具有随机干扰的三阶混沌神经网络保密通信电路

摘要

本发明公开了属于网络通信技术领域的一种具有随机干扰的三阶混沌神经网络保密通信电路。该混沌神经网络保密通信电路包括驱动电路和响应电路；原始明文信号m接入驱动电路HB31的输入端，HB31的三个输出端与响应电路HB28的三个输入端连接；其原始明文信号m接入驱动电路HB31，经HB31加密后产生三阶传送信号：混沌信号x1、混沌信号x2、叠加信号x3+m；本发明可以输出具有随机干扰的三阶混沌信号y1、y2和y3和叠加信号x3+m的时域图及输出的明文信号n的时域图；并在示波器上显示出来；可以用于存在随机干扰情况下的保密通信。实现了在随机干扰条件下的明文信号的加密传送功能。

说明书

技术领域

本发明属于网络通信技术领域，特别涉及一种具有随机干扰的三阶混沌神经 网络保密通信电路。

背景技术

混沌神经网络是一类具有复杂动力学特性的网络模型，其简单的结构易于用 电路实现，因此在保密通信领域具有广阔的发展前景。在理想状态下，现有技术 已经能很好地实现混沌神经网络电路的保密通信功能，但是对于随机干扰条件下 的保密通信电路却很少有人涉及，由于随机干扰在现实生活中无处不在，所以有 必要研究具有随机干扰的混沌神经网络保密通信电路。如专利号为 200810129217.7的专利《一种混沌遮掩保密通信电路》实现了一种蔡氏电路遮掩 的保密通信方案，但不是具有随机干扰条件下的保密通信方案，这是现有技术的 不足之处。

发明内容

本发明的目的提出一种具有随机干扰的三阶混沌神经网络遮掩的保密通信 电路，其特征在于，该混沌神经网络保密通信电路包括驱动电路和响应电路； 原始明文信号m接入驱动电路HB31的输入端m，HB31的三个输出端x1、x2、x3+m 与响应电路HB28的三个输入端x1、x2、x3+m连接；其原始明文信号m接入驱动 电路HB31，经HB31加密后产生三阶传送信号：混沌信号x1、混沌信号x2、叠加 信号x3+m；三阶传送信号经过传送通道传输到响应电路，响应电路解密处理得到 恢复明文信号n；恢复明文信号n为频率100Hz，幅值1V的正弦信号。

所述驱动电路是：由三个运算放大器U17、U18、U16构成三个积分电路，分 别输出混沌信号x1、x2和x3；三个运算放大器的反相输入端分别连接由加法模 块、激励模块和取反模块依次连接组成的信号处理电路；具体连接方式包括：

(1)混沌信号x1接入加法模块HB19的输入端IO2，随机模块HB1的输出端 out和加法模块HB19的输入端IO1相接，HB19的输出端IO3分别连接电阻R47 一端和激励模块HB10的输入端x；R47另一端接入U17的反相输入端2；HB10 的输出端tanhx分别与取反模块HB11的输入端in相接和通过R54连接到U16的 反相输入端2；HB11的输出端out与电阻R46的一端相接，R46的另一端接入U17 的反相输入端2；HB11的输出端out与电阻R50的一端相接，R50的另一端接入 U18的反相输入端2；U17的反相输入端2和U17的输出端1之间接入电容C1， U17的输入端3接地；

(2)混沌信号x2接入加法模块HB18的输入端IO1，随机模块HB3的输出端 out和加法模块HB18的输入端IO2相接；HB18的输出端IO3分别与激励模块HB14 的输入端x和电阻R49的一端相接，R49的另一端连接U18的反相输入端2；HB14 的输出端tanhx分别与电阻R48的一端、电阻R55的一端和取反模块HB15的输 入端in相接，电阻R48的另一端接入U17的反相输入端2，电阻R55的另一端接 入U16的反相输入端2；HB15的输出端out与电阻R51的一端相接，R51的另一 端接入U18的反相输入端2；U18的反相输入端2和U18的输出端1之间接入电 容C2，U18的输入端3接地；

