CN106100820A - 幅频可调混沌信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种幅频可调混沌信号发生器，以三个支路的积分求和电路为框架，通过四个乘法器内部反馈电路和一个绝对值运算单元以及一个直流输入控制项，输出较为复杂的混沌吸引子，得到三路混沌信号。通过直流输入的控制或者绝对值反馈量的控制，实现对系统输出混沌信号的幅度与频率的联合调控；本发明通过三路积分求和运算电路、四个乘法器电路、一个绝对值运算单元和直流电源输出两组幅度和频率可调的混沌信号。通过电位器或者可变电阻或者供电直流电压源调节电路输出的两组混沌信号的信号强度和频率，两组信号的幅度频率皆可联合调控，省却了幅度、频率变换所需要的硬件开销。本发明增加了电路元件的使用效率，降低了电路实现和调试的难度。

Description

幅频可调混沌信号发生器

技术领域

本发明属于技术领域，特别涉及一种幅频可调混沌信号发生器。

背景技术

非线性混沌电路因为能够输出一种宽带类随机信号，因而在仪器仪表、通信、雷达等工程技术领域得到了关注。工程中应用的信号通常要经过信号幅值的放大或者衰减等预处理或者信号调理环节，或者是频率要满足一定的要求，如此方能进入到应用层面。信号预处理或者调理电路需要具备一定的信号带宽才能应对混沌信号的宽频要求，然而多余的电路元件或附加系统除了性能匹配的难度以外，还往往引发信号失真与变形。

专利[授权号ZL200910183379.3]提出一种可切换三阶恒Lyapunov指数谱混沌电路，该电路通过绝对值项实现非线性作用，通过一常数控制项(对应于直流电源电压)实现混沌信号的幅度调节，这一调节不改变系统的Lyapunov指数谱。专利[授权号ZL201210395656.9]发明的四翼混沌信号源电路，利用交叉乘积项实现非线性，输出复杂的四翼混沌吸引子，且通过对交叉乘积项的反馈强度的调节来实现其他两维混沌信号的幅度调控，以上等等都是针对混沌信号的幅度调控，因此一定程度上缓解了混沌信号应用的幅度需求与实际电路产生信号强度不足之间的矛盾，但是混沌信号的频率调控问题依然是一个悬而未决的问题。一个根本的原因是往往模拟混沌电路输出信号的频率取决于三维或者多维系统的电容调节，而电容的调节很难做到同步调整，电容调控的失配会导致系统丢失混沌。此外，幅度和频率的同步调整能够有效增加输入信号的激励效应，增强信号的抗干扰能力，从而能够广泛应用于信号检测和目标识别等。然而，关于混沌信号的幅度、频率联合调控，目前尚未有解决方案。本发明所提出的幅度频率可调混沌信号发生器采用多个乘积运算单元，得到了频率和幅度可控的混沌奇异吸引子，改变直流电源供电电压的大小或者改变所在支路的电阻能实现系统输出混沌信号的幅度、频率联合控制。本发明降低了幅度频率双联控混沌信号源的电路设计难度，克服了其它混沌电路对设备要求高、设备不稳定、整机庞大等缺点；信号源的幅度和频率调控不会产生新的状态，大大降低了电路调试的难度。

目前许多混沌电路的设计都是输出一定幅度和频率范围的混沌信号，其幅度调控或者借助于多个电阻的联调，同时改变系统内部的多个反馈项系数来实现或者通过直流电源电压的大小改变系统输出多维混沌信号的幅度。然而，混沌信号的频率范围却往往通过电容的联合调控来实现，幅度调控和频率是分开的，难以满足特殊的工程需要，比如在不关注幅度的情况下或者不关注频率的情况下，甚至需要幅度和频率同时需要调控时，能否找到一个统一的控制入口，控制信号的幅度、频率或者联控。本发明提出一个幅度、频率可以联合控制的混沌信号发生器，该电路仅仅包含四个乘法器和五个运放，结合若干个电阻，就可以通过调控直流电源供电电压或者相应支路的电阻值大小实现统一的幅度和频率联合控制。

