CN103957098A

CN103957098A - 一种产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路及实现方法

Info

Publication number: CN103957098A
Application number: CN201410147945.6A
Authority: CN
Inventors: 黄沄
Original assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Current assignee: Chongqing University of Post and Telecommunications
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-04-14
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-14
Also published as: CN103957098B

Abstract

本发明公开了一种产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路及实现方法，涉及保密通信中所需的混沌电路。该混沌电路由三阶自治电路（N1）、由符号函数组成的函数序列发生器（N2）、乘法器组（N3）和相位控制器（N4）四部分构成。乘法器组（N3）能使混沌电路产生蝴蝶形混沌吸引子，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）能控制混沌电路产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子。其方法是通过调节开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8断开和闭合，控制由符号函数组成的函数序列发生器（N2）输出不同的信号，使得混沌电路产生两翼、四翼、六翼、八翼和十翼蝴蝶形混沌吸引子。本发明可广泛用于保密通信。

Description

一种产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路及实现方法

技术领域

本发明涉及一种混沌电路，具体涉及保密通信中所需的一种产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路及实现方法。

背景技术

如何产生用于混沌保密通信中所需的各种混沌电路是非线性电路与系统科学研究的一个新领域，目前混沌电路研究已取得了一系列相关的成果。如公开号为CN1665179A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种多螺旋混沌产生器；又如公开号为CN1787528A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种多折叠环面混沌电路；又如公开号为CN1787429A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种三维多卷波混沌电路；又如公开号为CN101183929A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种产生多环绕线卷波的混沌电路及实现方法；又如公开号为CN1744487A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种四阶网格状多环面混沌电路及其使用方法；又如公开号为CN101447863A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种多涡卷混沌信号产生装置及产生方法；又如公开号为CN1747377A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种涡卷混沌信号发生器及其使用方法；又如公布号为CN101873210A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种网状形多涡卷混沌电路及产生多涡卷的方法。

上述混沌电路产生的混沌吸引子涉及到多螺旋形混沌吸引子、多折叠环面形混沌吸引子、多卷波形混沌吸引子、多环绕线卷波形混沌吸引子、网格状多环面形混沌吸引子、多涡卷混沌吸引子以及网状形多涡卷混沌吸引子，但没有涉及产生多蝴蝶形混沌吸引子。因此，用于混沌保密通讯还存在局限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的混沌电路不能产生多蝴蝶形混沌吸引子，设计了一种产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种多蝴蝶形吸引子的混沌电路，该电路包括：三阶自治电路（N1）、由符号函数组成的函数序列发生器（N2）、乘法器组（N3）和相位控制器（N4）四部分；三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1），三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2）连接乘法器组（N3）的第四输入端（a4）和相位控制器（N4）的第二输入端（d2），三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3）连接乘法器组（N3）的第二输入端（a2）和相位控制器（N4）的第三输入端（d3）；由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2）连接三阶自治电路（N1）的第四输入端（f4）、乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和相位控制器（N4）第一的输入端（d1）；乘法器组（N3）的第一输出端（b1）和第二输出端（b2）分别连接三阶自治电路（N1）的第三输入端（f3）和第六输入端（f6）；相位控制器（N4）的第一输出端（e1）连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1），相位控制器（N4）的第二输出端（e2）连接三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2），相位控制器（N4）的第三输出端（e3）连接三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）。

所述的三阶自治电路（N1）由三个加法器（OP1、OP3、OP6）和三个积分器（OP2、OP4、OP7）分别级联构成，其中，第一输入端（f1）连接相位控制器（N4）的第一输出端（e1），第二输入端（f2）连接相位控制器（N4）的第二输出端（e2），第三输入端（f3）连接乘法器组（N3）的第一输出端（b1），第四输入端（f4）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），第五输入端（f5）连接相位控制器（N4）的第三输出端（e3），第六输入端（f6）连接乘法器组（N3）的第二输出端（b2），第一输出端（v1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1），第二输出端（v2）连接乘法器组（N3）的第四输入端（a4）和相位控制器（N4）的第二输入端（d2），第三输出端（v3）连接乘法器组（N3）的第二输入端（a2）和相位控制器（N4）的第三输入端（d3）。

