基于蔡氏电路的通信保密系统的设计.doc
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1、混沌理论自上世纪70年代兴起以来于和各学科相互渗透,成为了各个领域内研究热点。在信息科学高度发达今天,信息安全也和大家生活息息相关,信息安全、无损传输不仅对于军事相关键意义,对于大家生活影响也是巨大。混沌系统所含有系统对于初始参数、系统参数极为敏感、混沌信号类似噪声等特点均适适用于通信保密。利用混沌系统产生混沌信号对信号进行掩盖保密传输含有可行性和实用性。伴随现代科学技术发展,计算机仿真技术得到广泛利用使得系统设计分析愈加轻易,本文经过采取Multisim和Matlab仿真技术对混沌电路和通信保密系统特征进行验证、分析。蔡氏电路是混沌理论转化为实际电路模型经典电路,蔡氏电路含有完整混沌系统特征
2、,所以蔡氏电路得到广泛研究和利用。本文首先经过对蔡氏电路微分方程组利用Matlab进行数值求解,绘出对应状态变量相轨迹图。利用Multisim搭建仿真电路原理图,一样绘出对应状态变量相轨迹图,并和Matlab结果进行对比,确保仿真原理图所选元件参数能够满足蔡氏电路微分方程特征。在Multisim提供仿真环境下,无法直接观察电感电流波形图,本文经过串联一个微小电阻,经过观察电阻两侧电压作为电感电流信号。调整蔡氏电路参数,研究不一样参数下电路特征,分析系统参数对混沌信号影响情况。混沌电路对电路参数改变极为敏感,为增强通信保密系统工作稳定性,采取有源元件对无源电感进行等效。对等效后蔡氏电路电压信号进
3、行调制、耦协议时等关键技术处理,并对耦合情况进行分析,以此来说明基于蔡氏电路通信掩盖保密系统工作原理,和信号耦协议时对于本系统必需性。在对完成了电路改善、信号调制、耦协议时后主从结构蔡氏电路,经过增加减法器、反相器等基础模块组成信号通道实现传输信号和混沌掩盖保密信号叠加、消去。为了检验设计模拟信号通信保密系统运行效能及可靠性,选择了正弦信号、chirp电压信号等模拟信号作为测试信号,测试系统对模拟量保密传输性能;选择了锯齿信号、方波信号作为数字信号测试信号,测试系统对数字信号保密传输性能。在测试过程中分别分析了系统正常运行时原始信号、接收端信号和在传输通道中得任意位置处信号。信号保密系统正常工
4、作时在信号接收端,接收信号和原始传输信号一致,而在信号传输任意位置处截获信号为一任意随机序列。验证了通信保密系统良好工作性能,系统从测试信号结果分析可得,本系统含有可靠性高,电路易于实现等优点。作为对比,同时分析了在未进行耦合情况下对应电路参数一致情况下信号传输情况,该情况对应了实际利用中电路参数已经完全泄密情况。经过分析此种情况下信号传输特征,估量信号被窃听揭秘可能。经过分析发觉,当未进行耦合时,在通信保密系统信号接收端接收信号是一个无序信号序列,这是一个无效信号序列。所以,即使通信保密系统接收端参数和混沌信号发射端数据相匹配仍然无法揭秘传输信号。关键词:混沌理论 蔡氏电路 Multisim
5、 Matlab 通信保密系统AbstractSince chaos theory be come up in the 1970s, it mutual infiltrated with many subjects and become a hot spot of these subjects. With the highly developed of the information science nowadays, information security is very important to peoples life. Information transmission security
6、 and without a distortion is not only very important for military, but also has an important significance in peoples life. As a chaos system is very sensitive to the initial parameters of the system, a tiny parameters of the system changed has a huge influence to chaos signal and the chaotic signal
7、is similar to the noise, so chaos system is very suitable be used for communication security. Using a chaos system to produce a chaotic signal to cover the signal that need to transmission is feasible and practical. With the development of modern science and technology, computer simulation technolog
8、y is much more widely using of the system design and analysis, this paper using Matlab and Multisim to verify and analysis the circuits and systems characteristics.Chuas circuit is the model circuit of the chaos theory transform into practical circuit, Chuas circuit has all the characteristics of a
9、chaos system. Therefore Chuas circuit is widely researched and applied. This paper using Matlab to solve the Chuas circuits differential equations and draw corresponding state variable phase track diagram. Using Multisim to build the simulation circuit principle diagram and draw the same state varia
10、ble phase track diagram as Matlabs. Comparing the results of the Matlab simulation with the MUltisims, to ensure that the principle diagram of the selected device parameters can meet the Chua circuit differential equation of characteristics. In Multisim provide simulation environment, it cant be dir
11、ectly observed inductance current waveform diagram, series a small resistance in order to change the inductance current to the voltage on both sides of the resistance. Changing the parameters of the Chua circuit, research the circuit characteristics under different parameters, analysis the system pa
