CN1744487A - 一种四阶网格状多环面混沌电路及其使用方法 - Google Patents

一种四阶网格状多环面混沌电路及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及保密通信中所需混沌电路。本发明的一种四阶网格状多环面混沌电路及其使用方法，包括基本四阶网格状多环面混沌产生电路、x方向阶梯波序列产生电路、y方向阶梯波序列产生电路、z方向阶梯波序列产生电路、w方向阶梯波序列产生电路、转换开关组；方法：K1、K2、K3断开时，产生单方向分布多环面混沌吸引子，通过K10－K15切换，控制环面的数量；K1接通、K2和K3断开时，产生两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子，通过K10－K15、K22切换，控制多环面混沌吸引子的数量；K1、K2、K3接通时，产生四方向分布四维网格状多环面混沌吸引子，通过K10－K15、K22切换，控制多环面混沌吸引子的数量。

Description

一种四阶网格状多环面混沌电路及其使用方法
技术领域
本发明涉及混沌保密通信中所需的混沌电路，具体涉及一种在四阶系统中用四个阶梯波序列来产生多方向分布网格状多环面混沌信号的电路。本发明还涉及一种四阶网格状多环面混沌电路的使用方法。
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近年来非线性电路与系统学科研究的一个新领域，目前已取得了一些相关的研究成果。在受周期外信号驱动下的二阶非自治系统中比较容易观察到环面产生的现象，而对于在三阶自治系统中产生环面的问题，相关的国内外文献报道很少，如Nishiuchi等对这一问题进行相关研究，并给出了产生单环面和双环面的电路实验结果(Y.Nishiuchi，T.Ueta andH.Kawakami.Stable torus and its bifurcation phenomena in a simplethree-dimensional autonomous circuit.Chaos Solitons & Fractals，2006，27(4)：941-951.)，但没涉及在四阶系统中用四个阶梯波序列来产生多方向分布网格状多环面混沌信号，因此，用于混沌保密通信还存在局限。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种用于混沌保密通信中可靠性更高的一种四阶网格状多环面混沌电路；
本发明的另一个目的是提供一种四阶网格状多环面混沌电路的使用方法。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采取以下方案：
本发明所述的一种四阶网格状多环面混沌电路包括：以运算放大器组成的基本四阶网格状多环面混沌产生电路、x方向阶梯波序列产生电路、y方向阶梯波序列产生电路、z方向阶梯波序列产生电路、w方向阶梯波序列产生电路、转换开关组，其中，
(1)x方向阶梯波序列产生电路的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中第二运算放大器的输出端相连，其信号输出端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中的电容相连；
(2)y方向阶梯波序列产生电路的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中第四运算放大器的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中的两个电容相连；
(3)z方向阶梯波序列产生电路的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中第六运算放大器的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中的两个电容相连；
(4)w方向阶梯波序列产生电路的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中第八运算放大器的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路中的两个电容相连。
其中，基本四阶网格状多环面混沌产生电路包括若干个运算放大器和若干个网格状多环面形成的微分电路子电路，其中，微分电路子电路与运算放大器的反相输入端连接。
其中，x方向阶梯波序列产生电路由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
其中，y方向阶梯波序列产生电路由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
其中，z方向阶梯波序列产生电路由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
其中，w方向阶梯波序列产生电路由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
其中，转换开关组包括控制产生四阶网格状多环面混沌吸引子分布的方向数的开关和控制环面的数量的开关。
本发明所述的一种四阶网格状多环面混沌电路的使用方法，有以下步骤：
(1)当第一、第二和第三开关均断开时，混沌电路产生单方向分布多环面混沌吸引子，通过第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五开关的切换，可控制环面的数量；
(2)当第一开关接通、第二开关和第三开关断开时，该混沌电路产生两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子，通过第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第二十二开关的切换，控制两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的数量；
(3)当第一、第二、第三开关均接通时，该混沌电路产生四方向分布四维网格状多环面混沌吸引子，通过第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第二十二开关的切换，控制两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的数量。
