基于混沌同步的加密通信实验装置及其使用方法

摘要

一种基于混沌同步的加密通信实验装置及其使用方法，该装置控制电路由加法电路、单向耦合电路、减法电路、滤波电路、发送端的混沌信号产生电路、接收端的混沌信号产生电路，以及按钮位于控制面板上的多个开关所组成；其使用方法可用于四项实验内容：观察混沌信号，观察混沌信号的同步现象，用混沌掩盖的加密方法对模拟信号进行加密通信实验，用混沌键控的加密方法对数字信号进行加密通信实验。本发明电路结构简单，成本低，容易推广；用于高校实验教学中，能使学生直观、感性地了解混沌信号的基本特点和产生方法，并可用该装置产生的混沌信号分别进行数字/模拟信号的加密通信实验，使学生了解科技发展前沿，以此推动混沌加密通信实验在高校中的发展。

说明书

技术领域

本发明涉及一种专门用途的实验教学仪器及其使用方法，确切地说，涉及一种利用混沌信号进行数字及模拟信号的加密通信的实验仪器及其使用方法，属于电子通信科学教学或技术训练用的模型或实验装置的技术领域。

背景技术

1963年，Lorenz发现了混沌吸引子，以充分的数据论述了这种吸引子对初始值的敏感性。此后大约经过20年左右，由于许多学科学者的共同努力，终于建立了一个几乎横跨所有学科的混沌理论。

以混沌理论为核心之一的非线性科学被誉为本世纪继相对论和量子力学以来的第三次科学革命。上个世纪八十年代以来，电子学领域出现了混沌的应用研究浪潮，其中，以蔡氏对偶电路为代表的混沌电路与系统的研究、混沌同步和控制理论在通信中的应用、混沌在扩频通信中的应用、混沌信号处理、分形数据压缩和混沌神经网络等课题都是各国学者研究的热点。

由于混沌信号具有非周期、连续宽频带、类噪声和长期不可预测等特点，所以特别适用于保密通信、扩频通信等领域。1990年以来，混沌通信和混沌加密技术已经成为国际电子通信领域的一个热门课题。在利用同步混沌进行加密通信的研究方面，迄今为止已经提出和发展了三大加密技术：混沌掩盖、混沌调制和混沌键控。其中混沌掩盖又称混沌遮掩或混沌隐藏，是较早提出的一种混沌加密通信方式；其基本思想是在发送端利用混沌信号作为载体来隐藏信号或遮掩所要传送的信息，使得消息信号难以从混合信号中提取出来，从而实现加密通信。在接收端，则利用与发送端同步的混沌信号解密，恢复出发送端传送的信息。混沌键控方法则属于混沌数字通信技术，是利用所发送的数字信号调制发送端混沌系统的参数，使其在两个值中切换，将信息编码在两个混沌吸引子中；接收端则由与发送端相同的混沌系统构成，通过检测发送与接收混沌系统的同步误差来判断所发送的消息。

近些年来，由于混沌加密通信一直是热门的研究课题，因此，观察和了解混沌现象的各种实验仪器在高校中已经非常普及。但是，利用混沌信号进行加密通信的实验及其仪器设备却在国内各个高校的教学实验里处于空白状态。因此，研制一种利用混沌技术进行加密通信的实验仪器，以便利用该仪器在高校中开设混沌加密通信实验课程就成为许多业内科技、教学人员关注的新课题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于混沌同步的加密通信实验装置及其使用方法，以便将该实验装置引入到高校实验教学中，通过简单方便的操作，使学生能够直观、感性地了解混沌信号的基本特点和混沌信号的产生方法，并且利用该装置产生的混沌信号分别进行数字信号和模拟信号的加密通信实验。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于混沌同步的加密通信实验装置，其特征在于：所述装置的控制电路包括六个电路模块：加法电路、单向耦合电路、减法电路、滤波电路、发送端的混沌信号产生电路、接收端的混沌信号产生电路，以及按钮位于控制面板上的多个开关，其中：两个混沌信号产生电路结构相同，加法电路的两个输入端分别用作模拟信号输入端和通过开关(S1)连接发送端的混沌信号产生电路的输出端(A)，该发送端的混沌信号产生电路的输出端(B)则连接至单向耦合电路的输入端，该单向耦合电路的输出端经由开关(S3)连接至接收端的混沌信号产生电路的信号输入端(C)，接收端的混沌信号产生电路的输出端(D)经由开关(S2)连接至减法电路的一输入端，该减法电路的另一输入端则通过开关(S4)连接加法电路的输出端，所述单向耦合电路的输出端(E)、(F)分别经由开关(S6)、(S7)连接至减法电路的两个输入端，该减法电路的输出端接至滤波电路的输入端，该滤波电路的输出端是该装置的总输出端。

