一种模拟混沌通信保密电路的设计方法
阅读说明：本技术 一种模拟混沌通信保密电路的设计方法 (Design method for simulating chaotic communication secret circuit ) 是由 丁立超 潘伟 夏宇 邵秀 朱文亮 刘思力 谢辉祥 徐绍麟 韩宇 于 2021-06-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于通信保密领域,公开了一种模拟混沌通信保密电路的设计方法,该方法采取状态反馈法,无需对系统进行拆分,可以灵活的采用单变量或者多变量甚至所有变量进行反馈控制达到同步的目的,而且状态反馈同步控制方法能够有效的消除信号干扰。从而得到既相对简单又具有良好保密性的电路设计方法。搭建实际电路满足仿真预期,产生了混沌信号,并且产生的混沌信号适合应用于话音通信保密；同时可以看出话音信号的加密效果也十分理想。通过实际测量可以发现,解密效果优于基于状态注入法的无线话音混沌通信保密系统。(The invention belongs to the field of communication secrecy, and discloses a method for designing a chaotic communication simulation secrecy circuit. A circuit design method is thus obtained which is both relatively simple and has good security. An actual circuit is built to meet simulation expectation, a chaotic signal is generated, and the generated chaotic signal is suitable for being applied to voice communication secrecy; meanwhile, the encryption effect of the voice signal is also ideal. According to actual measurement, the decryption effect is superior to that of a wireless voice chaotic communication secret system based on a state injection method.)
技术领域
本发明涉及通信保密领域，具体是一种模拟混沌通信保密电路的设计方法。
背景技术
要实现混沌通信保密，首要的问题就是选择合适混沌系统进行电路搭建。在目前发现的混沌系统中，有很多都可以用来搭建电路，但是既易于实现，同时保密性又好的混沌系统却相对较少。一维混沌系统模型简单，电路实现比较容易，同步也相对简单，但是由于其输出只有一个状态，不利于通信保密系统的保密。所以一般考虑维数相对较高的混沌系统，但是维数的增加意味着电路实现的难度较大，所需电子元件较多，电子元器件增多，线路之间的干扰也增多，而且一旦元器件由于长时间工作出现故障，会给维修带来困难。因此，选用三维混沌系统进行混沌电路的搭建。
用模拟混沌系统实现通信保密的关键是混沌信号同步，而模拟混沌系统的同步方法主要有状态注入法和状态反馈法。状态注入法虽然可以解密出有用信号，但是解密效果一般；另外，由于传输过程中信号可能出现部分失真，状态注入法抗干扰能力较差。
发明内容
针对现有技术中缺乏能同时实现保密性和简便性模拟电路的技术问题，本发明提供了一种模拟混沌通信保密电路的设计方法，并采取状态反馈法，无需对系统进行拆分，可以灵活的采用单变量或者多变量甚至所有变量进行反馈控制达到同步的目的，而且状态反馈同步控制方法能够有效的消除信号干扰。从而得到既相对简单又具有良好保密性的电路设计方法。基于状态反馈法的混沌系统同步的基本原理如图1所示。
本发明技术方案：
本发明所采用的系统是Lorenz系统，先对Lorenz系统进行数值仿真分析，之后进行Lorenz系统电路仿真分析，最后实际搭建电路，验证方法可行，从而得到一种模拟混沌通信保密电路的设计方法。