(三)有益效果
本发明与已有技术相比：1)目前国内外文献中所报道的环面产生电路为二阶非自治系统或三阶系统，而本发明所提供的电路既能采用四阶电路产生环面混沌吸引子，又能采用结构简单的硬件电路实现。2)本发明所提供的混沌电路能产生单方向和多方向分布网格状多环面混沌吸引子，单方向分布时，环面数量可达20个，二方向分布时，平面网格状环面数量可达5×5＝25个，四方向分布时，四维网格状环面数量可达5×5×3×3＝225个，而且，通过控制电路的参数，能够控制多环面波形的大小、位置、个数、旋转方向；3)、由于本发明所产生的混沌信号复杂度能够控制，因此，在信号传递过程中不易解密，用于通信保密具有更高的可靠性。
附图说明
图1为本发明总体电路结构示意图；
图2为图1中比较电压产生电路图；
图3为单方向分布单环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图4为单方向分布双环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图5为单方向分布6环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图6为单方向分布8环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图7为单方向分布16环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图8为单方向分布20环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图9为二方向分布平面网格状3×3环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图10为二方向分布平面网格状5×5环面混沌吸引子的电路实验结果图；
图11为四方向分布四维网格状5×5×3×3环面混沌吸引子在X-Y平面上投影的电路实验结果图；
图12为四方向分布四维网格状5×5×3×3环面混沌吸引子在Y-Z平面上投影的电路实验结果图；
图13为四方向分布四维网格状5×5×3×3环面混沌吸引子在Y-W平面上投影的电路实验结果图；
图14为四方向分布四维网格状5×5×3×3环面混沌吸引子在Z-W平面上投影的电路实验结果图。
图中：N0、基本四阶网格状多环面混沌产生电路；Nd、网格状多环面形成的微分电路子电路；N1、x方向阶梯波序列产生电路；N2、y方向阶梯波序列产生电路；N3、z方向阶梯波序列产生电路；N4、w方向阶梯波序列产生电路；K1、K2、K3、K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22、开关；OP2-OP36、运算放大器；R1-R8、、RX、RY、、RZ、RW、RE、RE1-RE5、电阻；C1-C3、C5-C8、电容；±E、电源；±E11-±E15、±E21-±E22、±E31、±E41、比较电压。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1、图2所示，本发明所述的一种四阶网格状多环面混沌电路实施时，包括：一个以运算放大器组成的基本四阶网格状多环面混沌产生电路N0、一个x方向阶梯波序列产生电路N1、一个y方向阶梯波序列产生电路N2、一个z方向阶梯波序列产生电路N3、w方向阶梯波序列产生电路N4、控制产生四阶网格状多环面混沌吸引子分布的方向数的开关K1、K2、K3和控制环面的数量的开关K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22，其中，
(1)x方向阶梯波序列产生电路N1的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路N0中第二运算放大器OP2的输出端相连，其信号输出端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路N0中的电容C5相连；
(2)y方向阶梯波序列产生电路N2的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中第四运算放大器OP4的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中的两个电容C1、C6相连；
(3)z方向阶梯波序列产生电路N3的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中第六运算放大器OP6的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路N0中的两个电容C2、C7相连；
(4)w方向阶梯波序列产生电路N4的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路N0中第八运算放大器OP8的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中的两个电容C3、C8相连。
基本四阶网格状多环面混沌产生电路N0包括9个运算放大器和4个网格状多环面形成的微分电路子电路Nd，其中，OP2、OP4、OP6、OP8为积分器，OP1、OP3、OP5、OP9为反相求和器，OP7为反相器，微分电路子电路分别与OP1、OP3、OP5、的反相输入端连接。
x方向阶梯波序列产生电路N1由13个运算放大器组成，其中，并联的运算放大器OP10-OP20的共同输出端与串联的运算放大器OP21-OP22的反相输入端连接。
y方向阶梯波序列产生电路N2由6个运算放大器组成，其中，并联的运算放大器OP23-OP26的共同输出端与串联的运算放大器OP27-OP28的反相输入端连接。
z方向阶梯波序列产生电路N3由4个运算放大器组成，其中，并联的运算放大器OP29-OP30的共同输出端与串联的运算放大器OP31-OP32的反相输入端连接。
w方向阶梯波序列产生电路N4由4个运算放大器组成，其中，并联的运算放大器OP33-OP34的共同输出端与串联的运算放大器OP35-OP36的反相输入端连接。
本发明所述的一种四阶网格状多环面混沌电路的使用方法，其具体实施步骤如下：