所述的由符号函数组成的函数序列发生器（N2）由六个运算放大器（OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12）、转换开关组（k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8）和两个加法器（OP13、OP14）构成，其中，输入端（c1）连接三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1），输出端（c2）连接三阶自治电路（N1）的第四输入端（f4）、乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和相位控制器（N4）的第一输入端（d1）。

所述的乘法器组（N3）由两个乘法器（MUL1、MUL2）构成，其中，第一输入端（a1）连接相位控制器（N4）的第一输出端（e1），第二输入端（a2）连接三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3），第三输入端（a3）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），第四输入端（a4）连接三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2），第一输出端（b1）和第二输出端（b2）分别连接三阶自治电路（N1）的第三输入端（f3）和第六输入端（f6）。

所述的相位控制器（N4）由三个反相器（OP15、OP16、OP17）构成，其中，第一输入端（d1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），第二输入端（d2）连接三阶自治电路（N1）第二的输出端（v2），第三输入端（d3）连接三阶自治电路（N1）第三的输出端（v3），第一输出端（e1）连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1），第二输出端（e2）连接三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2），第三输出端（e3）连接三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）。

本发明还提出一种产生多蝴蝶形混沌吸引子的实现方法，三阶自治电路（N1）通过第一输出端（v1）和第二输出端（v2）产生多蝴蝶形混沌吸引子，其中，乘法器组（N3）能使混沌电路产生蝴蝶形混沌吸引子，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）能控制三阶自治电路（N1）产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子。

由符号函数组成的函数序列发生器（N2）中的六个运算放大器产生六个符号函数序列，转换开关组控制六个运算放大器和两个加法器相连接，产生由不同符号函数组成的函数序列，由不同符号函数组成的函数序列控制三阶自治电路（N1）产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子：

（1）当开关k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8断开时，产生两翼蝴蝶形混沌吸引子；

（2）当开关k4、k2闭合，k1、k3、k5、k6、k7、k8断开（或开关k5、k7闭合，k1、k2、k3、k4、k6、k8断开）时，产生四翼蝴蝶形混沌吸引子；

（3）当开关k1、k3、k4闭合，k2、k5、k6、k7、k8断开（或开关k4、k5闭合，k1、k2、k3、k6、k7、k8断开或开关k5、k6、k8闭合，k1、k2、k3、k4、k7断开）时，产生六翼蝴蝶形混沌吸引子；

（4）当开关k1、k3、k4、k5闭合，k2、k7、k6、k8断开（或开关k4、k5、k6、k8闭合，k1、k2、k3、k7断开）时，产生八翼蝴蝶形混沌吸引子；

（5）当开关k1、k3、k4、k5、k6、k8闭合，k2、k7断开时，产生十翼蝴蝶形混沌吸引子。

本发明与现有技术相比，其乘法器组（N3）能使混沌电路产生蝴蝶形混沌吸引子，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）能控制电路输出不同数量的蝴蝶形混沌吸引子，因此本发明可以提供更复杂且具有高度随机性的混沌信号，应用于保密通信，能提高保密通信的安全性。