所述装置的控制电路中，发送端的混沌信号产生电路中的电感元件与地之间串接有开关(S5)，以便能够将数字信号加载到该混沌信号产生电路上。

所述两个混沌信号产生电路是蔡氏电路：一可变电阻与其两端的两个电容组成“∏”型电路，再在该两个电容上分别并接一电感和一非线性电阻；其中非线性电阻是由两个运放及其外围电阻所组成。

所述单向耦合电路是由运算放大器组成的隔离器和可变电位器组成，其中隔离器用于实现单向耦合，可变电位器用作耦合电阻，以便实现耦合强度控制。

所述装置的控制面板上，还设有电源插座、电源总开关和所述六个电路模块的输入/输出信号的多个接线端插孔。

所述发送端的混沌信号产生电路的输出端与加法电路之间、接收端的混沌信号产生电路的输出端与减法电路之间以及数字信号输入端与发送端的混沌信号产生电路之间都串接有隔离器，该隔离器与单向耦合电路中的隔离器电路结构相同，都是由运算放大器组成的。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于混沌同步的加密通信实验装置的使用方法，其特征在于：包括下列操作步骤：

(1)观察混沌信号：将发送端混沌信号产生电路的开关(S5)打到闭合状态，而将其余各个开关都打到断开状态，然后对该装置加电，用电缆分别连接发送端混沌信号产生电路的输出端和示波器的输入端，通过调节该混沌信号产生电路的可变电阻R或电感L，观察该混沌信号产生电路产生的各种混沌现象或相图；

(2)观察混沌信号的同步现象：分别调节可变电阻R或电感L，使发送端和接收端的两个混沌信号产生电路的电路参数相同或相近并处于混沌工作状态，再将单向耦合电路的连接开关(S3)闭合，并调节耦合电阻R_C的大小，利用示波器观察该两个混沌信号产生电路实现同步的现象；

(3)用混沌掩盖的加密方法对模拟信号进行加密通信实验：分别闭合下述三个连接开关：发送端混沌信号产生电路的输出端与加法电路输入端的开关S1、接收端混沌信号产生电路的输出端与减法电路输入端的开关S2、以及加法电路和减法电路之间的开关S4，再在加法电路的另一个输入端输入模拟信号，使之在该加法电路中实现混沌掩盖后，送入减法电路，以便利用减法电路和同步的混沌信号恢复出原来的模拟信号，再利用示波器观察经滤波电路后输出的信号和原来的模拟信号；

(4)用混沌键控的加密方法对数字信号进行加密通信实验：打开发送端混沌信号产生电路中的开关S5，并对其输入数字信号，再分别闭合单向耦合电路输出端(E)、(F)与减法电路两个输入端之间的两个开关S6、S7，并调节耦合电阻R_C至600-1200欧姆，使得耦合电阻两端的信号作减法，即可在滤波电路后输出端利用示波器观察所恢复的信号和原来输入的数字信号。

所述方法的操作步骤(3)、(4)之间的时序是并列的，即观察混沌掩盖的模拟信号的加密通信实验的操作步骤顺序是：步骤(1)、(2)、(3)，观察混沌键控的数字信号的加密通信实验的操作步骤顺序是：(1)、(2)、(4)；其中步骤(1)、(2)既可作为加密通信实验的基础或前序操作，也可作为独立的实验操作内容。

