CN110198212B

CN110198212B - 一种可调幅可切换平衡点混沌信号源的产生装置

Info

Publication number: CN110198212B
Application number: CN201910177095.7A
Authority: CN
Inventors: 张国山; 王宁; 任玲; 张丽萍; 郑玉卿
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2021-07-27
Anticipated expiration: 2039-03-08
Also published as: CN110198212A

Abstract

本发明涉及一种可调幅可切换平衡点混沌信号源，包括三个积分求和支路、一个用于实现二次型非线性项的模拟乘法器和两个用于输入信号切换的单刀双掷开关；第一条支路包括两个输入端，第一个输入端接第一条积分求和支路的输出端，第二个输入端接单刀双掷开关选通的第二条积分求和支路的输出端或反相输出端；第二条支路包括三个输入端，第一个输入端接第二条积分求和支路的输出端，第二个输入端接第三条积分求和支路的反相输出端，第三个输入端接单刀双掷开关选通的第二条积分求和支路的输出端或反相输出端；第三条支路包括两个输入端，第一个输入端接第二条积分求和支路的输出端，第二个输入端接第三条积分求和支路的反相输出端。

Description

一种可调幅可切换平衡点混沌信号源的产生装置

技术领域

本发明涉及电路设计、通讯与信息技术领域，具体涉及一种可调幅可切换平衡点混沌信号源。

背景技术

混沌信号作为一种类随机信号，在信息安全，保密通信、流媒体的加密等领域有着广泛的应用前景。在工程中，需要对信号进行放大、衰减、变换、带宽匹配等预处理才能满足应用要求。这往往需要额外的硬件模块或系统才能实现，同时，这些额外的硬件对信号的处理容易引发失真或衰减。

目前，对混沌信号的放大、衰减以及变换等预处理主要通过引入额外的交流/直流信号源、基于运放的比例放大器、反相器、或调节模拟乘法器的增益来实现。中国发明专利[授权号ZL201010300420.3]动态幅度线型可调的混沌信号源用一个直流电压源控制Jerk系统电路的输出信号幅值，发明专利[授权号ZL201210081151.5]单参数鲁棒混沌信号源用增益模块(实现电路为基于运放的比例放大器)控制混沌信号源的动态幅值，发明专利[授权号ZL201610398370.4]一种可调幅超混沌信号源用一个直流电压源或一个可调电阻器实现四路输出信号的幅值控制，发明专利[申请号CN201710598579.X]的一种自调理混沌信号源用一个可调电阻器和一个直流电压源控制输出信号的幅值和极性。以上各种对输出信号幅值和极性的控制都是通过直流信号源、基于运放的比例放大器、以及可调电阻器实现，其电路系统或至少使用一个直流信号源、或至少使用两个非线性项，或由一个直流信号源与一个非线性项组合实现，其系统本身的电路实现具有一定的复杂性。

发明内容

本发明提供一种可调幅可切换平衡点混沌信号源。技术方案如下：

一种可调幅可切换平衡点混沌信号源，包括三个积分求和支路、一个用于实现二次型非线性项的模拟乘法器(M)和两个用于输入信号切换的单刀双掷开关(S1、S2)；第一条支路包括两个输入端，第一个输入端接第一条积分求和支路的输出端，第二个输入端接单刀双掷开关S1选通的第二条积分求和支路的输出端或反相输出端；第二条支路包括三个输入端，第一个输入端接第二条积分求和支路的输出端，第二个输入端接第三条积分求和支路的反相输出端，第三个输入端接单刀双掷开关S2选通的第二条积分求和支路的输出端或反相输出端；第三条支路包括两个输入端，第一个输入端接第二条积分求和支路的输出端，第二个输入端接第三条积分求和支路的反相输出端；

第一条积分求和支路包括一个积分求和运算单元，由第一运放(U1)、第一电容(C1)、第一电阻(R1)、以及第二电阻(R2)组成；其中，第一个输入端“x”经第一电阻(R1)接第一运放(U1)的反相输入端，第二个输入端“y”或“–y”经开关S1选通接第二电阻(R2)的一端，第二电阻(R2)的另一端接第一运放(U1)的反相输入端，第一电容(C1)跨接第一运放(U1)的反相输入端和输出端；

第二条积分求和支路包括一个积分求和运算单元、以及一个反相运算单元；积分求和运算单元由第二运放(U2)、第二电容(C2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、以及第五电阻(R5)组成，其中，第一个输入端“y”经第三电阻(R3)接第二运放(U2)的反相输入端；第二个输入端“–z”经第四电阻(R4)接第二运放(U2)的反相输入端；第三个输入端是一个由乘法器(M)实现的二次型乘积项，“x”端接乘法器(M)的一个输入端，“y”端或“–y”端经开关S2选通后接乘法器(M)的另一个输入端，乘法器(M)的输出端经第五电阻(R5)接第二运放(U2)的反相输入端，第二电容(C2)跨接第二运放(U2)的反相输入端和输出端；反相运算单元由第三运放(U3)、第六电阻(R6)、以及第七电阻(R7)组成，其中，第二运放(U2)的输出端经第六电阻(R6)接第三运放(U3)的反相输入端，第七电阻(R7)跨接第三运放(U3)的反相输入端和输出端；