(1)当K1、K2、K3均断开时，该混沌电路产生单方向分布多环面混沌吸引子，通过开关K10、K11、K12、K13、K14、K15的切换，控制环面的数量。当K10接通，K11、K12、K13、K14、K15断开时，产生2环面，若将电容C5短接，产生单环面；当K10、K11接通，K12、K13、K14、K15断开时，产生6环面；当K10断开，K11、K12接通，K13、K14、K15断开时，产生8环面；当K10断开，K11、K12、K13接通，K14、K15断开时，产生12环面；当K10断开，K11、K12、K13、K14接通，K15断开时，产生16环面；当K10断开，K11、K12、K13、K14、K15均接通时，产生20环面。
(2)当K1接通、K2、K3断开时，该混沌电路产生两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子，通过开关K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22的切换，控制两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的数量。当K10断开，K11接通，K12、K13、K14、K15、K22断开时，产生两方向分布平面网格状3×3环面混沌吸引子；当K10断开，K11、K12接通，K13、K14、K15断开，K22接通时，产生两方向分布平面网格状5×5环面混沌吸引子。
(3)当K1、K2、K3均接通时，该混沌电路产生四方向分布四维网格状多环面混沌吸引子，通过开关K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22的切换，控制两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的数量。当K10断开，K11、K12接通，K13、K14、K15断开，K22接通时，产生四方向分布四维网格状5×5×3×3环面混沌吸引子。
本发明电路元件和电源电压的选择：
图1中所有的运算放大器，型号为TL082，电源电压为±E＝±15V，实验测得此时各运算放大器输出电压的饱和值为Vsat＝±13.5V。为了便于电路实验，为了保证电阻值的准确性，图1中所有电阻均采用精密可调电阻或精密可调电位器。通过适当调节R1、R2、R5的值，可产生所需的环面数量，调节范围为给定参数值的±5％。
本发明的N1、N2、N3、N4中比较电压由图2所示的分压电路产生。
本发明电路实验的具体实施方案：
(1)产生单方向分布多环面混沌吸引子的具体实施方案：
按照图1连接电路，由表1～表2给出的数据，可确定图1～图2中各个元器件的参数，从而分别产生单方向分布1～2环面、6环面、8环面、16环面、20环面，分别如图3～图8所示。
(2)产生二方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的具体实施方案：
按照图1连接电路，由表3～表4给出的数据，确定图1～图2中各个元器件的参数，从而分别产生二方向分布平面网格状3×3环面和5×5环面混沌吸引子，分别如图9～图10所示。
(3)产生四方向分布四维网格状多环面混沌吸引子的具体实施方案：
按照图1连接电路，由表5～表6给出的数据，确定图1～图2中各个元器件的参数，从而产生四方向分布四维网格状5×5×3×3环面混沌吸引子，分别如图11～图14所示。
本发明元器件参数和工作状态对应表如下：
                                              表1
  K1   K2   K3   K10   K11   K12   K13   K14   K15   K22   环面个数
  断开   断开   断开   接通   断开   断开   断开   断开   断开   断开   1～2
  断开   断开   断开   接通   接通   断开   断开   断开   断开   断开   6
  断开   断开   断开   断开   接通   接通   断开   断开   断开   断开   8
  断开   断开   断开   断开   接通   接通   接通   断开   断开   断开   12
  断开   断开   断开   断开   接通   接通   接通   接通   断开   断开   16
  断开   断开   断开   断开   接通   接通   接通   接通   接通   断开   20
                                 表2
 Rx(kΩ)   ±E11(V)   ±E12(V)   ±E13(V)   ±E14(V)   ±E15(V)   环面个数
  54   1～2
  54   ±0.50   6
  54   ±0.25   ±0.75   8
  54   ±0.25   ±0.75   ±1.25   12
  54   ±0.25   ±0.75   ±1.25   ±1.75   16
  54   ±0.25   ±0.75   ±1.25   ±1.75   ±2.25   20
                                                表3
  K1   K2   K3   K10   K11   K12   K13   K14   K15   K22   环面个数
  接通   断开   断开   断开   接通   断开   断开   断开   断开   断开   3×3
  接通   断开   断开   断开   接通   接通   断开   断开   断开   接通   5×5
                                     表4
  Rx(kΩ) Ry(kΩ)   ±E11(V)   ±E12(V)   ±E21(V)   ±E22(V)   环面个数
  13.5   54   ±1.00   ±0.25   3×3
  13.5   54   ±1.00   ±3.00   ±0.25   ±0.75   5×5
                                            表5
  K1   K2   K3   K10   K11   K12   K13   K14   K15   K22   环面个数