发明内容

发明目的：本发明提供一种幅频可调混沌信号发生器，以解决现有技术中的问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种幅频可调混沌信号发生器，包括三条以积分电容C1、C2和C3为标志的支路，第一条支路有两个输入端，第一条支路的一个输入端通过可变电阻或电位器R1接单刀双掷开关的不动端，单刀双掷开关的动端接直流电源Vcc的负极或者接第二条支路的一个延伸负绝对值信号输出端，第一条支路的另一个输出端通过电阻R2接乘积单元M1的输出端，乘积单元M1的两个输入端的信号分别接第二条支路的主信号输出端和第三条支路的输出信号端；第二条支路有一个输入端，通过电阻R3接乘积单元M2的输出端，乘积单元M2的两个输入端的信号分别接第一条支路的输出信号和第三条支路的输出信号；第三条支路包括两个输入端，第三条支路的一个输入端通过电阻R8接乘积单元M3的输出端，乘积单元M3的两个输入端的信号分别接第二条支路的主输出信号端和第二条支路的主输出信号的反相信号，第三条支路的另一个输入端通过电阻R9接乘积单元M4的输出端，乘积单元M4的两个输入端的信号分别为第二条支路主信号输出端和第三条支路的输出信号。

所述第一条支路包括乘积单元M1、单刀双掷开关K1、求和积分运算单元U1、电阻R2、可变电阻或电位器R1、直流电源Vcc以及电容C1，其中：乘积单元M1的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U1的反相输入端，单刀双掷开关K1的动端接直流电源Vcc的负极或第二条支路延伸负绝对值信号输出端，单刀双掷开关K1的不动端经可变电阻或电位器R1接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的反相输入端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端接第一条支路的输出端。

所述第二条支路包括乘积单元M2、求和积分运算单元U2、负绝对值运算单元U4、反相放大单元U5、电阻R3、R4、R5、R6、R7以及电容C2，其中：乘积单元M2的输出信号经过电阻R3接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R4接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R5的一端相连，并且电阻R5的另一端和反相放大单元U5的输出端构成第二条支路的主信号输出端，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端还经电阻R6接负绝对值实现单元U4的反相输入端，负绝对值实现单元U4的输出端接二极管D1的负极，二极管D1的正极接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端，负绝对值实现单元U4的反相输入端与电阻R7的一端相连，并且电阻R7的另一端和负绝对值实现单元U4的输出端接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端。

所述第三条支路包括乘积单元M3和M4、求和积分运算单元U3、电阻R8和R9以及电容C3，其中：乘积单元M3的输出端经过电阻R8接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R9接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端和求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。

当单刀双掷开关K1选择的直流电源Vcc时，实现一组混沌信号，其幅度和频率控制可通过直流电源Vcc供电电压的大小或者与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。

当单刀双掷开关K1选择第二条支路延伸负绝对值信号时，实现另一组混沌信号，其幅度和频率也可以通过与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。

所述直流电源Vcc的正极接地，求和积分运算单元U1、U2和U3的同相输入端均接地，反相放大单元U5的同相输入端接地，负绝对值实现单元U4的同相输入端接地。

有益效果：本发明通过三路积分求和运算电路，采用四个乘法器电路、一个绝对值运算单元和直流电源输出两组幅度和频率可调的混沌信号。通过电位器或者可变电阻或者供电直流电压源调节电路输出的两组混沌信号的信号强度和频率，两组信号的幅度频率皆可联合调控，省却了幅度、频率变换所需要的硬件开销。本发明增加了电路元件的使用效率，降低了电路实现和调试的难度，为混沌信号应用于电子与信息工程提供了便利。

附图说明

图1是包含常数项b²的幅频可调混沌系统输出混沌信号波形图，其中：图(a)是x(t)波形图，(b)是y(t)波形图；

图2是包含绝对值项b|y|的幅频可调混沌系统输出混沌信号波形图，其中：图(a)是x(t)波形图，(b)是y(t)波形图；

图3是幅频可调混沌信号发生器的电路原理图；

图4是幅频可调混沌信号发生器输出实验仿真示波器相轨图(C₁＝C₂＝C₃＝1nF,R₁依据电路设置为200kΩ，40kΩ(对应于常数项的情形b＝0.5，2.5)，R₂＝R₃＝R₈＝10kΩ，R₉＝5kΩ，R₄＝R₅＝20kΩ，R₆＝R₇＝470Ω，V_cc＝1V)：图(a)R₁＝200kΩ时的x－y平面图，图(b)R₁＝40kΩ时的x－y平面图；

