CN1645781B - 多路信息加密混沌通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多路信息加密混沌通信系统，该系统包括混沌产生器、信道、多路信息混沌加密器和多路信息混沌解密器四部分相互连接组成；其中发送端的多路信息混沌加密器通过混沌产生器同时对三路信息S₁、S₂、S₃进行加密，产生三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3；接收端的多路信息混沌解密器则通过自同步后的混沌信号，可在三个减法器B₁、B₂、B₃中解密出原三路信息；只用一个混沌产生器可同时实现多路混沌保密通信。

Description

多路信息加密混沌通信系统

(一)技术领域

本发明属于混沌保密通信，特别是涉及对多路信息进行加密的混沌通信技术，具体是指采用一个混沌产生器实现对多路信息加密的混沌通信系统。

(二)背景技术

1、如何产生用于混沌保密通信中所需的各种混沌电路是近年来非线性电路与系统学科研究的一个新的领域，如蔡氏电路、MCK超混沌电路、洛伦兹电路等。近年来，美国学者Sprott于2000年前后提出了一类新的三阶混沌电路，其主要特征是产生单螺旋、单层双螺旋混沌吸引子。在国内，尹元昭研究员则在蔡氏电路的基础上，于1998年发明了变形蔡氏电路。

2、用一个混沌产生器实现对一路信息进行加密是混沌保密通信中的一种最常见的模式，目前在国内外已有大量文献研究这类问题，并取得了一系列成果，如尹元昭研究员所提出的单线混沌保密通信系统和双线混沌保密通信系统等。在此基础上，可进一步研究用一个混沌产生器实现对多路信息进行加密的混沌通信方案。

(三)发明内容

本发明的目的是提供一个混沌产生器实现对多路信息加密的混沌通信系统。

1、本发明的内容之一是，在Sprott提出的产生单螺旋、单层双螺旋混沌电路的基础上，通过构造一个新的非线性函数，随着其转折点值α在0＜α＜1范围内的变化，可产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌吸引子，其中双层双螺旋混沌吸引子是一种新型混沌吸引子。

2、本发明的主要目的是，在上述1的混沌产生器环路中每一个积分器的输出端串入一个加法器，用一个三阶混沌产生器实现对3路信息的加密；在接收端利用自同步后的混沌信号，可在三个减法器中解密出原三路信息。这种只用一个混沌产生器可同时实现多路混沌保密通信的方法是区别于其它混沌保密通信模式的一个主要特征。

本发明的多路信息加密混沌通信系统，包括混沌产生器、信道、多路信息混沌加密器和多路信息混沌解密器四部分相互连接组成；其中发送端的多路信息混沌加密器通过混沌产生器同时对三路信息S₁、S₂、S₃进行加密，产生三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3；接收端的多路信息混沌解密器则通过自同步后的混沌信号，可在三个减法器B₁、B₂、B₃中解密出原三路信息；其连接关系为：(1)加密器中加法器A1的输出信号S_C1分别与解密器中减法器B1的同相端以及节点C1相连，解密器中积分器D1的输出与减法器B1的反相端相连；(2)加密器中加法器A2的输出信号S_C2分别与解密器中减法器B2的同相端以及转换开关K1的1端相连，解密器中积分器D2的输出与减法器B2的反相端相连；(3)加密器中加法器A3的输出信号S_C3分别与解密器中减法器B3的同相端以及转换开关K2的1端相连，解密器中积分器D3的输出与减法器B3的反相端相连。

上述混沌产生器能产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型混沌吸引子，混沌产生器包括子电路N₁；调节子电路N₁中的电阻R_b，当满足32kΩ≤R_b≤36kΩ时，产生单螺旋混沌吸引子；当满足43kΩ≤R_b≤50kΩ时，产生双层双螺旋混沌吸引子；当满足50kΩ＜R_b＜∞时，产生单层双螺旋混沌吸引子；其中双层双螺旋混沌吸引子则是一种新型混沌吸引子。

上述多路信息混沌加密器，在混沌产生器中积分器E1的输出端串入加法器A1，在积分器E2的输出端串入加法器A2，在积分器E3的输出端串入加法器A3，构成了发送端的多路信息混沌加密器，对1～3路信息进行加密。