  接通   接通   接通   断开   接通   接通   断开   断开   断开   接通   5×5×3×3
                                      表6
  Rx(KΩ)   Ry(kΩ)   Rz(kΩ)   Rw(kΩ)   ±E11(V)   环面个数
  13.5   54   54   54   ±1.00   5×5×3×3
  ±E12(V)   ±E21(V)   ±E22(V)   ±E31(V)   ±E41(V)
  ±3.00   ±0.25   ±0.75   ±0.25   ±0.25

Claims (8)

1、一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于，包括：以运算放大器组成的基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)、x方向阶梯波序列产生电路(N1)、y方向阶梯波序列产生电路(N2)、z方向阶梯波序列产生电路(N3)、w方向阶梯波序列产生电路(N4)、转换开关组(K1、K2、K3、K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22)，其中，
(1)x方向阶梯波序列产生电路(N1)的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中第二运算放大器(OP2)的输出端相连，其信号输出端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中的电容(C5)相连；
(2)y方向阶梯波序列产生电路(N2)的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中第四运算放大器(OP4)的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中的两个电容(C1、C6)相连；
(3)z方向阶梯波序列产生电路(N3)的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中第六运算放大器(OP6)的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中的两个电容(C2、C7)相连；
(4)w方向阶梯波序列产生电路(N4)的信号输入端与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中第八运算放大器(OP8)的输出端相连，其信号输出端分别与基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)中的两个电容(C3、C8)相连。
2、如权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于：基本四阶网格状多环面混沌产生电路(N0)包括若干个运算放大器和若干个网格状多环面形成的微分电路子电路(Nd)，其中，微分电路子电路与运算放大器的反相输入端连接。
3、如权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于：x方向阶梯波序列产生电路(N1)由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
4、如权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于：y方向阶梯波序列产生电路(N2)由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
5、如权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于：z方向阶梯波序列产生电路(N3)由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
6、如权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于：w方向阶梯波序列产生电路(N4)由若干个并联的运算放大器和若干个串联的运算放大器组成，其中，并联的运算放大器的共同输出端与串联的运算放大器的反相输入端连接。
7、如权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路，其特征在于：转换开关组包括控制产生四阶网格状多环面混沌吸引子分布的方向数的开关(K1、K2、K3)和控制环面的数量的开关(K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22)。
8、用于权利要求1所述的一种四阶网格状多环面混沌电路的使用方法，其特征在于，有以下步骤：
(1)当第一、第二和第三开关(K1、K2、K3)均断开时，混沌电路产生单方向分布多环面混沌吸引子，通过第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五开关(K10、K11、K12、K13、K14、K15)的切换，可控制环面的数量；
(2)当第一开关(K1)接通、第二开关和第三开关(K2、K3)断开时，该混沌电路产生两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子，通过第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第二十二开关(K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22)的切换，控制两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的数量；
(3)当第一、第二、第三开关(K1、K2、K3)均接通时，该混沌电路产生四方向分布四维网格状多环面混沌吸引子，通过第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五、第二十二开关(K10、K11、K12、K13、K14、K15、K22)的切换，控制两方向分布平面网格状多环面混沌吸引子的数量。
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