第三个积分求和支路包括一个积分求和运算单元、以及一个反相运算单元；积分求和运算单元由第四运放(U4)、第三电容(C3)、第八电阻(R8)、以及第九电阻(R9)组成，其中，第一个输入端“y”经第八电阻(R8)接第四运放(U4)的反相输入端，第二个输入端“–z”经第九电阻(R9)接第四运放(U4)的反相输入端，第三电容(C3)跨接第四运放(U4)的反相输入端和输出端；反相运算单元由第五运放(U5)、第十电阻(R10)、以及第十一电阻(R11)组成，其中，第四运放(U4)的输出端经第十电阻(R10)接第五运放(U5)的反相输入端，第十一电阻(R11)跨接第五运放(U5)的反相输入端和输出端；

第一电阻(R1)、第六电阻(R6)、第七电阻(R7)、第八电阻(R8)、第九电阻(R9)、第十电阻(R10)以及第十一电阻(R11)的电阻值相等，第二电阻(R2)和第五电阻(R5)的电阻值可调，第一电容(C1)、第二电容(C2)、以及第三电容(C3)的电容值相等；

第一运放(U1)、第二运放(U2)、第三运放(U3)、第四运放(U4)、以及第五运放(U5)的同相输入端接地；

第一运放(U1)、第二运放(U2)、第四运放(U4)的输出端依次作为混沌信号源的第一、二、三个积分求和支路的输出端“x”、“y”、“z”；第三运放(U3)、第五运放(U5)的输出端依次作为混沌信号源第二、三个积分求和支路的反相输出端“–y”、“–z”。

本发明所提出的混沌电路系统是一个非对称系统，仅包含一个非线性项和六个线型项，避免了直流电压源的使用，其中，两独立的可调电阻器可分别实现输出信号的部分幅值控制和全部幅值控制，两个单刀双掷开关的组合可实现不同输出信号的极性切换控制。混沌信号源本身具有极简单的实现复杂度，同时对输出信号的控制具有更大的灵活性，使输出信号能够满足不同的应用场景。

附图说明

图1为在x-y-z空间的混沌吸引子及其在x-y、x-z、y-z平面的投影，a＝0.2、b＝5；

图2为状态变量x、y、z的数值仿真时域波形，a＝0.2、b＝5；

图3为参数m对部分幅值y、z的控制图，x的幅值不变，a＝0.2、b＝5，n＝1；

图4为参数n对全部幅值x、y、z的控制图，a＝0.2、b＝5，m＝1；

图5为电路原理图，电路中C1＝C2＝C3＝100nF，R1＝R6＝R7＝R8＝R9＝R10＝R11＝100kΩ，R3＝500kΩ，R4＝20kΩ，R2可调，R5可调，乘法器M的增益g＝0.1；

图6为混沌信号源的电路仿真吸引子在x-y平面的投影，S1、S2均选通“–y”作为输入信号，即m＝1，n＝2；

图7为混沌信号源的电路仿真吸引子在x-y平面的投影，S1、S2分别选通“–y”、“y”作为输入信号，即m＝1，n＝–2；

图8为混沌信号源的电路仿真吸引子在x-y平面的投影，S1、S2分别选通“y”、“–y”作为输入信号，即m＝–1，n＝2；

图9为混沌信号源的电路仿真吸引子在x-y平面的投影，S1、S2均选通“y”作为输入信号，即m＝–1，n＝–2。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

可调幅可切换平衡点混沌信号源的系统方程可表示为

其中a、b为混沌信号源的控制参数，x、y、z为混沌信号在三维空间的三个分量，

分别为x、y、z对时间τ的导数。

当系统(1)的参数为a＝0.2、b＝5时，系统输出的混沌吸引子如图1所示。相应地，三路输出信号的时域波形如图2所示。该组参数下对应的李雅普诺夫指数为L1＝0.183，L2＝0，L3＝-0.938，Kaplan-Yorke维数为2.1951，均表明混沌状态。

设u＝x,v＝y/m,w＝z/m，系统(1)可转换为

设u＝x/n,v＝y/n,w＝z/n，系统(1)可转换为

可见，系统(1)引入两个控制参数m、n(m≠0，n≠0)可实现输出信号幅值控制，即

其中，参数m实现了y和z分量的幅值控制，即部分幅值控制；参数n实现了x、y和z分量的幅值控制，即全部幅值控制。参数m＝n＝1时，系统(1)是系统(4)的一个特例。相应地，n＝1时，系统(4)随参数m变化的部分幅值控制图如图3所示；m＝1时，系统(4)随参数n变化的全部幅值控制图如图4所示。

令系统(4)中

可得到系统两个平衡点P0和P1为

显然，参数m、n不仅可实现输出信号的幅值控制，改变m、n的符号还可以改变平衡点P1在三维空间的位置，进而可改变输出信号的极性。

系统(4)的状态方程可转换为以下电路方程

其中x、y、z为混沌信号源三个积分求和支路的输出电压.