上述多路信息混沌解密器利用一个混沌产生器可同时对多路信息进行加密；当开关K1位于2、开关K2位于2时，加密一路信息S₁；当开关K1位于1、开关K2位于2时，同时加密两路信息S₁、S₂；当开关K1位于1、开关K2位于1时，同时加密三路信息S₁、S₂、S₃。

上述多路信息混沌解密器能对多路信息进行解密；当开关K1位于2、开关K2位于2时，解密一路信息S₁；当开关K1位于1、开关K2位于2时，同时解密两路信息S₁、S₂；当开关K1位于1、开关K2位于1时，同时解密三路信息S₁、S₂、S₃。

本发明的多路信息加密混沌通信系统如图1所示。图1中多路信息加密器和多路信息解密器所采用的混沌产生器如图2所示，它可产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌吸引子。图2中的非线性函数f(x)如图3所示，可由图2中的子电路N₁产生。图4～6为该混沌产生器的分岔图、李氏指数谱和最大李氏指数以及混沌吸引子的相图。

发送端的多路信息混沌加密器如图7所示。在多路信息混沌加密器中，基于级联闭环原理，在发送端通过一个混沌产生器以及级联的三个加法器A₁、A₂、A₃，可加密三路信息S₁、S₂、S₃，从而产生三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3。三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3经信道传输到接收端。

在接收端的多路信息混沌解密器中，基于闭环逆系统原理，通过自同步后的混沌信号，在减法器B₁、B₂、B₃中分别对原信号进行解密，还原出原三路信息。在参数匹配的情况下，对三路信息进行加密和解密的时域波形如图8所示。

本发明的多路信息加密混沌通信系统具有如下三个主要特征：

(1)只利用一个混沌产生器可同时对多路信息进行加密。当开关K1位于2、开关K2位于2时，可加密一路信息S₁。当开关K1位于1、开关K2位于2时，可同时加密两路信息S₁、S₂。当开关K1位于1、开关K2位于1时，可同时加密三路信息S₁、S₂、S₃。

(2)由于采用级联闭环逆系统原理，发送端系统与接收端系统具有完全相同的驱动信号，能实现严格的同步而不受有用信息大小调制的影响，在发送端与接收端参数匹配的情况下，可使解调出的信息具有较高的保真度。

(3)该系统中的混沌产生器可产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌吸引子，而双层双螺旋混沌吸引子则是一种新型混沌吸引子。

(四)附图说明

图1为本发明的多路信息加密混沌通信系统

图2为多路信息加密器和多路信息解密器所采用的混沌产生器

图3为混沌产生器中的非线性函数

图4为混沌产生器的分岔图

图5为混沌信号的李氏指数谱λ₁，λ₂，λ₃与最大李氏指数谱λ_max

图6(a)为混沌产生器的单螺旋混沌吸引子的相图

图6(b)为混沌产生器的双层双螺旋混沌吸引子的相图

图6(c)为混沌产生器的单层双螺旋混沌吸引子的相图

图7为发送端的多路信息混沌加密器

图8为发送端与接收端参数匹配时对三路信息加密及解密的时域波形

以上图1、2、7中各有源器件供电电压均为±15V。

本发明的多路信息加密混沌通信系统如图1所示。图1中多路信息加密器和多路信息解密器所采用的混沌产生器如图2所示，它可产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌吸引子。图2中的非线性函数f(x)如图3所示，可由图2中的子电路N₁产生。图4～6为该混沌产生器的分岔图、李氏指数谱和最大李氏指数以及混沌吸引子的相图。

发送端的多路信息混沌加密器如图7所示。在多路信息混沌加密器中，基于级联闭环原理，在发送端通过一个混沌产生器以及级联的三个加法器A₁、A₂、A₃，可加密三路信息S₁、S₂、S₃，从而产生三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3。三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3经信道传输到接收端。

在接收端的多路信息混沌解密器中，基于闭环逆系统原理，通过自同步后的混沌信号，在减法器B₁、B₂、B₃中分别对原信号进行解密，还原出原三路信息。在参数匹配的情况下，对三路信息进行加密和解密的时域波形如图8所示。

(五)具体实施方式

Sprott于2000年提出了产生单螺旋、单层双螺旋混沌电路，其状态方程为

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{dx}/\mathrm{d\τ}=y\\ \mathrm{dy}/\mathrm{d\τ}=z\\ \mathrm{dz}/\mathrm{d\τ}=-\mathrm{\βz}-y+f\left(x\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中β＝0.6。在此基础上，构造一个新的三个分段线性奇函数f(x)

