网状形多涡卷混沌电路及产生多涡卷的方法

摘要

本发明公开了一种网状形多涡卷混沌电路及产生多涡卷的方法。涉及混沌系统。该混沌电路由三阶自治电路N1、由符号函数组成的分段函数序列发生器N2、三角波函数序列发生器N3和相位控制器N4构成。三角波函数序列发生器控制混沌电路产生一个网格，由符号函数组成的分段函数序列发生器控制网格节点处的涡卷个数。当开关k1接通、开关k2、k3断开时，在网格的每个节点处有1个涡卷，总共4个涡卷；当开关k2接通、开关k1、k3断开时，在网格的节点处有2个涡卷，总共8个涡卷；当开关k3接通、开关k1、k2断开时，在网格的节点处有3个涡卷，总共12个涡卷。本发明可广泛用于保密通信。

说明书

技术领域

本发明涉及一种混沌电路，具体涉及保密通信中的网状形多涡卷混沌电路。本发明还涉及网状形多涡卷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非线性电路与系统科学研究的一个新领域，目前混沌电路研究已取得了一系列相关的成果，涡卷混沌信号发生器，四阶网格状多环面混沌电路，多螺旋混沌产生器，多折叠环面混沌电路，三维多卷波混沌电路，产生多环绕卷波混沌电路，多涡卷混沌信号发生装置等。

近年来，在研究一维多涡卷混沌吸引子的基础上，人们还进一步提出了产生二维、三维和四维多涡卷混沌吸引子的一些新方法。

如公开号为CN101183929A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种产生多环绕线卷波的混沌电路及实现方法。能产生一维多涡卷混沌吸引子。又如公开号为CN1787429A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种三维多卷波混沌电路。能产生三维多涡卷混沌吸引子。如公开号为CN1744487A的中国发明专利申请公开说明书公开了一种四阶网格状多环面混沌电路及其使用方法。能产生四维多涡卷混沌吸引子。

总之可以归纳为两类，一类是一维多涡卷产生混沌吸引子，涡卷个数排列在一条直线上。另一类是二维、三维和四维多涡卷产生混沌吸引子，在网格节点处呈现涡卷，且每个网格节点处仅呈现一个涡卷。

上述两类多涡卷混沌电路在网格的节点处只能产生一个涡卷，而不能在网格的节点处产生多个涡卷。因此，用于混沌保密通讯还存在局限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术多涡卷混沌电路在网格的节点处只能产生一个涡卷的缺陷，设计了一种网状形多涡卷混沌电路，该电路在网格每个节点处产生的涡卷个数可变，从而获得网状形多涡卷混沌吸引子。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种网状形多涡卷混沌电路，该混沌电路包括，三阶自治电路N1、由符号函数组成的分段函数序列发生器N2、三角波函数序列发生器N3和相位控制器N4。所述的三阶自治电路N1由两个加法放大器(OP1、OP7)、三个积分器(OP2、OP5、OP8)和反相放大器(OP3、OP6、OP9)分别级联构成，三阶自治电路N1的第一输出端(-v₁)，和第二输出端(-v₂)分别连接三角波函数序列发生器N3的第一输入端(e)，和第二输入端(d)，三角波函数序列发生器N3由两个相同的子模块Nx和子模块Ny构成，子模块Nx的输出端(f)连接相位控制模块N4的输入端(h)，相位控制器N4的输出端(p)连接三阶自治电路N1的第二输入端(c₂)，子模块Ny的输出端(g)连接三阶自治电路N1的第三输入端(c₃)；三阶自治电路N1的输出端(v₃)连接由符号函数组成的分段函数序列发生器N2的输入端(a)，由符号函数组成的分段函数序列发生器N2的输出端(b)连接三阶自治电路N1的第一输入端(c₁)。

由子模块Nx和子模块Ny产生三角波信号的斜率线性段，其中，由子模块中第二放大器及连接在其反相输入端的电阻确定转折点电压值，由连接在第一放大器反相输入端第二放大器输出端之间的电阻值确定三角波信号的负斜率线性段，由连接在第二放大器反相输入端的电阻值、以及连接在第一放大器反相输入端第二放大器输出端之间的电阻值共同确定三角波信号正斜率线性段。

分段函数序列发生器N2由多个子模块N21、N22、N23并联构成，每个子模块输出端分别通过开关k₁、k₂、k₃连接在三阶自治电路的第一输入端(c₁)；子模块N21控制网格的每个节点处产生1个涡卷；子模块N22控制网格的每个节点处产生2个涡卷；子模块N23控制网格的每个节点处产生3个涡卷

本发明还提出一种产生网状形多涡卷混沌信号的方法，具体包括步骤，网状形多涡卷混沌电路中三阶自治电路的第一、第二输出端输出网状形多涡卷，分别送入三角波函数序列发生器N3的输入端e和输入端d，三角波函数序列发生器N3中的两个子模块Nx和Ny分别产生三角波信号，通过相位控制器N4输出一个相位相反的信号，送入三阶自治电路N1的第二输入端(c2)，分段函数序列发生器N2中子模块控制网格的每个节点处产生多个涡卷混沌信号。

