ch aotic  Vaid y anatha n — Volos s y stem ,”   I nt.   J. Cont rol   Theory  App l . ,   vo l.  9,   pp .   261 – 278 ,   2016.     [14]   Li   S,  Alvar ez   G ,   and  Chen  G,  “ Brea king  a  cha o s - base d  sec ure   c om m unic at ion  sche m e  designe d   b y   an  improved   m odula ti on  m et h od , ”   Chaos ,   Sol i tons a nd  Frac tals , v ol. 25 ,   no.   1,   pp.   109 - 120 ,   20 05.   [15]   Huan  Z. ,   Shaofa ng  H.,   Zuo  C. ,   a nd  Xixia ng  Z. ,   “ Dual  Ke y   Spee c h  Enc r y pti on  Al gorit hm   Based  Underde te rm ined  BS S ,”   The  Sc ie n ti fic  World   Jour nal ,  pp .   1 - 7 ,   201 4.   [16]   Nichol as  R . ,   “ Int roduc ti on   to Lor enz' s S y st em of Equa ti ons ,”   Mat h  6100,   Dec .   20 03.   [17]   B.   Sklar,   “ Digi tal  Com m unic at io n:  Fundam ent al s   and  Applicati on s ,”   P rent ice  hall  publi cation  PT R ,   Th ird  Edition ,   2011.   [18]   Ta riq ,   M.K,  “ Objective   te sts  of  spee ch  sign al ,”   M.Sc.   The sis,  C oll eg e  of   Engi n e eri ng  Al - Mus ta n siri y a  Univer sit y ,  Depa rtment  o f  E le c tri c al E ngin eering ,   2001 .   [19]   C.   Chin   Yi,   and   X.  Daol in  “ Sec ure   dig it a l  com m unic at ion   usin g  cont ro ll ed   pro je c ti ve   s y n chr on isat ion  of   ch aos ,”   Chaos,  Solitons   and  Fract a ls ,   vo l.   23 ,   no .   3 ,   pp .   1 063 - 1070,   2005 .   [20]   Y.  Zha ng,   Y,  H.  Zha o,   L .   Zha ng ,   “ Sy nchr on izati o n   of  cha oti c  s y s t em  and  it s  appl i ca t ion  in  sec ure   comm unic at ion,”   In:  Int ernati onal   Confe ren ce on Com pute r A ppl i cat ion   and  S ystem   Mode li ng   ( ICCASM) ,  vol .   14,   pp.   94 - 97 ,   2010 .    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t  2020  :   4270   -   4278   4278   [21]   Ramin  V.,   “ Se quenc e  S y n chr o niz a ti on  in  Chaos - Based  Dire ct   Sequence  Sprea d  Spect ru m   Comm unic at io n   S y stems ,”   PhD .   The sis,  Univ er si t y   of  Auck la nd ,   New Z e al and ,   2 012.   [22]   A.  V.  Prabu,   S.  Sriniva sara o ,   T .   Appara o,   M.  J.  Rao  and  K.  B.   R ao,   “ Audio  Enc r y pt ion  in  Handset s ,”   In te rnation al   Journal  of   Computer  App li ca ti on s ,  v ol. 40,  n o.   6,   pp.   40 - 45 ,   2012 .   [23]   X.  Chen,   et   a l . ,   “ Adapti ve  Control   of  Multi pl e   Chaot ic   S y s tem s  W it h  Unkno wn  Para m et ers  In  Two  Diffe re nt  S y nchr oni zat ion M odes ,”   Ad v. Di ff er.   Equ . ,   vol. 2 31,   pp .   1 - 17 ,   20 16.   [24]   Rubak  K.,   K.   B usawon,  and  Z .   Ghass emloogy ,   “ Novel  Casca de   Chaot i c  Maski ng  For   Secur e  Com m unic at ion ,”     In  Confe renc e  T he  9th  annual  P ostgraduate  Symposium  on  the   conv erge nc e  of  Telecomm unic ations ,   Net working  &   Broadcasti ng  ( P GNET 2008) ,  At:  L ive rpool ,   UK   2008.   [25]   A.  Abel  and  W .   Schwarz ,   “ Chaos  Com m unic at ions - Princi ple s,   Schemes  and  Sy s te m   Anal y sis ,”   Proc ee dings  o f     The  IEEE ,   vol .   9 0,   no .   5 ,   pp .   691   – 710,   2002 .   [26]   N.  Abdulla h,   et  al . ,   “ Design  of   eff icient   no ise  red uction  sche m e  for  sec ure   sp e ec h  m aske d  b y   cha ot ic   signa l ,”   Journal  of   Ame r ic an  S ci en ce ,  vo l .   11 ,   no .   7 ,   pp .   49 - 55,   2015 .       BIOGR AP H I ES   OF  A UTH ORS        Eh ab  Abdu lRa z z a q  Hus sein ,   PhD .   MS c.   Ele ct ri ca l   Engi n ee r ing  was  born  i n  Bab y lon  on   Janua r y   1 ,   1976.   He  obta ine d  h is  BS c  degr ee   (19 97)  in  El e ct ri cal   Engi neering  at   the   Facult y   of   Engi ne eri ng,   Univer sit y   of  B a b y lon  and  MS c   degr ee  (2000),  in  elec tri c al   e ngine er ing  at    the   Depa r tment  of  El e ct ri ca l  En gine er ing,   Unive rsi t y   of  Technol og y   and  h is  PhD .   Degre e  from   the   Depa r tment  of  El e ct ri ca l   En gine er ing  at   the  Facul t y   of  Eng ine er ing,   Univ er sit y   of  B asra h,   Curre ntly   h e  works   as  assistant   profe ss or  at  the   E le c trica l  Depa rtment  at   the   Facu lty   o f   Engi ne eri ng,   Un ive rsit y   of  Bab y l on.   His  m ai n  int ere st  is  signal   pr oce ss ing,   anal y s i s,  informati on  tra nsiti on ,   senso rs a nd  cont rol   s y stem a naly sis.         Murt adh a  Kha fie f  Khas han ,   El e ct ri ca l  Engi n ee r  was  born  in  Thi Qar,   1991.   He  obta ine d  his   BCs   degr ee   (2014)  in  El ec tr ical   Engi nee ring  a t   the   Facul t y   of  E ngine er ing,   Uni ver sit y   of  Kufa .   Curre ntly   he  is  stud y ing  for  a   m aste r' s  degr e e  in  Elec tr ic a l  Engi ne eri ng  a t  the   Facult y   o f   Engi ne eri ng,   Un ive rsit y   of  Bab ylon.   His  m ai n  in te rest  is  comm u nic a ti on  s y stems ,   digi tal  signal  proc essing,   m e a surem e nt  and   co ntrol   s y s te m   an a l y sis.         Amee r  K .   Ja wad   was  born  in  Hill ah ,   Ira q ,   in  1988.   He  re ceiv ed  his  BS c  degr ee   in  Elec tron ic  and  Com m unic at ion  Eng ine e ri ng  from   the   El e ct roni c  and   Comm unic at io n  Engi nee r ing  Depa rtment,  Al - Hos sain  Univer sit y   Coll ege,  Kar bal a ,   Ira q ,   in  2 012.   He  obt ai ne d  his  MS c  in  El e ct roni c  and   Com m unic at ion  Engi ne eri ng  from   the   El e ctrical  Engi n ee rin g  Depa rtment ,     Al - Mos ta nsiria   Univer sit y ,   Ira q ,   in  2015.   Since   2015,   he  h as  bee n  with  the   staff   of     the   Dep art m ent  of  Com pute r En gine er ing, Isla m i c  Univer si t y   Col le ge ,   Na ja f   – Ira q .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.