12、rameters influence to the chaotic signal.Being sensitive to the system parameters, the inductance are replace by the active element to make the system more stable. Modulation, coupling, and other key technology are processing in the new circuit. Analyzing the coupling of the situation to explain how
13、 the communication hide secret system based on Chua circuit works, and the coupling for communication security system of necessity.After finishing improvement, modulation, coupling of the Master/Slaver Chua circuit, by increasing the subtracted, inverter and signal channel basic module to realize th
14、e transmission signal and chaos masking secret signal superposition and elimination. In order to test the paper presents the design of analog signal communication security system operation efficiency and reliability, the selection of the sine signal, chirp voltage signal as a test signal, the testin
15、g system of secrecy transmission performance. In the test process separately analyzed the system normal operation of the original signal, the receiving end signal, in the transmission channel of any position in the signal. Signal security system normal work in the signal receiving end, the received
16、signal and the original transmission signal consistent, but in the signal transmission of any place the intercept signal for arbitrary random sequence.As a contrast, the paper also analyzes the coupling not under the condition of the same corresponding circuit parameters under the condition of signa
17、l transmission, this kind of situation corresponding real life circuit parameters have been completely leak situation. Through the analysis of such cases signal transmission characteristics, test signal is interception of the telltale may. Through the analysis found that when before coupling, the co
18、mmunication security system signal receiving end the received signal is a disorder of the signal sequence, this is an invalid signal sequence. Therefore, even if the communication security system receiving end parameters and chaotic signal emission data of the match is still unable to demystify tran
19、smission signal. The proposed use of chaotic signal transmission signal to hide secret method is feasible and reliable.Key words: Chaos theory chuas circuit Multisim Matlab communication security system目录摘要1Abstract2第一章 混沌理论概述和系统原理1第二章 蔡氏电路及其特征仿真2第三章 蔡氏电路改善、耦合及调制10第四章 混沌信号掩盖保密系统设计14第五章 总结17参考文件18附录一
20、:原件清单19附录二:Matlab实现蔡氏电旅程序1 RealChua.m20附录三:Matlab实现蔡氏电旅程序2 StartRealChua.m22附录四:Matlab实现蔡氏电旅程序3 gif.m22附录五:23附录6:Ultiboard下基础蔡氏电路PCB步线图24附录7:Ultiboard下基础蔡氏电路3D预览图24附录8_1:Matlab蔡氏电路电路Simulink模型25附录8_2:Matlab function模块函数25第一章 混沌理论概述和系统原理20世纪70年代由美国麻省理工学院教授E.N.洛伦兹在美国科学发展学会第139次会议上发表了题为蝴蝶效应论文标志着混沌理论诞生,
21、洛伦兹在其论文中提出一个貌似荒谬论断:在巴西一只蝴蝶翅膀拍打能在美国得克萨斯州产生一个龙卷风,并由此提出了天气不可正确预报性。粗略说,混沌是发生在确定系统中非确定性行为,或类似随机行为。混沌系统经典特点是,系统对于系统初始值极为敏感,或说初始值对于系统波形有重大影响。当参数固定时,混沌系统解既不是周期解,也不是拟周期解,而在一定有界范围内含有遍历性1-3。在过去数十年间,混沌理论和其它科学相互渗透,不管是在数学、物理学、电子学、信息科学、生物学、生理学、心理学,还是天文学、气象学、经济学,甚至是音乐、艺术等领域,混沌全部得到了广泛应用。混沌理论是现代非线性科学一个关键分支,混沌应用是一个新非线
22、性研究领域,从混沌理论研究结果到实际应用,混沌电路起着至关关键作用4。混沌电路实现和定量描述,使得混沌系统从纯数学抽象概念过渡到了实际电子工程领域。用电子电路实现非线性动力学体系,能够借助仪器方便观察和测量该非线性动力学体系相关数据,如用示波器观察能够测量混沌系统电压、电流波形,和它们之间相图;还可借助频谱分析仪,直接观察到被测数据功率谱图。混沌保密通信是混沌电路中最有巨大应用潜力和前景一个研究热点。它包含通信信息量巨大,保密方法奇特、新奇、易变和复杂,保密性能好。本文将基于改善蔡氏电路设计一套简单信号掩盖保密系统。本系统设计原理框图图1所表示。图1:信号掩盖保密系统原理框图其中主混沌系统和从
23、混沌系统为两个参数完全一致经过调制后改善蔡氏电路,主混沌系统产生混沌信号并和欲传输信号进行叠加作为信号发射系统,从混沌系统经过耦合器耦合后产生一个和主混沌系统混沌信号相同混沌信号,经过信号调理去掉为掩盖传输信号而叠加混沌信号,将信号进行还原,完成信号掩盖保密传输,从混沌系统作为信号接收解密系统。系统信号在传输过程中,为一无序序列,不轻易引发窃听人员注意;即使信号被窃取,因为混沌系统对于系统参数及初始值要求极为严苛,在未进行系统耦合情况下极难做信号接收系统产生于信号发射系统一致混沌解密信号,解密相当困难。所以,混沌信号掩盖保密系统含有很高安全性4-6。美国National Instrument企
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