本发明与现有技术相比，通过三角波函数序列发生器子模块Nx和子模块Ny能产生网格，由符号函数组成的分段函数序列发生器控制网格的每个节点处的涡卷个数，符号函数组成的分段函数序列发生器由多个子电路构成，分别连接不同的子模块，从而获得不同网状形多涡卷混沌信号。本发明的网状形多涡卷中每个节点处的涡卷个数可变，而一般的网格多涡卷在节点处只有一个涡卷，因此，本发明的网状形多涡卷混沌电路产生的混沌信号的动力学行为更复杂、更丰富，应用于保密通信，能提高保密通信的安全性。

附图说明

图1为网状形多涡卷混沌电路原理框图；

图2为网状形多涡卷混沌电路原理图；

图3为网格节点处产生的一涡卷在v₁-v₂平面上相图的电路仿真结果；

图4为网格节点处产生的二涡卷在v₁-v₂平面上相图的电路仿真结果；

图5为网格节点处产生的三涡卷在v₁-v₂平面上相图的电路仿真结果；

具体实施方式

以下针对附图和具体实例对本发明的实施进行具体说明。图1所示本发明为网状形多涡卷混沌电路信号流程图；

该混沌电路包括，三阶自治电路N1、由符号函数组成的分段函数序列发生器N2、三角波函数序列发生器N3和相位控制器N4四个部分。

三阶自治电路N1的第一输出端(-v₁)和第二输出端(-v₂)分别连接三角波函数序列发生器N3的第一输入端(e)和第二输入端(d)，三角波函数序列发生器N3包括两个相同的子模块，分别为子模块Nx和子模块Ny，子模块Nx的输出端(f)连接相位控制器N4的输入端(h)，相位控制器N4的输出端(p)连接三阶自治电路N1的第二输入端(c₂)，子模块Ny的输出端(g)连接三阶自治电路N1的第三输入端(c₃)；三阶自治电路N1的第三输出端(v₃)连接由符号函数组成的分段函数序列发生器N2的输入端(a)，由符号函数组成的分段函数序列发生器N2的输出端(b)连接三阶自治电路N1的第一输入端(c₁)。

以下以一具体电路实例进一步说明本发明多涡卷混沌电路的实现方式，图2所示本发明为网状形多涡卷混沌电路原理图。

电路原理图中的运算放大器均可采用TL082CD，其输出饱和电压值|V_sat|＝13.5伏特。三阶自治电路N1由两个加法放大器(OP1、OP7)、三个积分器(OP2、OP5、OP8)和反相放大器(OP3、OP6、OP9)分别级联构成。其中，三阶自治电路N1的第三输入端(c₃)和第三输出端(v₃)通过电阻接入加法放大器OP1的反相输入端，加法放大器OP1的输出端通过电阻R₁接入积分器OP2反相输入端，积分器OP2输出端通过电阻接入反相放大器OP3的反相输入端，反相放大器OP3的输出端(-v₁)连接三角波函数序列发生器N3的第一输入端(e)；三阶自治电路N1的第一输入端(c₁)通过电阻R₂接入积分器OP5反相输入端，积分器OP5输出端通过电阻接入反相放大器OP6的反相输入端，反相放大器OP6的输出端(-v₂)连接三角波函数序列发生器N3的第二输入端(d)；三阶自治电路N1的第二输入端(c₁)与反相放大器OP9的输出端通过电阻接入加法放大器OP7的反相输入端，加法放大器OP7的输出端通过电阻R₃接入积分器OP8反相输入端，积分器OP8输出端(v₃)连接由符号函数组成的分段函数序列发生器N2的输入端(a)、三阶自治电路N1的第一输入端(c₁)以及通过电阻接入反相放大器OP9的反相输入端，反相放大器OP9的输出端通过电阻接入加法放大器OP7的反相输入端。

三阶自治电路的第一、第二输出端(-v₁和-v₂)输出网状形多涡卷，分别送入三角波函数序列发生器N3的输入端e和d，三角波函数序列发生器N3包含两个相同的子模块Nx和Ny，每个子模块都能产生三角波信号，其中e为子模块Nx的输入端，d为子模块Ny的输入端，子模块Nx或Ny由两个放大器(OP11、OP12或OP13、OP14)构成。其中，由子模块中第二放大器及连接在其反相输入端的电阻确定三角波信号转折点电压值，由连接在第一放大器反相输入端与第二放大器输出端之间的电阻值确定三角波信号的负斜率线性段，由连接在第二放大器反相输入端的电阻值、以及连接在第一放大器反相输入端与第二放大器输出端之间的电阻值共同确定三角波正斜率线性段。

以子模块Ny为例进行说明，在子模块Ny中，由第二放大器OP14及连接在其反相输入端的电阻R₁₇、R₁₈确定转折点电压值，连接在第一放大器OP13反相输入端与第二放大器OP14输出端之间的电阻R₁₅产生三角波的负斜率线性段，由电阻R₁₅、R₁₇、R₁₈共同产生三角波正斜率线性段。

