[發明專利]一種六維離散超混沌系統及六維離散超混沌信號發生器

有效

• 申請號: 201811539746.4
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109510699B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發明（設計）人: 王慶巖;陳威威;吳晨晨;康守強;謝金寶;王玉靜
• 申請（專利權）人: 哈爾濱理工大學
• 主分類號: H04L9/00
• 分類號: H04L9/00
• 代理公司: 黑龍江立超同創知識產權代理有限責任公司 23217
• 代理人: 楊立超

一種六維離散超混沌系統及六維離散超混沌信號發生器，屬于混沌信號發生器設計領域。解決現有混沌系統在數字域中抗退化能力差、安全性低以及連續時間混沌系統需要經過離散化才能在FPGA等數字器件中實現等問題。六維離散超混沌系統由六個離散狀態方程產生，用于輸出六組混沌序列；六維離散超混沌信號發生器包括電源單元、時鐘單元、復位單元、用于生成六維離散超混沌系統的FPGA數字電路單元、下載單元和輸出端口。由于該混沌信號發生器具有六個較大的正李氏指數，產生的信號非線性程度更大，信號變量的時間序列更加不可預測，并且多個信號變量和系統參數使密鑰空間更大，將其應用于保密通信和圖像加密領域可以大大增強系統的安全性，提高通信的保密性。

技術領域

本發明涉及一種六維離散超混沌信號發生器，屬于混沌信號發生器設計技術領域。

背景技術

混沌作為非線性動力學系統中一種特殊的運動形式，是一種在確定性系統中產生的具有類隨機性的動力學行為。由于混沌具有對初始值的敏感性、類噪聲的寬帶譜特性和內在隨機性等特征，使得混沌在圖像加密和保密通信領域展現出巨大的潛力。文獻[基于Logistic混沌映射的圖像加密系統及FPGA實現]使用Logistic混沌序列對圖像進行加密，但是由于混沌系統維數較低將其應用到加密系統中，存在密鑰空間小、抗攻擊性不強的問題。另外，傳統的連續時間混沌系統必須經過特定算法離散化后才能在FPGA等數字器件上實現，增加了系統的復雜性和實現難度。文獻[基于龍格庫塔算法和可編程門陣列技術的混沌系統實現]對四階網格狀多卷波混沌系統和Lorenz混沌利用FPGA進行實現，但是采用的龍格庫塔算法存在復雜度高、執行時間長的問題。并且混沌系統在數字域中存在退化問題，主要表現為：正李氏指數會發生簡并，其結果是正李氏指數簡并為負李氏指數；有限精度效應導致混沌系統產生的序列周期重復。僅通過提高計算精度的抗退化效果并不明顯，需要從維數和精度兩個方面同時解決這個問題。特別是，在計算精度確定的條件下，正李氏指數無簡并的高維混沌系統的抗退化能力要明顯優于低維系統。

發明內容

本發明提出了一種六維離散超混沌系統及六維離散超混沌信號發生器，為了解決現有混沌系統在數字域中抗退化能力差、安全性低以及連續時間混沌系統需要經過離散化才能在FPGA等數字器件中實現等問題。

本發明為解決上述問題采取的技術方案是：

一種六維離散超混沌系統，該系統由六個離散狀態方程產生，用于輸出六組混沌序列，其對應的數學模型為：

式中，x(n)、y(n)、z(n)、q(n)、w(n)、p(n)為上一次(當前時刻)迭代運算得到的狀態變量，x(n+1)、y(n+1)、z(n+1)、q(n+1)、w(n+1)、p(n+1)為下一次(下一時刻)迭代運算得到的狀態變量；mod(·,·)表示取模運算，即表示括號中前者對后者取模。

一種基于上述六維離散超混沌系統的六維離散超混沌信號發生器，所述混沌信號發生器包括電源單元、時鐘單元、復位單元、FPGA數字電路單元、JTAG下載單元和輸出端口；電源單元用于為FPGA數字電路單元供電；時鐘單元用于為FPGA數字電路單元提供時鐘信號；復位單元用于FPGA數字電路單元的硬件復位：在對FPGA數字電路單元作上電或者復位操作時，FPGA數字電路單元的時序邏輯部分的寄存器按照設定的初值輸出，并會在主時鐘的上升沿時更新寄存器內的值；FPGA數字電路單元用于生成六維離散超混沌系統，從而對應產生六路離散超混沌信號；JTAG下載單元用于燒寫程序。

所述FPGA數字電路單元部分包括：PLL分頻單元、混沌信號生成單元和輸出選擇單元；PLL分頻單元用于為混沌信號生成單元、輸出選擇單元提供時鐘信號；混沌信號生成單元用于混沌系統初始值給定、六維離散超混沌系統數學模型的描述以及輸出迭代值和標志信號；輸出選擇單元用于選擇輸出截取后的迭代值。