附图说明

图1为产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路原理框图；

图2为产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路原理图；

图3为两翼蝴蝶形混沌吸引子的电路仿真实验结果图；

图4为四翼蝴蝶形混沌吸引子的电路仿真实验结果图；

图5为六翼蝴蝶形混沌吸引子的电路仿真实验结果图；

图6为八翼蝴蝶形混沌吸引子的电路仿真实验结果图；

图7为十翼蝴蝶形混沌吸引子的电路仿真实验结果图。

具体实施方式

以下针对附图和具体实例对本发明的实施进行具体说明。

图1所示为本发明电路原理框图。该电路包括：三阶自治电路（N1）、由符号函数组成的函数序列发生器（N2）、乘法器组（N3）和相位控制器（N4）四部分。三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1），三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2）连接乘法器组（N3）的第四输入端（a4）和相位控制器（N4）的第二输入端（d2），三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3）连接乘法器组（N3）的第二输入端（a2）和相位控制器（N4）的第三输入端（d3）；由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2）连接三阶自治电路（N1）的第四输入端（f4）、乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和相位控制器（N4）第一的输入端（d1）；乘法器组（N3）的第一输出端（b1）和第二输出端（b2）分别连接三阶自治电路（N1）的第三输入端（f3）和第六输入端（f6）；相位控制器（N4）的第一输出端（e1）连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1），相位控制器（N4）的第二输出端（e2）连接三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2），相位控制器（N4）的第三输出端（e3）连接三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）。

图2所示为本发明的电路原理图。电路原理图中的运算放大器均可采用LM741，乘法器可采用AD633JN，其电源电压为±15伏特，运算放大器输出饱和电压值|V_sat|=13.5伏特，乘法器的增益为0.1。电路原理图中电阻R1=R2=R3=R4=R8=R9=R12=R13=R38=R39=R40=R41=R42=R43=10kΩ，R15=R18=R22=R24=R25=R26=R29=R32=R35=R37=1kΩ，R19=R20=R23=R27=R30=R33=13.5kΩ，R6=R11=800Ω，R14=R34=2kΩ，R17=R31=4kΩ，R21=R28=14kΩ，R16=R36=6.75kΩ，R5=100kΩ，R7=3.57kΩ，R10=37.5kΩ，电容C1=C2=C3=10nF。

图2中的三阶自治电路（N1）由三个加法器（OP1、OP3、OP6）和三个积分（OP2、OP4、OP7）分别级联构成。其中，三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1）和积分器OP4的输出端分别通过电阻R1和R2连接加法器OP1的反相输入端，加法器OP1的输出端通过电阻R4连接积分器OP2的反相输入端，积分器OP2的输出端连接三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1），三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1）；三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2）、第三输入端（f3）和第四输入端（f4）分别通过电阻R5、R6和R7连接加法器OP3的反相输入端，加法器OP3的输出端通过电阻R9连接积分器OP4的反相输入端，积分器OP4的输出端连接三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2），三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2）连接乘法器组（N3）的第四输入端（a4）和相位控制器（N4）的第二输入端（d2）；三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）和第六输入端（f6）分别通过电阻R10和R11连接加法器OP5的反相输入端，加法器OP5的输出端通过电阻R13连接积分器OP6的反相输入端，积分器OP6的输出端连接三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3），三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3）连接乘法器组（N3）的第二输入端（a2）和相位控制器（N4）的第三输入端（d3）。

图2中的由符号函数组成的函数序列发生器（N2）由六个运算放大器（OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12）、转换开关组（k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8）和两个加法器（OP13、OP14）构成。其中，运算放大器OP7、OP8、OP9、OP10、OP11和OP12的反相输入端连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1）；正15伏特电压通过分压电阻R14和R15连接运算放大器OP7的正相输入端，运算放大器OP7的输出端通过开关k1和电阻R16连接加法器OP14的反相输入端；正15伏特电压通过分压电阻R17和R18连接运算放大器OP8的正相输入端，运算放大器OP8的输出端通过开关k2和电阻R20连接加法器OP14的反相输入端，同时还通过开关k3和电阻R19连接加法器OP13的反相输入端；正15伏特电压通过分压电阻R21和R22接入运算放大器OP9的正相输入端，运算放大器OP9的输出端通过开关k4和电阻R23连接加法器OP13的反相输入端；负15伏特电压通过分压电阻R28和R29连接运算放大器OP10的正相输入端，运算放大器OP10的输出端通过开关k5和电阻R27连接加法器OP13的反相输入端；负15伏特电压通过分压电阻R31和R32连接运算放大器OP11的正相输入端，运算放大器OP11的输出端通过开关k7和电阻R33连接加法器OP14的反相输入端，同时还通过开关k6和电阻R30连接加法器OP13的反相输入端；负15伏特电压通过分压电阻R34和R35连接运算放大器OP12的正相输入端，运算放大器OP12的输出端通过开关k8和电阻R36连接加法器OP14的反相输入端；加法器OP13的反相输入端通过电阻R24连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1），通过电阻R23和开关k4连接运算放大器OP9的输出端，通过电阻R19和开关k3连接运算放大器OP8的输出端，通过电阻R27和开关k5连接运算放大器OP10的输出端，通过电阻R30和开关k6连接运算放大器OP11的输出端，加法器OP13的输出端通过电阻R26连接加法器OP14的反相输入端，同时加法器OP14的反相输入端通过电阻R20和开关k2连接运算放大器OP8的输出端，通过电阻R16和开关k1连接运算放大器OP7的输出端、通过电阻R33和开关k7连接运算放大器OP11的输出端，通过电阻R36和开关k8连接运算放大器OP12的输出端分别，加法器OP14的输出端连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2）连接三阶自治电路（N1）的第四输入端（f4）、乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和相位控制器（N4）的第一输入端（d1）。