(1)Lorenz系统的数值仿真分析
Lorenz系统的状态方程为：
当σ＝10,ρ＝28,β＝8/3时，系统(1)处于混沌状态。
取初值x(0)＝1.2,y(0)＝-1.3,z(0)＝1.6，则所得到的Lorenz系统信号是有界的，并且所产生的信号是近似噪声的随机信号。
在实际电路的搭建过程中，如果采用传统的Lorenz系统，因为三个状态信号的幅值都比较大，所以很不利于实际的电路实现。例如，对于通用型集成运算放大器，输出电压大多数都在15v之间。因此需要对传统的Lorenz系统进行了坐标变换，取x′＝x/10,y′＝y/10,z′＝z/10，得到了式(2)所示的状态方程模型：
对改进后的Lorenz系统进行数值仿真，则可以发现此时Lorenz系统的x状态信号，y状态信号，z状态信号就都处于模拟电子元器件的输出范围之内，这样就可以使Lorenz系统更加适合应用于电路实现。
(2)Lorenz系统的电路仿真分析
近些年来，随着半导体技术的迅猛发展，集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。因此本发明在搭建具体混沌电路中考虑采用集成电路。
根据改进后的Lorenz系统的状态方程，采用模拟软件搭建电路，使得搭建电路中的各电压之间的关系满足式(2)，得到了如图7所示的仿真电路：
在图2设计的仿真图中，使用了集成双运算放大器TL082CP，其输出电压可以达到15v，刚好处于改进之后Lorenz混沌信号的范围之内；考虑到实际电路中电阻、电容可能存在着误差，在模拟软件中设定电阻的误差为0.1％，电容的误差为1％。
根据基本的电路原理，得到该电路的状态方程为：
令C1＝C2＝C3＝1μF,R1＝R5＝R7＝R8＝R11＝10KΩ,R9＝35.7KΩ，R3＝R6＝100KΩ,R10＝1MΩ,R12＝375KΩ,得到：
此时该电路就满足了改进Lorenz系统的状态方程模型。同时考虑到便于示波器观察和与话音信号的功率频谱相接近等实际电路的搭建要求，则必须提高系统的响应速度。那么对系统进行时间变换就可以满足以上三个目标，取t′＝1000t，得到了式(3)所示的状态方程：
将C1,C2,C3同时改为1nF，则仿真电路的状态方程则变为式(4)所示的状态方程：
通过示波器，观察到系统的x状态，y状态，z状态的波形图则可以得到系统的x状态，y状态，z状态输出的波形均是有界的，并且是杂乱无章，类似随机的信号，并且得到的信号与仿真所得到的信号类似，说明搭建的电路产生了混沌信号，并且搭建的模拟电路产生了与理论仿真相同的混沌吸引子，完成了对混沌电路的搭建。
本发明的有益效果：搭建实际电路满足仿真预期，产生了混沌信号，并且产生的混沌信号适合应用于话音通信保密；同时可以看出话音信号的加密效果也十分理想。通过实际测量可以发现，解密效果优于基于状态注入法的无线话音混沌通信保密系统。
附图说明
图1为状态反馈原理图。
图2为Lorenz混沌电路原理图。
图3为单变量反馈无线话音同步通信保密原理示意图。
图4为驱动系统与响应系统的x、y、z状态的同步误差曲线。
图5为待加密信号s(t)和解密信号s波形图。
图6为单变量反馈控制器电路仿真图。
图7为无线话音混沌通信保密仿真系统图。
图8为发送端信号与接收端信号。
图9为模拟混沌通信保密机电路原理框图。
图10为单变量反馈控制器电路仿真图。
图11为无线话音混沌通信保密仿真系统图。
图12为发送端信号与接收端信号。
图13为驱动系统与响应系统x状态波形图。
图14为驱动系统与响应系统y状态波形图。
图15为待加密方波信号与解密出信号波形图。
图16为待加密话音信号与解密出话音信号。
图17为未解密的话音信号。
具体实施方式
对于混沌加解密系统而言，能成功的将加密信号解密的关键就是混沌系统必须有良好的同步性。现在对混沌系统的同步性进行分析。
对于改进后的Lorenz系统，驱动系统的状态方程为：
响应系统的状态方程为：
则设计控制器形式如下：
定义同步误差：
根据上述的公式，可得到误差系统的状态方程为：
通过计算可以证明，误差系统渐近稳定，即驱动系统和响应系统达到完全同步。
实施例1
状态反馈法无线混沌话音通信保密系统的基本原理框图如图3所示：