图5是幅频可调混沌信号发生器输出实验仿真示波器相轨图(C₁＝C₂＝C₃＝1nF,R₁依据电路设置为100kΩ,50kΩ(对应于绝对值的情形b＝1，2)，R₂＝R₃＝R₈＝10kΩ，R₉＝5kΩ，R₄＝R₅＝20kΩ，R₆＝R₇＝470Ω，V_cc＝1V)：图(a)R₁＝100kΩ时的y－z平面图，图(b)R₁＝50kΩ时的y－z平面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。

本发明幅频可调混沌信号发生器以三个支路的积分求和电路为框架，通过四个乘法器内部反馈电路和一个绝对值运算单元以及一个直流输入控制项，输出较为复杂的混沌吸引子，得到三路混沌信号。通过直流输入的控制或者绝对值反馈量的控制，实现对系统输出混沌信号的幅度与频率的联合调控。

一种幅频可调混沌信号发生器，包括三条以积分电容C1、C2和C3为标志的支路，第一条支路有两个输入端，第一条支路的一个输入端通过可变电阻或电位器R1接单刀双掷开关的不动端，单刀双掷开关的动端接直流电源Vcc的负极或者接第二条支路的一个延伸负绝对值信号输出端，第一条支路的另一个输出端通过电阻R2接乘积单元M1的输出端，乘积单元M1的两个输入端的信号分别接第二条支路的主信号输出端和第三条支路的输出信号端；第二条支路有一个输入端，通过电阻R3接乘积单元M2的输出端，乘积单元M2的两个输入端的信号分别接第一条支路的输出信号和第三条支路的输出信号；第三条支路包括两个输入端，第三条支路的一个输入端通过电阻R8接乘积单元M3的输出端，乘积单元M3的两个输入端的信号分别接第二条支路的主输出信号端和第二条支路的主输出信号的反相信号，第三条支路的另一个输入端通过电阻R9接乘积单元M4的输出端，乘积单元M4的两个输入端的信号分别为第二条支路主信号输出端和第三条支路的输出信号。

所述第一条支路包括乘积单元M1、单刀双掷开关K1、求和积分运算单元U1、电阻R2、可变电阻或电位器R1、直流电源Vcc以及电容C1，其中：乘积单元M1的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U1的反相输入端，单刀双掷开关K1的动端接直流电源Vcc的负极或第二条支路延伸负绝对值信号输出端，单刀双掷开关K1的不动端经可变电阻或电位器R1接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的反相输入端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端接第一条支路的输出端。

所述第二条支路包括乘积单元M2、求和积分运算单元U2、负绝对值运算单元U4、反相放大单元U5、电阻R3、R4、R5、R6、R7以及电容C2，其中：乘积单元M2的输出信号经过电阻R3接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R4接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R5的一端相连，并且电阻R5的另一端和反相放大单元U5的输出端构成第二条支路的主信号输出端，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端还经电阻R6接负绝对值实现单元U4的反相输入端，负绝对值实现单元U4的输出端接二极管D1的负极，二极管D1的正极接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端，负绝对值实现单元U4的反相输入端与电阻R7的一端相连，并且电阻R7的另一端和负绝对值实现单元U4的输出端接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端。

所述第三条支路包括乘积单元M3和M4、求和积分运算单元U3、电阻R8和R9以及电容C3，其中：乘积单元M3的输出端经过电阻R8接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R9接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端和求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。

一种幅频可调混沌信号发生器共输出两组混沌信号，当单刀双掷开关K1选择的直流电源Vcc时，实现一组混沌信号，其幅度和频率控制可通过直流电源Vcc供电电压的大小或者与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。

当单刀双掷开关K1选择第二条支路延伸负绝对值信号时，实现另一组混沌信号，其幅度和频率也可以通过与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。

所述直流电源Vcc的正极接地，求和积分运算单元U1、U2和U3的同相输入端均接地，反相放大单元U5的同相输入端接地，负绝对值实现单元U4的同相输入端接地。

幅频可调混沌信号发生器的动力学方程与电路结构，本发明的电路可以用如下的动力学系统方程来描述，

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=F+yz,\\ \stackrel{\·}{y}=-xz,\\ \stackrel{\·}{z}=y^2+ayz.\end{array}\right.---\left(1\right)$