图2中的乘法器组（N3）由两个乘法器（MUL1、MUL2）构成。其中，乘法器MUL1的第一输入端和第二输入端分别连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和第二输入端（a2），乘法器MUL1的输出端连接乘法器组（N3）的第一输出端（b1），乘法器组（N3）的第一输出端（b1）连接三阶自治电路（N1）的第三输入端（f3）；乘法器MUL2的第一输入端和第二输入端分别连接乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和第四输入端（a4），乘法器MUL2的输出端连接乘法器组（N3）的第二输出端（b2），乘法器组（N3）的第二输出端（b2）连接三阶自治电路（N1）的第六输入端（f6）。

图2中的相位控制器（N4）由三个反相器（OP15、OP16、OP17）构成。其中，反相器OP15的反相输入端通过电阻R39连接相位控制器（N4）的第一输入端（d1），反相器OP15的输出端连接相位控制器（N4）的第一输出端（e1），相位控制器（N4）的第一输出端（e1）连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1）；反相器OP16的反相输入端通过电阻R41连接相位控制器（N4）的第二输入端（d2），反相器OP16的输出端连接相位控制器（N4）的第二输出端（e2），相位控制器（N4）的第二输出端（e2）连接三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2）；反相器OP17的反相输入端通过电阻R43连接相位控制器（N4）的第三输入端（d3），反相器OP17的输出端连接相位控制器（N4）的第三输出端（e3），相位控制器（N4）的第三输出端（e3）连接三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）。

图2中，乘法器组（N3）能使混沌电路产生蝴蝶形混沌吸引子，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）能控制混沌电路产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子，三阶自治电路（N1）第一输出端（v1）、第二输出端（v2）和第三输出端（v3）输出混沌信号，其中在第一输出端（v1）和第二输出端（v2）的相平面能产生多蝴蝶形混沌吸引子。

由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的六个运算放大器（OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12）产生六个符号函数序列，转换开关组（k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8）控制六个运算放大器和两个加法器（OP13、OP14）相连接，产生由不同符号函数组成的函数序列，由不同符号函数组成的函数序列控制混沌电路产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子：

本发明的混沌电路产生的两翼、四翼、六翼、八翼和十翼蝴蝶形混沌吸引子的电路仿真图形分别为图3、图4、图5、图6、图7。从图3—图7可以看出，本发明电路所产生的混沌吸引子的形状类似蝴蝶，且产生的蝴蝶混沌吸引子的数量可控，说明本发明电路满足需求。

Claims

1.一种产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路，其特征在于，该电路包括：三阶自治电路（N1）、由符号函数组成的函数序列发生器（N2）、乘法器组（N3）和相位控制器（N4）四部分；三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1），三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2）连接乘法器组（N3）的第四输入端（a4）和相位控制器（N4）的第二输入端（d2），三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3）连接乘法器组（N3）的第二输入端（a2）和相位控制器（N4）的第三输入端（d3）；由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2）连接三阶自治电路（N1）的第四输入端（f4）、乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和相位控制器（N4）第一的输入端（d1）；乘法器组（N3）的第一输出端（b1）和第二输出端（b2）分别连接三阶自治电路（N1）的第三输入端（f3）和第六输入端（f6）；相位控制器（N4）的第一输出端（e1）连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1），相位控制器（N4）的第二输出端（e2）连接三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2），相位控制器（N4）的第三输出端（e3）连接三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）。