(3)混沌信号x3分别与激励模块HB16的输入端x和加法模块HB20的一个输 入端IO2相接，激励模块HB16的输入端x和电阻R53的一端连接，电阻R53的 另一端连接U16的反相输入端2；HB16的输出端tanhx与取反模块HB17的输入 端in相接，HB17的输出端tanhx分别通过电阻R52、电阻R56接入U18的反相 输入端2和U16的反相输入端2；其中HB20的另一个输入端IO1与驱动电路的输 入端m连接，HB20的输出端IO3接入驱动电路的输出端x3+m；U16的反相输入端 2和U16的输出端1之间接入电容C3，U16的输入端3接地。

所述响应电路是：由三个运算放大器U39、U40、U41构成三个积分电路，分别输 出混沌信号y1、y2和y3；三个运算放大器的反相输入端分别连接由加法模块、 激励模块和取反模块依次连接组成的信号处理电路；U39、U40和U41的第8脚并 联后接+15V电源S1，U39、U40和U41的第4脚并联后接-15V电源S2；具体连接 方式包括：

(1)混沌信号y1接入减法模块HB12的输入端IO1，驱动电路输出端x1接入 减法模块HB12的输入端IO2，HB12的输出端IO3接入电阻R161的一端相接，R161 的另一端接入U39的反相输入端2；

(2)混沌信号y1接入加法模块HB25的输入端IO2，随机模块HB5的输出端 out和加法模块HB25的输入端IO1相接，HB25的输出端IO3分别与激励模块HB2 的输入端x和电阻R127一端相接，R127另一端接入U39的反相输入端2；HB2 的输出端tanhx分别与取反模块HB7的输入端in和电阻R134一端相接，电阻R134 的另一端和U41的反相输入端2相接；HB7的输出端out分别与电阻R126的一 端和电阻R130的一端相接，电阻R126的另一端接入U39的反相输入端2，电阻 R130的另一端接入U40的反相输入端2；U39的反相输入端2和U39的输出端1 之间接入电容C4，U39的输入端3接地；

(3)混沌信号y2接入加法模块HB24的输入端IO1，随机模块HB13的输出端 out和加法模块HB24的输入端IO2相接，HB24的输出端IO3分别与激励模块HB4 的输入端x和电阻R129一端相接，R129另一端接入U40的反相输入端2；HB4 的输出端tanhx分别与取反模块HB8的输入端in、电阻R128一端和电阻R135 一端相接，电阻R135的另一端和U41的反相输入端2相接，R128的另一端接入 U39的反相输入端2；混沌信号y2接入减法模块HB27的输入端IO1，驱动电路输 出端x2接入减法模块HB27的输入端IO2，HB27的输出端103通过R168接入U40 的反相输入端2；U40的反相输入端2和U40的输出端1之间接入电容C5，U40 的输入端3接地；

(4)混沌信号y3接入激励模块HB6的输入端x和混沌信号y3通过电阻R133 接入U41的反相输入端2，HB6的输出端tanhx与取反模块HB9的输入端in连接， HB9的输出端out分别与电阻R132一端和电阻R136一端相接，R132的另一端接 入U40的反相输入端2；电阻R136的另一端和U41的反相输入端2相接；U41 的反相输入端2和U41的输出端1之间接入电容C6，U41的输入端3接地；混沌 信号y3接入减法模块HB32的输入端IO2，HB32的输入端IO1接入驱动电路输出 端x3+m；HB32的输出端IO3为响应电路输出端n。

所述加法模块的一个输入端IO1和电阻R111的一端相接，另一个输入端IO2 和电阻R112的一端相接，电阻R111的另一端和R112的另一端共同接入第一级 运算放大器U37的反相输入端2，第一级运算放大器U37的反相输入端2和输出 端1之间接入电阻R113，U37的同相输入端接地；第一级运算放大器U37的输 出端1和电阻R114的一端相接，R114的另一端与第二级运算放大器U38的反相 输入端2相接，U38的同相输入端3接地，U38的反相输入端2和输出端1之间 接入电阻R115，U38的输出端为加法模块电路的输出端IO3；所述加法模块的输 出端IO3的信号是两个输入端IO1和IO2的信号之和。