这里F可以为常数项b²，也可以为b|y|。该方程从形式上来看，包含四个二次非线性反馈，一个绝对值项或者一个常数项。当a＝2，F＝b²＝1(对应于粗实线)或者4(即b＝2，对应于细虚线)时，系统输出的两个频率与幅度不同的混沌信号波形，如图1所示，此时系统所对应的李雅谱诺夫指数分别为(0.2469,0，-3.8116)和(0.1179,0，-1.6843)；当a＝2，F＝b|y|＝|y|(对应于粗实线)或者2|y|(对应于细虚线)时，系统输出的两个频率与幅度不同的混沌信号波形，如图2所示，此时系统所对应的李雅谱诺夫指数分别为(0.2416,0，-4.2045)和(0.1246,0，-2.0317)。可见，由于混沌信号的频率变化，相应的李雅谱诺夫指数也有了相应的变化。

本发明可由三条支路构成的封闭反馈系统来实现，当采用三路积分求和运算回路来实现时，电路图如图3所示，上述数学方程转化为更加具体的电路方程便是，

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=\frac{F}{R_1{C}_1}+\frac{1}{R_2{C}_1}yz,\\ \stackrel{\·}{y}=-\frac{1}{R_3{C}_2}xz,\\ \stackrel{\·}{z}=\frac{1}{R_8{C}_3}{y}^2+\frac{1}{R_9{C}_3}yz.\end{array}\right.---\left(2\right)$

电路方程与系统动力学方程相一致。这里，系统中各个反馈项的系数通过电阻和电容的联合设置来实现，而常数项F＝b所对应的信号幅频联控可以通过变阻器R1或者供电电压Vcc的调整来实现，而绝对值项F＝b|y|所对应的信号幅频联控可以通过变阻器R1的调整来实现，电路产生的混沌相轨在示波器上的显示电路仿真图形如图4和图5所示。

第一条支路包括乘积单元M1、单刀双掷开关K1、求和积分运算单元U1、电阻R2、可变电阻或电位器R1、直流电源Vcc以及电容C1，其中，乘积单元M1的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U1的反相输入端，单刀双掷开关K1的动端接直流电源Vcc的负极或者第二条支路延伸负绝对值信号输出端，直流电源Vcc的正极接地，单刀双掷开关K1的不动端经可变电阻或电位器R1接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的同相输入端接地，求和积分运算单元U1的反相输入端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端接第一条支路的输出端。

第二条支路包括乘积单元M2、求和积分运算单元U2、负绝对值运算单元U4、反相放大单元U5、电阻R3、R4、R5、R6、R7以及电容C2，其中，乘积单元M2的输出信号经过电阻R3接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的同相输入端接地，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R4接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的同相输入端接地，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R5的一端相连，并且电阻R5的另一端和反相放大单元U5的输出端构成第二条支路的主信号输出端，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R6接负绝对值实现单元U4的反相输入端，负绝对值实现单元U4的同相输入端接地，负绝对值实现单元U4的输出端接二极管D1的负极，二极管D1的正极接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端，负绝对值实现单元U4的反相输入端与电阻R7的一端相连，并且电阻R7的另一端和负绝对值实现单元U4的输出端接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端。

第三条支路包括乘积单元M3、M4、求和积分运算单元U3、电阻R8、R9以及电容C3，其中，乘积单元M3的输出端经过电阻R8接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R9接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的同相输入端接地，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端和求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。

幅度频率控制方法，所述的幅频可调混沌信号发生器，输出两组混沌信号，当单刀双掷开关K1选择的直流电源时实现一组混沌信号，其幅度和频率控制可通过所述直流电源供电电压Vcc的大小或者与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现，当单刀双掷开关K1选择第二条支路延伸负绝对值信号时实现另一组混沌信号，其幅度和频率也可以通过与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。由方程(1)可知，如果F＝1，当Vcc或者可变电阻或电位器R1变化时，输出的三维混沌信号的幅度与频率也随之一起变化，这可由x→bx,y→by,z→bz,t→t/b，系统表达式(1)的不变性得到证明；如果F＝|y|，当可变电阻或电位器R1变化时，输出的三维混沌信号的幅度与频率也随之一起变化，这可由x→bx,y→by,z→bz,t→t/b，系统表达式(1)的不变性得到证明，同时也可见同样的系数b的变化，却引起了幅度和频率的不同尺度的变化。