所述步骤(1)中，用示波器观察到的发送端混沌信号产生电路的混沌现象包括有：倍周期分岔、周期窗口、通过倍周期分岔到混沌、单吸引子、双吸引子、阵发混沌。

所述步骤(2)中，在调节单向耦合电路的耦合电阻R_C时，R_C的阻值越小，耦合强度越强，同步效果越好：电阻为零时，同步效果最好；当R_C的阻值为无穷大时，则该电阻两端处于断开状态，没有耦合，不会同步。

本发明是一种利用混沌信号进行数字及模拟信号的加密通信的实验仪器及其使用方法，该教学仪器装置的电路结构简单，只使用了很少量的电路模块制成，成本低廉，容易普及推广。本发明用于高校实验教学课程中，使学生对混沌现象及利用混沌加密通信有一个整体认识，使学生了解科技发展的前沿，以此推动混沌加密通信实验在高校中的发展。此外，本发明装置提供的实验内容丰富，具体实施时，实验内容可灵活选择、组合，能满足不同层次学生的要求。

附图说明

图1是本发明基于混沌同步的加密通信实验装置的电路原理图。

图2是本发明基于混沌同步的加密通信实验装置的面板示意图。

图3是图1中的非线性电阻Rn电路结构图。

图4是本发明基于混沌同步的加密通信实验装置的使用方法操作步骤方框图。

图5是本发明观察混沌信号的同步现象的实验内容电路连接示意图。

图6是用混沌掩盖对模拟信号进行加密通信的实验内容电路连接示意图。

图7是用混沌键控对数字信号进行加密通信的实验内容电路连接示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参见图1，本发明基于混沌同步的加密通信实验装置包括六个电路模块：两个电路结构完全相同的发送端的混沌信号产生电路1和接收端的混沌信号产生电路2(都是电路结构简单、所产生的混沌现象丰富的蔡氏电路)、单向耦合电路3、加法电路4、减法电路5、滤波电路6，以及按钮位于控制面板上的7个开关S1～S7，其中发送端的混沌信号产生电路1中电感元件与地之间串接有开关S5，加法电路的两个输入端分别用作模拟信号输入端和通过开关S1连接发送端的混沌信号产生电路1的输出端(A)，该发送端的混沌信号产生电路1的输出端(B)连接至单向耦合电路3的输入端，该单向耦合电路3的输出端经由开关S3连接至接收端的混沌信号产生电路2的信号输入端(C)，接收端的混沌信号产生电路2的输出端(D)经由开关S2连接至减法电路5的一输入端，该减法电路5的另一输入端通过开关S4连接至加法电路4的输出端，单向耦合电路3的输出端(E)、(F)分别经由开关S6、S7并接在减法电路5的两个输入端，该减法电路5的输出端接至滤波电路6的输入端，滤波电路6的输出端是该装置的总输出端。

本发明装置中的两个混沌信号产生电路1、2都是蔡氏电路：一可变电阻与其两端的两个电容C1、C2组成“∏”型电路，再在该两个电容上分别并接一电感L和一非线性电阻Rn；其中非线性电阻Rn是由两个运放及其外围6个电阻所组成(参见图3)。单向耦合电路3是由运算放大器组成的隔离器和可变电位器Rc组成，其中隔离器用于实现单向耦合，电位器Rc用作耦合电阻，以便实现耦合强度控制。

参见图2，本发明实验装置的控制面板上，直观地绘制了上述电路的各个相关元器件，另外，还设有电源插座、电源总开关和上述六个电路模块的输入/输出信号的多个接线端插孔(分别用空心小圆圈和带有斜线的小圆圈表示)。

为了能够将在实验过程中由于插拔连接线缆而给各个电路带来的不利影响降至最小，本发明装置在发送端的混沌信号产生电路1的输出端与加法电路4之间、接收端的混沌信号产生电路2的输出端与减法电路5之间以及数字信号输入端与发送端的混沌信号产生电路之间都串接有由运算放大器组成的隔离器，该隔离器与单向耦合电路中的隔离器电路结构相同。