$f\left(x\right)=-x+\frac{1}{2\mathrm{\&alpha;}}\left(\right|x+\mathrm{\&alpha;}|-|x-\mathrm{\&alpha;}\left|\right)=\left\{\begin{array}{cc}-x-1& x<-\mathrm{\&alpha;}\\ (1-\mathrm{\&alpha;})x/\mathrm{\&alpha;}& -\mathrm{\&alpha;}\&le;x\&le;\mathrm{\&alpha;}\\ -x+1& x>\mathrm{\&alpha;}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中α为变参数，其物理意义代表三个分段线性函数的转折点值。由(1)式和(2)式所得新的混沌电路如图2所示，f(x)的函数关系如图3所示，其中两侧区域中直线段的斜率为固定值k＝-1，中间区域中直线段的斜率为(1-α)/α，随α的变化而改变。图3中还示出了α分别为0、0.25、0.5、0.75、1、1.25时的情况，并用六个不同符号表示这些转折点的位置。

f(x)可由图2中的子电路N₁产生。调节N₁中R_b的大小，可改变α的值。当满足32kΩ≤R_b≤36kΩ时，可产生单螺旋混沌吸引子；当满足43kΩ≤R_b≤50kΩ时，可产生双层双螺旋混沌吸引子；当满足50kΩ＜R_b＜∞时，可产生单层双螺旋混沌吸引子。特别是，当R_b→∞时，α→0，Sprott所提出的产生单层双螺旋混沌吸引子可视为当α＝0时这一情况的特例。

随着α的变化，图2所示的混沌产生器将从倍周期分岔进入混沌，进而可产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌信号。当α＞1时系统位于零点处的平衡点，0.55＜α＜1进入倍周期分岔，0＜α＜0.55为周期运动与混沌运动交替出现的区域，其分岔图如图4所示。其李氏指数谱λ₁，λ₂，λ₃以及最大李氏指数谱λ_max如图5所示，处于混沌状态时，它具有一个正的李氏指数。

这种混沌产生器的一个主要特点是，随着α的变化，它可产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌吸引子。根据图4所示的分岔图可知，在0.50＜α＜0.52、0.465＜α＜0.483的两个区域中存在单螺旋混沌吸引子，在α₁＝0.355，α₂＝0.365，α₃＝0.390，α₄＝0.415四个点的邻近区域中存在双层双螺旋混沌吸引子，而在0＜α＜0.30的区域内则存在单层双螺旋混沌吸引子，分别如图6所示。

发送端的多路信息混沌加密器如图7所示。这种混沌加密器的工作原理及主要特点是，基于级联闭环的工作原理，在环路中每一个积分器的输出端串入一个加法器，从而可对1～3路信息进行加密，这种方法可推广至用一个N阶混沌产生器加密N路信息的情形，同时也是它区别于其它混沌加密器(或混沌调制器)的一个主要特点。根据图1和图7，当开关K1位于2、开关K2位于2时，可加密一路信息S₁。当开关K1位于1、开关K2位于2时，可同时加密两路信息S₁、S₂。当开关K1位于1、开关K2位于1时，可同时加密三路信息S₁、S₂、S₃。

根据图1，利用接收端的多路信息混沌解密器，可对多路信息进行解密。基于闭环逆系统的工作原理，在接收端利用自同步后的混沌信号，可在三个减法器B₁、B₂、B₃中分别对原信号进行解密，还原出原三路信息。当开关K1位于2、开关K2位于2时，可解密一路信息S₁。当开关K1位于1、开关K2位于2时，可同时解密两路信息S₁、S₂。当开关K1位于1、开关K2位于1时，可同时解密三路信息S₁、S₂、S₃。由于采用级联闭环逆系统的工作原理，发送端系统与接收端系统具有完全相同的驱动信号，能实现严格的同步而不受有用信息大小调制的影响，在发送端与接收端参数匹配的情况下，可使解调出的信息具有较高的保真度。