所述取反模块的输入端in与电阻R84的一端相接，R84的另一端和运算放大 器U28的反相输入端2相接，U28的同相输入端3接地，U28的反相输入端2和 输出端1接入电阻R85，U28的输出端1为取反电路输出端out；所述取反模块的 输出端out的信号和输入端in的信号符号相反。

所述激励模块输入端为x，和1V的直流电压分别接入加法模块HB21的两个输 入端IO2和IO1，HB21输出端IO3和电阻R57的一端相接，电阻R57的另一端和 运算放大器U19的反相输入端2相接，U19的同相输入端3与直流电压源V13的 负极相接，V13的正极接地，U19的反相输入端2和输出端1之间接入电阻R58， U19的输出端接入三极管Q7的基极，Q7的集电极与电阻R59的一端相接，R59 的另一端接入直流电压S3，Q7的发射极与三极管Q8的发射极相接，共同接入电 流源I4的负极，电流源I4的正极接地，Q8的集电极与电阻R61的一端相接，R61 的另一端接入直流电压S3，Q8的基极接地，Q7的集电极与电阻R60一端相接， R60的另一端与运算放大器U21的同相输入端3相接，电阻R83一端接地，另一 端接入U21的同相输入端3，Q8的集电极与电阻R81的一端相接，R81的另一端 与U21的反相输入端2相接，U21的反相输入端2和输出端1之间接入电阻R82； U19和U21的第8脚并联后接+15V电源S1，U19和U21的第4脚并联后接-15V 电源S2；U21的输出1为激励模块的输出端tanhx，所述激励模块的输出端tanhx 的信号和输入端x的信号之间满足双曲正切函数关系。

所述减法模块输入端IO1与电阻R62相接，R62另一端接运算放大器U461 的同相输入端，电阻R812一端与U461同相输入端相接，另一端接地；减法模块 输入端IO2与电阻R63相接，R63另一端与U461反相输入端相接，U461反相输 入端和输出端之间接电阻R64，U461输出端为减法模块的输出端IO3；所述减法 模块的输出端IO3的信号是两个输入端IO1和IO2之差。

所述随机模块的电路组成是：多个电阻热噪音模块串联，负极接地，正极 与电阻R1一端相接，R1的另一端和运算放大器U1的反相输入端6相接，U1的 同相输入端5接地，U1的反相输入端6和输出端7之间接入电阻R2，U1的输出 端7和电阻R3的一端相接，R3的另一端接入运算放大器U2的反相输入端6，U2 的同相输入端5接地，U2的反相输入端6和输出端7之间接入电阻R4，U2的输 出端7与电阻R5的一端相接，R5的另一端接入运算放大器U3的反相输入端6， U3的同相输入端5接地，电压源S5与电阻R6的一端相接，R6的另一端接入U3 的反相输入端6，U3的反相输入端6和输出端7之间接入电阻R7，U3的输出端7 为随机模块的输出端out；所述随机模块的输出端out输出随机干扰信号。

本发明的有益效果是：可以输出具有随机干扰的三阶混沌信号y1、y2和y3 和叠加信号x3+m的时域图及输出的明文信号n的时域图；并在示波器上显示出 来；可以用于存在随机干扰情况下的保密通信。