2.根据权利要求1所述的产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路，其特征在于，三阶自治电路（N1）由三个加法器（OP1、OP3、OP6）和三个积分器（OP2、OP4、OP7）分别级联构成，其中，第一输入端（f1）连接相位控制器（N4）的第一输出端（e1），第二输入端（f2）连接相位控制器（N4）的第二输出端（e2），第三输入端（f3）连接乘法器组（N3）的第一输出端（b1），第四输入端（f4）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），第五输入端（f5）连接相位控制器（N4）的第三输出端（e3），第六输入端（f6）连接乘法器组（N3）的第二输出端（b2），第一输出端（v1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输入端（c1），第二输出端（v2）连接乘法器组（N3）的第四输入端（a4）和相位控制器（N4）的第二输入端（d2），第三输出端（v3）连接乘法器组（N3）的第二输入端（a2）和相位控制器（N4）的第三输入端（d3）。

3.根据权利要求1所述的产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路，其特征在于，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）由六个运算放大器（OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12）、转换开关组（k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7、k8）和两个加法器（OP13、OP14）构成，其中，输入端（c1）连接三阶自治电路（N1）的第一输出端（v1），输出端（c2）连接三阶自治电路（N1）的第四输入端（f4）、乘法器组（N3）的第三输入端（a3）和相位控制器（N4）的第一输入端（d1）。

4.根据权利要求1所述的产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路，其特征在于，乘法器组（N3）由两个乘法器（MUL1、MUL2）构成，其中，第一输入端（a1）连接相位控制器（N4）的第一输出端（e1），第二输入端（a2）连接三阶自治电路（N1）的第三输出端（v3），第三输入端（a3）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），第四输入端（a4）连接三阶自治电路（N1）的第二输出端（v2），第一输出端（b1）和第二输出端（b2）分别连接三阶自治电路（N1）的第三输入端（f3）和第六输入端（f6）。

5.根据权利要求1所述的产生多蝴蝶形吸引子的混沌电路，其特征在于，相位控制器（N4）由三个反相器（OP15、OP16、OP17）构成，其中，第一输入端（d1）连接由符号函数组成的函数序列发生器（N2）的输出端（c2），第二输入端（d2）连接三阶自治电路（N1）第二的输出端（v2），第三输入端（d3）连接三阶自治电路（N1）第三的输出端（v3），第一输出端（e1）连接乘法器组（N3）的第一输入端（a1）和三阶自治电路（N1）的第一输入端（f1），第二输出端（e2）连接三阶自治电路（N1）的第二输入端（f2），第三输出端（e3）连接三阶自治电路（N1）的第五输入端（f5）。

6.一种产生多蝴蝶形混沌吸引子的实现方法，采用权利要求1所述混沌电路，其特征在于，三阶自治电路（N1）通过第一输出端（v1）和第二输出端（v2）产生多蝴蝶形混沌吸引子，其中乘法器组（N3）能使混沌电路产生蝴蝶形混沌吸引子，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）能控制三阶自治电路（N1）产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子。

7.根据权利要求6所述的一种产生多蝴蝶形混沌吸引子的实现方法，其特征在于，由符号函数组成的函数序列发生器（N2）中的六个运算放大器产生六个符号函数序列，转换开关组控制六个运算放大器和两个加法器相连接，产生由不同符号函数组成的函数序列，由不同符号函数组成的函数序列控制三阶自治电路（N1）产生不同数量的蝴蝶形混沌吸引子。

8.根据权利要求6所述的一种产生多蝴蝶形吸引子的实现方法，其特征在于，

（2）当开关k2、k4闭合，k1、k3、k5、k6、k7、k8断开（或开关k5、k7闭合，k1、k2、k3、k4、k6、k8断开）时，产生四翼蝴蝶形混沌吸引子；