参见图4，介绍本发明基于混沌同步的加密通信实验装置的使用方法，其操作步骤如下所示：

(1)观察混沌信号：将发送端混沌信号产生电路的开关S5打到闭合状态，而将其余各个开关都打到断开状态，然后对该装置加电，用电缆分别连接发送端混沌信号产生电路的输出端和示波器的输入端，通过调节该混沌信号产生电路的可变电阻R或电感L，可利用示波器观察该混沌信号产生电路产生的各种混沌现象或相图(电容C1与电容C2上的电压信号，包括倍周期分岔、周期窗口、通过倍周期分岔到混沌、单吸引子、双吸引子、阵发混沌等现象)，认识混沌信号的特点。

(2)利用分别作为驱动系统和响应系统的发送端混沌信号产生电路和接收端混沌信号产生电路，以及它们之间的单向耦合电路进行混沌同步实验，观察混沌信号的同步现象(其实验电路如图5所示)：分别调节可变电阻R或电感L，使发送端和发送端的两个混沌信号产生电路的电路参数基本相同并处于混沌工作状态，再将单向耦合电路的连接开关S3闭合，调节耦合电阻R_C的大小，利用示波器观察该两个混沌信号产生电路实现同步的现象。调节单向耦合电路时，R_C的阻值越小，耦合强度越强，同步效果越好：电阻为零时，同步效果最好；当R_C的阻值为无穷大时，则该电阻两端处于断开状态，没有耦合，不会同步。

(3)用混沌掩盖的加密方法对模拟信号进行加密通信实验(其实验电路如图6所示)：在加法电路的一个输入端输入模拟信号，再分别闭合下述三个连接开关：发送端混沌信号产生电路的输出端与加法电路输入端的开关S1(以将混沌信号输入到加法电路的另一个输入端)，加法电路和减法电路之间的开关S4(以便将通过加法电路相加后实现混沌掩盖后的输出信号——被混沌信号掩盖了的信号，输入到减法电路的一个输入端)，接收端混沌信号产生电路的输出端与减法电路输入端的开关S2(将同步的混沌信号输入到减法电路的另一个输入端)，以便利用减法电路和同步的混沌信号恢复出原来的模拟消息信号，再利用示波器观察经滤波电路后输出的信号以及原始的模拟信号；

(4)用混沌键控的加密方法对数字信号进行加密通信实验(其实验电路如图7所示)：断开发送端混沌信号产生电路中的开关S5，并对其输入数字信号，再分别闭合单向耦合电路两端与减法电路两个输入端之间的两个开关S6、S7，并调节耦合电阻R_C至600～1200欧姆，使得耦合电阻两端的信号作减法，即可在滤波电路后输出端利用示波器观察所恢复的信号以及原来输入的数字信号。

本发明方法的操作步骤(3)、(4)之间的时序是并列的，即观察混沌掩盖的模拟信号的加密通信实验的操作步骤顺序是：步骤(1)、(2)、(3)，观察混沌键控的数字信号的加密通信实验的操作步骤顺序是：(1)、(2)、(4)；其中步骤(1)、(2)既可作为两个加密通信实验的基础或前序操作，也可作为独立的实验操作内容。也就是说，本发明作为一种实验教学仪器，可以进行四项实验内容：

A、利用发送端的混沌信号产生电路或者接收端的混沌信号产生电路观察混沌信号，认识混沌信号的特点。(只需一个操作步骤(1))

B、利用发送端的混沌信号产生电路、单向耦合电路和接收端的混沌信号产生电路进行混沌同步实验。(只需两个操作步骤(1)+(2))

C、用混沌掩盖的加密方法对模拟信号进行加密通信实验。(需要三个操作步骤(1)+(2)+(3))

D、用混沌键控的加密方法对数字信号进行加密通信实验。(需要三个操作步骤(1)+(2)+(4))

在上述的两种信号加密通信实验的传输过程中，传输的消息信号都要求是小信号，解密后的信号经过适当的滤波器处理后再输出。

本发明已经试制成功实验样机，并进行了多次实施试验，实现了发明目的。