采用图5所示的积分求和电路可实现系统(6)，令C1＝C2＝C3＝100nF，R1＝R8＝R9＝100kΩ，可得到R3＝R1/a＝500kΩ，R4＝R1/b＝20kΩ，R2＝R1/|m|，R5＝gR1/|n|，g为乘法器M的增益，g＝0.1。当选择参数m＝±1，n＝±2时，R2＝100kΩ，R5＝5kΩ。图5电路第二、三支路的反相器参数为R6＝R7＝R10＝R11＝100kΩ。

图5电路中单刀双掷开关S1闭合至触点“2”，且单刀双掷开关S2闭合至触点“4”时，开关S1、S2均选通“–y”作为输入信号，此时m＝1，n＝2，非零平衡点P1为(2.4，2.4，2.4)，信号源输出信号在x-y平面的混沌吸引子如图6所示。此时，平衡点P1位于第一象限。

图5电路中单刀双掷开关S1闭合至触点“2”，且单刀双掷开关S2闭合至触点“3”时，开关S1、S2分别选通“–y”、“y”作为输入信号，此时m＝1，n＝–2，非零平衡点P1为(–2.4，–2.4，–2.4)，信号源输出信号在x-y平面的混沌吸引子如图7所示。此时，平衡点P1位于第三象限。

图5电路中单刀双掷开关S1闭合至触点“1”，且单刀双掷开关S2闭合至触点“4”时，开关S1、S2分别选通“y”、“–y”作为输入信号，此时m＝–1，n＝2，非零平衡点P1为(2.4，–2.4，–2.4)，信号源输出信号在x-y平面的混沌吸引子如图8所示。此时，平衡点P1位于第四象限。

图5电路中单刀双掷开关S1闭合至触点“1”，且单刀双掷开关S2闭合至触点“3”时，开关S1、S2均选通“y”作为输入信号，此时m＝–1，n＝–2，非零平衡点P1为(–2.4，2.4，2.4)，信号源输出信号在x-y平面的混沌吸引子如图9所示。此时，平衡点P1位于第二象限。

本发明的可调幅可切换平衡点混沌信号源，通过调节第一支路的可调电阻器R2可实现第二、三支路输出信号的幅值控制，通过调节第二支路的可调电阻器R5可实现第一、二、三支路输出信号的幅值控制，即全部幅值控制。同时，通过单刀双掷开关S1、S2的开关组合，可调节信号源系统的平衡点，即实现输出信号的对称、极性变换。这极大地增加了信号源使用的灵活性，丰富了信号源的应用场景，同时极简单的电路实现使其更有利于混沌信号在信息工程领域的应用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员依然可以对前述技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种可调幅可切换平衡点混沌信号源的产生装置，包括三条积分求和支路、一个用于实现二次型非线性项的模拟乘法器(M)和两个用于输入信号切换的单刀双掷开关(S1、S2)；第一条积分求和支路包括两个输入端，第一个输入端接第一条积分求和支路的输出端，第二个输入端接单刀双掷开关S1选通的第二条积分求和支路的输出端或反相输出端；第二条积分求和支路包括三个输入端，第一个输入端接第二条积分求和支路的输出端，第二个输入端接第三条积分求和支路的反相输出端，第三个输入端接单刀双掷开关S2选通的第二条积分求和支路的输出端或反相输出端；第三条积分求和支路包括两个输入端，第一个输入端接第二条积分求和支路的输出端，第二个输入端接第三条积分求和支路的反相输出端；

第三条积分求和支路包括一个积分求和运算单元、以及一个反相运算单元；积分求和运算单元由第四运放(U4)、第三电容(C3)、第八电阻(R8)、以及第九电阻(R9)组成，其中，第一个输入端“y”经第八电阻(R8)接第四运放(U4)的反相输入端，第二个输入端“–z”经第九电阻(R9)接第四运放(U4)的反相输入端，第三电容(C3)跨接第四运放(U4)的反相输入端和输出端；反相运算单元由第五运放(U5)、第十电阻(R10)、以及第十一电阻(R11)组成，其中，第四运放(U4)的输出端经第十电阻(R10)接第五运放(U5)的反相输入端，第十一电阻(R11)跨接第五运放(U5)的反相输入端和输出端；

第一运放(U1)、第二运放(U2)、第四运放(U4)的输出端依次作为混沌信号源的第一、二、三条积分求和支路的输出端“x”、“y”、“z”；第三运放(U3)、第五运放(U5)的输出端依次作为混沌信号源第二、三条积分求和支路的反相输出端“–y”、“–z”。