附图说明

图1是保密通信方案原理图。

图2是驱动电路原理图。

图3是响应电路原理图。

图4是加法模块原理图。

图5是激励模块原理图。

图6是取反模块原理图。

图7是减法模块原理图。

图8是随机模块原理图。

图9是驱动电路混沌吸引子投影图x1-x2。

图10是驱动电路输出的叠加信号x3+m的时域图。

图11是响应电路输出的明文信号n的时域图。

图12是发送装置原始明文信号m与接收装置恢复明文信号n的误差图示意 图。

具体实施方式

本发明提出一种具有随机干扰的三阶混沌神经网络遮掩的保密通信电路，下 面结合附图予以说明。

图1所示是保密通信方案原理图。该混沌神经网络保密通信电路包括驱动电 路和响应电路；原始明文信号m接入驱动电路HB31的输入端m，HB31的三个输 出端x1、x2、x3+m与响应电路HB28的三个输入端x1、x2、x3+m连接；其原始 明文信号m接入驱动电路HB31，经HB31加密后产生三阶传送信号：混沌信号x1、 混沌信号x2、叠加信号x3+m；三阶传送信号经过传送通道传输到响应电路，响 应电路解密处理得到恢复明文信号n；恢复明文信号n为频率100Hz，幅值1V 的正弦信号。

图所示2是驱动电路原理图。所述驱动电路是：由三个运算放大器U17、U18、 U16构成三个积分电路，分别输出混沌信号x1、x2和x3；三个运算放大器的反 相输入端分别连接由加法模块、激励模块和取反模块依次连接组成的信号处理电 路；具体连接方式包括：

(1)混沌信号x1接入加法模块HB19的输入端IO2，随机模块HB1的输出端out 和加法模块HB19的输入端IO1相接，HB19的输出端IO3分别连接电阻R47一端 和激励模块HB10的输入端x；R47另一端接入U17的反相输入端2；HB10的输 出端tanhx分别与取反模块HB11的输入端in相接和通过R54连接到U16的反相 输入端2；HB11的输出端out与电阻R46的一端相接，R46的另一端接入U17的 反相输入端2；HB11的输出端out与电阻R50的一端相接，R50的另一端接入U18 的反相输入端2；U17的反相输入端2和U17的输出端1之间接入电容C1，U17 的输入端3接地；

(2)混沌信号x2接入加法模块HB18的输入端IO1，随机模块HB3的输出端 out和加法模块HB18的输入端IO2相接；HB18的输出端IO3分别与激励模块HB14 的输入端x和电阻R49的一端相接，R49的另一端连接U18的反相输入端2；HB14 的输出端tanhx分别与电阻R48的一端、电阻R55的一端和取反模块HB15的输 入端in相接，电阻R48的另一端接入U17的反相输入端2，电阻R55的另一端接 入U16的反相输入端2；HB15的输出端out与电阻R51的一端相接，R51的另一 端接入U18的反相输入端2；U18的反相输入端2和U18的输出端1之间接入电 容C2，U18的输入端3接地；

(3)混沌信号x3分别与激励模块HB16的输入端x和加法模块HB20的一个输 入端IO2相接，激励模块HB16的输入端x和电阻R53的一端连接，电阻R53的 另一端连接U16的反相输入端2；HB16的输出端tanhx与取反模块HB17的输入 端in相接，HB17的输出端tanhx分别通过电阻R52、电阻R56接入U18的反相 输入端2和U16的反相输入端2；其中HB20的另一个输入端IO1与驱动电路的输 入端m连接，HB20的输出端IO3接入驱动电路的输出端x3+m；U16的反相输入端 2和U16的输出端1之间接入电容C3，U16的输入端3接地。

图3所示是响应电路原理图。所述响应电路是：由三个运算放大器U39、U40、U41 构成三个积分电路，分别输出混沌信号y1、y2和y3；三个运算放大器的反相输 入端分别连接由加法模块、激励模块和取反模块依次连接组成的信号处理电路； U39、U40和U41的第8脚并联后接+15V电源S1，U39、U40和U41的第4脚并联 后接-15V电源S2；具体连接方式包括：

(1)混沌信号y1接入减法模块HB12的输入端IO1，驱动电路输出端x1接入 减法模块HB12的输入端IO2，HB12的输出端IO3接入电阻R161的一端相接，R161 的另一端接入U39的反相输入端2；