调节图7中的电阻R_b，当它取不同的数值时，能使混沌产生器产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型的混沌吸引子。取R_b＞50kΩ，可使混沌产生器产生单层双螺旋混沌吸引子。在此基础上，对三种不同频率的正弦波 $S_1=50\sqrt{2}\sin 0.8\&times;{10}^{3}t\left(\mathrm{mV}\right),$ $S_2=50\sqrt{2}\sin 0.9\&times;{10}^{3}t\left(\mathrm{mV}\right),$ $S_3=50\sqrt{2}\sin 1.0\&times;{10}^{3}t\left(\mathrm{mV}\right)$ 进行加密，三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3以及在接收端解调后信号的时域波形如图8所示。

Claims (2)

1.一种多路信息加密混沌通信系统，其特征在于包括混沌产生器、信道、多路信息混沌加密器和多路信息混沌解密器四部分相互连接组成；其中发送端的多路信息混沌加密器通过混沌产生器同时对三路信息S₁、S₂、S₃进行加密，产生三路混沌加密信号S_C1、S_C2、S_C3；

上述多路信息混沌加密器中，三个积分器E3、E2及E1从左至右依次串联，其中积分器E1的输出端信号通过加法器A1后反馈给积分器E3，积分器E2的输出端信号通过加法器A2和开关K1后提供给E1，同时反馈给积分器E3，积分器E3的输出端信号通过加法器A3和开关K2后提供给E2；积分器E2输出端先后与加法器A2和开关K1串联，再与积分器E1串联，E3的输出端先后与加法器A3和开关K2串联，再与积分器E2串联；积分器E1和E2的输出端连接的反馈电路用于将加法器A1和开关K1提供的信息反馈回E3，在加法器A1输出端的反馈电路中设有调节电阻R_b；

上述多路信息混沌加密器利用一个混沌产生器同时对多路信息进行加密；信号S₁输入到A1的第二输入端，信号S₂输入到A2的第二输入端，信号S₃输入到A3的第二输入端；当开关K1位于第2位置、开关K2位于第2位置时，加密一路信息S₁；当开关K1位于第1位置、开关K2位于第2位置时，同时加密两路信息S₁、S₂；当开关K1位于第1位置、开关K2位于第1位置时，同时加密三路信息S₁、S₂、S₃；

采用级联闭环逆系统原理，发送端系统与接收端系统具有完全相同的驱动信号，实现严格的同步而不受有用信息大小调制的影响；接收端的多路信息混沌解密器通过自同步后的混沌信号在三个减法器B1、B2、B3中解密出原三路信息；在多路信息混沌解密器中，三个积分器D3、D2及D1从左至右依次串联，其中积分器D1的输出信号提供给减法器B1，积分器D2的输出信号通过开关K1后提供给减法器B2，并反馈给D3，积分器D3的输出信号通过开关K2后提供给减法器B3；

加密器中加法器A1的输出信号S_C1提供给解密器中减法器B1的同相端以及反馈电路C1的输入端，解密器中积分器D1的输出端与减法器B1的反相端相连；加密器中加法器A2的输出信号S_C2提供给解密器中减法器B2的同相端以及转换开关K1的第1位置，解密器中积分器D2的输出端与减法器B2的反相端相连；加密器中加法器A3的输出信号S_C3提供给解密器中减法器B3的同相端以及转换开关K2的第1位置，解密器中积分器D3的输出端与减法器B3的反相端相连；积分器D1和D2的输出端连接反馈电路，积分器D1反馈电路C1的一端接收输出信号S_C1，另一端与积分器D3相连，反馈电路C1中有调节电阻R_b；

上述多路信息混沌解密器对多路信息进行解密；当转换开关K1位于第2位置、转换开关K2位于第2位置时，解密一路信息S₁；当转换开关K1位于第1位置、转换开关K2位于第2位置时，同时解密两路信息S₁、S₂；当转换开关K1位于第1位置、转换开关K2位于第1位置时，同时解密三路信息S₁、S₂、S₃。

2.按权利要求1所述的多路信息加密混沌通信系统，其特征是上述混沌产生器能产生单螺旋、双层双螺旋、单层双螺旋三种不同类型混沌吸引子，调节电阻R_b，当满足32kΩ≤R_b≤36kΩ时，产生单螺旋混沌吸引子；当满足43kΩ≤R_b≤50kΩ时，产生双层双螺旋混沌吸引子；当满足50kΩ＜R_b＜∞时，产生单层双螺旋混沌吸引子。

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