基于IEEE-754标准和FPGA技术的混沌信号产生及其在通信中的应用

摘要

多涡卷混沌吸引子是近年来混沌研究领域的一个热点课题，在信息科学、保密通信和其它工程领域有较好的应用前景。在目前国内外的许多相关文献中，主要是报道用分立元件设计模拟电路来产生模拟混沌信号，而有关用现代数字器件来研究和实现混沌系统及在通信中的应用报道却很少。 多涡卷混沌吸引子的主要特点是具有复杂的混沌动力学行为和多个螺旋密钥参数，可在保密通信中获得应用。数字器件具有逻辑密度高、通用性强、随机可编程、开发时间短、可反复修改等特点。针对多涡卷混沌系统和数字器件的这些特点，在对国内外相关资料的收集、整理、分析和综合之后，对网格多涡卷的构造方法和基于现场可编程门阵列技术设计与实现了混沌信号产生器及其在保密通信中的应用进行了研究。 全文主要研究内容包括： 1.在蔡氏电路的基础上，利用对偶性，提出了一种研究变形蔡氏多涡卷混沌吸引子的新方法。用三角波函数序列和阶跃函数序列构造网格多涡卷混沌系统，找出函数中平衡点和转折点的值，并对系统的基本动力学特性进行了研究。电路实验结果与计算机模拟结果完全吻合，由此证实了该方法的可行性。 2.提出了基于IEEE-754标准的现场可编程门阵列技术（FPGA）通用混沌与超混沌信号产生器设计与硬件实现的一种新方法。用硬件描述语言构建出浮点数的乘法运算、加法运算、符号函数运算、正负绝对值运算、初始值与迭代值选择等五个基本模块，并以此为基础，在FPGA平台上产生包括网格状多涡卷Chua系统在内的多种不同类型的混沌与超混沌信号。 3.用三角波函数序列和阶跃函数序列构造网格多涡卷混沌系统，找出函数中平衡点和转折点的值，并对系统的基本动力学特性进行了研究，包括理论分析和计算机模拟仿真。用模块化的方法设计了现场可编程门阵列（FPGA）硬件实验电路，给出了相关的实验结果。计算机仿真和FPGA硬件实验结果相吻合，由此证明了该系统的混沌特性。 4.提出了基于IEEE-754标准和现场可编程门阵列技术的混沌数字通信系统的设计与硬件实现的一种新方法，实现了混沌加密体制与传统密码体制的相结合。设计驱动响应式同步保密通信系统，构建一个包含信号在内的闭环回路，对有用的信息进行加密，实现发送端与接收端的离散混沌系统的同步，之后在接收端解调出原信号。以网格状蔡混沌系统为例，对上述的保密通信系统进行FPGA硬件实验，给出了技术开发过程、算法流程图以及硬件设计与实现结果。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2本研究课题的背景及意义

1.3多涡卷混沌吸引子研究综述

1.4混沌在保密通信中的研究现状

1.5本文的主要研究内容及章节安排

1.5.1本文的主要研究内容

1.5.2本文的章节安排

第二章一种变形蔡氏网格多涡卷混沌系统的研究与电路实现

2.1引言

2.2一种变形的蔡氏网格多涡卷混沌系统动力学特性

2.2.1变形蔡式多涡卷混沌系统的提出和计算机仿真

2.2.2新系统动力学行为的分析

2.3网格多涡卷变形蔡氏电路的分析及设计

2.4电路实验结果

2.5小结

第三章基于IEEE-754标准和现场可编程门阵列技术的混沌产生器设计与实现

3.1引 言

3.2基于Euler算法的连续混沌系统归一化与离散化

3.3基本单元模块的FPGA设计

3.3.1浮点数乘法运算模块的设计

3.3.2浮点数加法运算模块的设计

3.3.3浮点数符号函数运算模块的设计

3.3.4浮点数正负绝对值函数运算模块的设计

3.3.5初始值与迭代值选择模块的设计

3.4通用混沌与超混沌信号产生器的FPGA设计

3.4.1网格状多涡卷蔡氏混沌信号产生器的FPGA设计

3.4.2L(u)超混沌信号产生器的FPGA设计

3.5FPGA硬件实现结果

3.6小结

第四章n×m涡卷混沌吸引子的研究及FPGA硬件实现

4.1引言

4.2用三角波和阶跃函数构造多涡卷系统的混沌动力学特性

4.2.1n×m涡卷混沌吸引子系统的提出

4.2.2系统动力学特性的分析

4.3n×m涡卷混沌系统的FPGA硬件设计

4.4 FPGA硬件实现结果

4.5结论

第五章基于现场可编程门阵列技术的混沌数字通信系统—设计与实现

5.1引言

5.2基于FPGA的混沌密码序列发生器

5.3混沌自同步与数字保密通信系统

5.4基于网格状蔡混沌系统的实时语音保密通信系统的设计

5.5加密／解密算法

5.6硬件实现结果及安全性能分析

5.7小结

总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及攻读硕士期间参加的科研项目和获奖情况

致谢