(2)混沌信号y1接入加法模块HB25的输入端IO2，随机模块HB5的输出端 out和加法模块HB25的输入端IO1相接，HB25的输出端IO3分别与激励模块HB2 的输入端x和电阻R127一端相接，R127另一端接入U39的反相输入端2；HB2 的输出端tanhx分别与取反模块HB7的输入端in和电阻R134一端相接，电阻R134 的另一端和U41的反相输入端2相接；HB7的输出端out分别与电阻R126的一 端和电阻R130的一端相接，电阻R126的另一端接入U39的反相输入端2，电阻 R130的另一端接入U40的反相输入端2；U39的反相输入端2和U39的输出端1 之间接入电容C4，U39的输入端3接地；

(3)混沌信号y2接入加法模块HB24的输入端IO1，随机模块HB13的输出端 out和加法模块HB24的输入端IO2相接，HB24的输出端IO3分别与激励模块HB4 的输入端x和电阻R129一端相接，R129另一端接入U40的反相输入端2；HB4 的输出端tanhx分别与取反模块HB8的输入端in、电阻R128一端和电阻R135 一端相接，电阻R135的另一端和U41的反相输入端2相接，R128的另一端接入 U39的反相输入端2；混沌信号y2接入减法模块HB27的输入端IO1，驱动电路输 出端x2接入减法模块HB27的输入端IO2，HB27的输出端103通过R168接入U40 的反相输入端2；U40的反相输入端2和U40的输出端1之间接入电容C5，U40 的输入端3接地；

(4)混沌信号y3接入激励模块HB6的输入端x和混沌信号y3通过电阻R133 接入U41的反相输入端2，HB6的输出端tanhx与取反模块HB9的输入端in连接， HB9的输出端out分别与电阻R132一端和电阻R136一端相接，R132的另一端接 入U40的反相输入端2；电阻R136的另一端和U41的反相输入端2相接；U41 的反相输入端2和U41的输出端1之间接入电容C6，U41的输入端3接地；混沌 信号y3接入减法模块HB32的输入端IO2，HB32的输入端IO1接入驱动电路输出 端x3+m；HB32的输出端IO3为响应电路输出端n。

图4所示是加法模块原理图，所述加法模块的一个输入端IO1和电阻R111的 一端相接，另一个输入端IO2和电阻R112的一端相接，电阻R111的另一端和R112 的另一端共同接入第一级运算放大器U37的反相输入端2，第一级运算放大器U37 的反相输入端2和输出端1之间接入电阻R113，U37的同相输入端接地；第一 级运算放大器U37的输出端1和电阻R114的一端相接，R114的另一端与第二级 运算放大器U38的反相输入端2相接，U38的同相输入端3接地，U38的反相输 入端2和输出端1之间接入电阻R115，U38的输出端为加法模块电路的输出端 IO3；所述加法模块的输出端IO3的信号是两个输入端IO1和IO2的信号之和。

图5所示是激励模块原理图。所述激励模块输入端为x，和1V的直流电压分 别接入加法模块HB21的两个输入端IO2和IO1，HB21输出端IO3和电阻R57的 一端相接，电阻R57的另一端和运算放大器U19的反相输入端2相接，U19的同 相输入端3与直流电压源V13的负极相接，V13的正极接地，U19的反相输入端2 和输出端1之间接入电阻R58，U19的输出端接入三极管Q7的基极，Q7的集电极 与电阻R59的一端相接，R59的另一端接入直流电压S3，Q7的发射极与三极管 Q8的发射极相接，共同接入电流源I4的负极，电流源I4的正极接地，Q8的集 电极与电阻R61的一端相接，R61的另一端接入直流电压S3，Q8的基极接地，Q7 的集电极与电阻R60一端相接，R60的另一端与运算放大器U21的同相输入端3 相接，电阻R83一端接地，另一端接入U21的同相输入端3，Q8的集电极与电阻 R81的一端相接，R81的另一端与U21的反相输入端2相接，U21的反相输入端2 和输出端1之间接入电阻R82；U19和U21的第8脚并联后接+15V电源S1，U19和 U21的第4脚并联后接-15V电源S2；U21的输出1为激励模块的输出端tanhx， 所述激励模块的输出端tanhx的信号和输入端x的信号之间满足双曲正切函数关 系。