以相关参数取如下值进行举例说明，R₁₄为电压-电流转换电阻，当R₁₄＝13.5KΩ。R₁₆为附加电压V_E的平衡电阻，R₁₆＝1KΩ，V_E＝1V。转折点电压值由R₁₇、R₁₈及其相连的放大器(OP14)来决定，其电压值为R₁₈×|V_sat|/R₁₇。由于|V_sat|＝13.5伏特，当转折点电压值0.02伏特时，可取R₁₇＝200KΩ，R₁₈＝300Ω。R₁₇，R₁₈与线性电阻R₁₅共同产生三角波正斜率线性段，线性电阻R₁₅可产生三角波的负斜率线性段。

相位控制器N4是一个反相器，其目的是使输入的信号反相，因此子模块Nx输出的信号，通过相位控制器N4，从相位控制器N4输出一个相位相反的信号，送入三阶自治电路N1的第二输入端(c2)。三阶自治电路N1的第三输出端(v₃)连接由符号函数组成的分段函数序列发生器N2的输入端(a)，分段函数序列发生器N2的输出端(b)连接三阶自治电路N1的第一输入端(c₁)。

由符号函数组成的分段函数序列发生器N2由多个子模块N21、N22、N23输入端并联构成。每个子模块输出端分别通过开关k₁、k₂、k₃连接在三阶自治电路的第一输入端(c₁)。

子模块N21由一个电位器R₂₁构成，控制网格的每个节点处产生1个涡卷。闭合开关k₁，断开开关k₂，k₃，调节电阻R₂₁，可使网格的每个节点处产生1个涡卷。

子模块N22控制网格的每个节点处产生2个涡卷。子模块N22由一个电位器R₂₂和一个放大器(OP15)串联构成，当放大器(OP15)反相输入端的电压由负电压变换为正电压时，其输出端电压由正的饱和电压(V_sat)变换为负的饱和电压(-V_sat)，反之亦然。子模块N22的输出端通过开关k₂连接三阶自治电路的第一输入端(c₁)，闭合开关k₂，断开开关k₁，k₃，调节电位器R₂₂，可使网格的每个节点处产生2个涡卷。

子模块N23控制网格的每个节点处产生3个涡卷。子模块N23由两个放大器(OP16、OP17)构成，负电压通过分压电阻R₂₅和R₂₆接入放大器OP16的正相输入端，正电压通过分压电阻R₂₉和R₃₀接入放大器OP17的正相输入端，放大器OP16和OP17的反相输入端连接N1的第三输入输出端(v₃)。放大器OP16和OP17的输出端分别通过电阻R₂₄和R₂₈以及开关k3接入放大器OP4的反相输入端。当放大器(OP17)反相输入端的电压增大，由小于电压R₃₀E₁/(R₂₉+R₃₀)变为大于电压R₃₀E₁/(R₂₉+R₃₀)时，当放大器(OP17)反相输入端的电压与电压R₃₀E₁/(R₂₉+R₃₀)之差由负电压变换为正电压时，其输出端电压由正的饱和电压(V_sat)变换为负的饱和电压(-V_sat)，反之亦然，其中E₁＝15伏特；当放大器(OP16)反相输入端的电压增大，由小于与电压R₂₆E₂/(R₂₅+R₂₆)变为大于电压R₂₆E₂/(R₂₅+R₂₆)时，当放大器(OP16)反相输入端的电压与电压R₂₆E₂/(R₂₅+R₂₆)之差由负电压变换为正电压时，其输出端电压由正的饱和电压(V_sat)变换为负的饱和电压(-V_sat)，反之亦然，其中E₂＝-15伏特；子模块N23的输出端通过开关k₃连接三阶自治电路的输入端(c₁)，闭合开关k₃，断开开关k₁，k₂，调节电位器R₂₄＝R₂₈＝450KΩ，可使网格的每个节点处产生3个涡卷。

产生涡卷的方法如下：

(1)当第一开关(k1)接通、第二和第三开关(k2、k3)断开时，在网格的每个节点处有1个涡卷，总共4个涡卷；

(2)当第二开关(k2)接通、第一和第二开关(k1、k3)断开时，在网格的每个节点处有2个涡卷，总共8个涡卷；

(3)当第三开关(k3)接通、第一和第二开关(k1、k2)断开时，在网格的每个节点处有3个涡卷，总共12个涡卷。

图3为网格节点处产生的一涡卷在v₁-v₂平面上相图的电路仿真结果；图4为网格节点处产生的二涡卷在v₁-v₂平面上相图的电路仿真结果；图5为网格节点处产生的三涡卷在v₁-v₂平面上相图的电路仿真结果。从图3、图4和图5可以看出，本发明的网状形多涡卷的每个节点处的涡卷个数可变，而且动力学行为复杂，应用于保密通信，能提高保密通信的安全性。