本发明属于电子、通讯、与信息工程类技术，涉及一种幅度与频率都可调的混沌信号发生器的设计，通过四个以乘法器为核心的非线性反馈支路和一个外部直流输入或者一个可选的内部非线性绝对值反馈，产生混沌信号；信号的幅度和频率可通过外部直流输入电压的大小来调控，也可以通过对应支路的连接电阻来调节。本发明得到的混沌信号发生器，结构简单，性能可靠，可广泛应用于信号检测、仪器仪表、雷达与通信等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：包括三条以积分电容C1、C2和C3为标志的支路，第一条支路有两个输入端，第一条支路的一个输入端通过可变电阻或电位器R1接单刀双掷开关的不动端，单刀双掷开关的动端接直流电源Vcc的负极或者接第二条支路的一个延伸负绝对值信号输出端，第一条支路的另一个输出端通过电阻R2接乘积单元M1的输出端，乘积单元M1的两个输入端的信号分别接第二条支路的主信号输出端和第三条支路的输出信号端；第二条支路有一个输入端，通过电阻R3接乘积单元M2的输出端，乘积单元M2的两个输入端的信号分别接第一条支路的输出信号和第三条支路的输出信号；第三条支路包括两个输入端，第三条支路的一个输入端通过电阻R8接乘积单元M3的输出端，乘积单元M3的两个输入端的信号分别接第二条支路的主输出信号端和第二条支路的主输出信号的反相信号，第三条支路的另一个输入端通过电阻R9接乘积单元M4的输出端，乘积单元M4的两个输入端的信号分别为第二条支路主信号输出端和第三条支路的输出信号。

2.根据权利要求1所述的幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：所述第一条支路包括乘积单元M1、单刀双掷开关K1、求和积分运算单元U1、电阻R2、可变电阻或电位器R1、直流电源Vcc以及电容C1，其中：乘积单元M1的输出端经过电阻R2接求和积分运算单元U1的反相输入端，单刀双掷开关K1的动端接直流电源Vcc的负极或第二条支路延伸负绝对值信号输出端，单刀双掷开关K1的不动端经可变电阻或电位器R1接求和积分运算单元U1的反相输入端，求和积分运算单元U1的反相输入端与电容C1的一端相连，电容C1的另一端和求和积分运算单元U1的输出端接第一条支路的输出端。

3.根据权利要求2所述的幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：所述第二条支路包括乘积单元M2、求和积分运算单元U2、负绝对值运算单元U4、反相放大单元U5、电阻R3、R4、R5、R6、R7以及电容C2，其中：乘积单元M2的输出信号经过电阻R3接求和积分运算单元U2的反相输入端，求和积分运算单元U2的反相输入端与电容C2的一端相连，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端经电阻R4接反相放大单元U5的反相输入端，反相放大单元U5的反相输入端与电阻R5的一端相连，并且电阻R5的另一端和反相放大单元U5的输出端构成第二条支路的主信号输出端，电容C2的另一端和求和积分运算单元U2的输出端还经电阻R6接负绝对值实现单元U4的反相输入端，负绝对值实现单元U4的输出端接二极管D1的负极，二极管D1的正极接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端，负绝对值实现单元U4的反相输入端与电阻R7的一端相连，并且电阻R7的另一端和负绝对值实现单元U4的输出端接第二条支路的延伸负绝对值信号输出端。

4.根据权利要求3所述的幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：所述第三条支路包括乘积单元M3和M4、求和积分运算单元U3、电阻R8和R9以及电容C3，其中：乘积单元M3的输出端经过电阻R8接求和积分运算单元U3的反相输入端，乘积单元M4的输出端经过电阻R9接求和积分运算单元U3的反相输入端，求和积分运算单元U3的反相输入端与电容C3的一端相连，电容C3的另一端和求和积分运算单元U3的输出端接第三条支路的输出端。

5.根据权利要求2所述的幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：当单刀双掷开关K1选择的直流电源Vcc时，实现一组混沌信号，其幅度和频率控制可通过直流电源Vcc供电电压的大小或者与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。

6.根据权利要求2所述的幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：当单刀双掷开关K1选择第二条支路延伸负绝对值信号时，实现另一组混沌信号，其幅度和频率也可以通过与之相连的可变电阻或电位器R1的调节来实现。

7.根据权利要求4所述的幅频可调混沌信号发生器，其特征在于：所述直流电源Vcc的正极接地，求和积分运算单元U1、U2和U3的同相输入端均接地，反相放大单元U5的同相输入端接地，负绝对值实现单元U4的同相输入端接地。