图6所示是取反模块原理图。所述取反模块的输入端in与电阻R84的一端相 接，R84的另一端和运算放大器U28的反相输入端2相接，U28的同相输入端3 接地，U28的反相输入端2和输出端1接入电阻R85，U28的输出端1为取反电路 输出端out；所述取反模块的输出端out的信号和输入端in的信号符号相反。

图7所示是减法模块原理图。所述减法模块输入端IO1与电阻R62相接，R62 另一端接运算放大器U461的同相输入端，电阻R812一端与U461同相输入端相 接，另一端接地；减法模块输入端IO2与电阻R63相接，R63另一端与U461反相 输入端相接，U461反相输入端和输出端之间接电阻R64，U461输出端为减法模块 的输出端IO3；所述减法模块的输出端IO3的信号是两个输入端IO1和IO2之差。

图8所示是随机模块原理图。所述随机模块的电路组成是：多个电阻热噪 音模块串联，负极接地，正极与电阻R1一端相接，R1的另一端和运算放大器U1 的反相输入端6相接，U1的同相输入端5接地，U1的反相输入端6和输出端7 之间接入电阻R2，U1的输出端7和电阻R3的一端相接，R3的另一端接入运算放 大器U2的反相输入端6，U2的同相输入端5接地，U2的反相输入端6和输出端 7之间接入电阻R4，U2的输出端7与电阻R5的一端相接，R5的另一端接入运算 放大器U3的反相输入端6，U3的同相输入端5接地，电压源S5与电阻R6的一 端相接，R6的另一端接入U3的反相输入端6，U3的反相输入端6和输出端7之 间接入电阻R7，U3的输出端7为随机模块的输出端out；所述随机模块的输出端 out输出随机干扰信号。

实施例

将图1中驱动电路输出端的混沌信号x1、x2接入示波器中，并采用相图的 显示方式，可以得到混沌相图x1-x2(如图9所示)；将驱动电路输出端的叠加信 号x3+m接入示波器中，可以得到x3+m的时域图(如图10所示)；将附图1中响 应电路输出端的明文信号n接入示波器中，可以得到n的时域图(如图11所示)； 将图1中的原始明文信号m和恢复明文信号n分别接入减法模块的两个输入端， 减法模块输出端接入示波器，可以得到如图12所示的发送装置原始明文信号m 与接收装置恢复明文信号n的误差示意图。

本专利实施的元器件参数为：运算放大器型号为LM358，三极管型号为2N1711， 电压源s1＝15V，s2＝-15V，s3＝12V，s4＝1V，s5＝-0.838V，V13＝-49.4mV，I4＝1.1mA， 电阻热噪音电阻为1kΩ，温度为100℃，频率为1MHz，电容C1＝C2＝C3＝C4＝C5＝C6＝1 μF。驱动电路：R47＝R48＝R49＝1kΩ，R46＝R53＝0.5kΩ，R50＝0.5882kΩ， R51＝0.5848kΩ，R52＝0.9091kΩ，R54＝0.4kΩ，R55＝0.3448kΩ，R56＝0.8621kΩ； 响应电路：R127＝R128＝R129＝1kΩ，R126＝R133＝0.5kΩ，R130＝0.5882kΩ， R131＝0.5848kΩ，R132＝0.9091kΩ，R134＝0.4kΩ，R135＝0.3448kΩ，R136＝0.8621k Ω，R161＝R168＝0.1kΩ；加法模块：R111＝R112＝R113＝R114＝R115＝1kΩ；激励模 块：R60＝R57＝R81＝R82＝R83＝10kΩ，R58＝520Ω，R59＝R61＝1kΩ；取反模块： R84＝R85＝1.0kΩ；减法模块：R62＝R63＝R64＝R812＝1.0kΩ；随机模块：R1＝1Ω， R2＝R3＝100Ω，R4＝25kΩ，R5＝R6＝R7＝1kΩ。