其中，左边虚线框中表示的是发送端，右边实线框中表示的是接收端，发送端通过混沌模拟电路产生一个混沌信号x1(t)，传送给发送模块1，用于与响应系统同步；另外在发送端使用混沌模拟电路产生的y1(t)信号与话音信号s(t)进行叠加，将叠加后的信号传送给发送模块2；由于发送端采用两组相同的无线模块，故两组模块的传输时延相同，因此在接收端接收模块接收到带有时延的x1(t-τ)信号以及叠加后带有时延的信号s(t-τ)+y1(t-τ)，故可以解密出带有时延的原信号s(t-τ)。选用延时状态反馈控制器时，驱动系统与响应系统的状态方程如下：
驱动系统：
响应系统：
设计控制器形式如下：
u1＝1000×Kx(x1(t-τ)-x2) (12)
定义同步误差：
通过计算，可得到误差系统的状态方程为：
通过证明可知误差系统渐近稳定
第一步，进行数值仿真分析
通过Matlab数值仿真得到驱动系统与响应系统的x状态，y状态，z状态的同步误差曲线如图4所示。
可以发现系统在很短的时间内就可以达到同步。并且同步效果非常理想。选取发送信号s(t)＝0.05sin(1000t)模拟实际传输的话音信号，得到发送的信号与接收到的信号如图5所示：
经过数值仿真，可以验证本发明的方案是理论可行的。
电路仿真分析
针对驱动系统和响应系统的电路模型搭建了如图6所示的控制器：
在x1,x2端使用电压跟随器用于防止驱动系统和响应系统在控制器输入端相互耦合，并减小由于引出信号对混沌系统造成的影响。最终搭建了如图7所示的无线话音混沌通信保密仿真系统。
取正弦信号来模拟实际传输的话音信号，得到发送端的信号以及接收到的信号如图8所示。
第二步，硬件设计
组成及信号流程
模拟混沌通信保密机电路原理框图如图9所示。
在发送端，混沌电路产生两个混沌信号U和V，V用于加密明文信息M，得到密文C，混沌同步控制信号U可视作一个密钥，它和密文C一起被传送出去；在接收端，同步混沌电路利用接收到的驱动信号U，产生出混沌信号V′，再用V′信号去解密解收到的密文C，从而恢复消息M。
①混沌信号产生电路
利用前面搭建的仿真电路，进行实际电路的搭建。考虑到电源线与信号线之间存在着耦合，因此设计了一个去耦电路，选取100nF的电容作为去耦电容，并利用专业软件设计PCB，并将模拟器件焊接到PCB上，最终搭建电路完成。
②音频信号处理电路
由于Lorenz电路产生的信号为模拟信号，因此本发明选择无线模拟传输模块，由于传输过程中可能出现非线性失真以及噪声干扰，所以需要选择一款传输失真较小的无线模拟传输模块来克服传输过程中的失真及干扰。在现有的无线模拟传输模块之中，FM传输模块的时延较小(通常小于1ms)，但失真相对较大，无线射频模拟传输模块的传输时延相对较大(通常为2-3ms之间)，但是失真较小。本发明综合考虑了实际传输情况，最终选取了HL24-0A无线传输模块进行混沌系统的无线传输。
③加密解密电路
针对驱动系统和响应系统的电路模型搭建了如图10所示的控制器：
在x1,x2端使用电压跟随器用于防止驱动系统和响应系统在控制器输入端相互耦合，并减小由于引出信号对混沌系统造成的影响。最终搭建了如图11所示的无线话音混沌通信保密仿真系统，取正弦信号来模拟实际传输的话音信号，得到发送端的信号以及接收到的信号如图12所示。
通过仿真观察，可以看出本发明的仿真效果良好。根据电路仿真图，设计了PCB电路。
通过示波器观察驱动系统与响应系统混沌信号的时域图如图13、图14所示。其中，下方信号为驱动系统的状态信号，上方信号为响应系统的状态信号。从图13以及图14中发现，驱动系统和响应系统可以达到延时同步，并且同步效果也十分理想。
由于实际话音信号不利于观察，首先选取普通的方波信号进行调试，在示波器上观察得到原始方波信号以及解密出的方波信号如图15所示。
其中，下方信号是待加密的方波信号，上方信号为解密后的方波波形，可以发现解密效果非常好。然后，在方波加密解密的基础上，选用话音信号作为加密信号，得到了待加密的话音信号以及解密出的话音信号的波形图如图16所示：
其中，下方信号为待加密的信号，上方信号为解密出的信号，可以看出话音信号的解密效果也十分良好。为了验证加密效果，用示波器观察加密之后的信号如图17所示。可以看出话音信号的加密效果也十分理想。通过实际测量可以发现，解密效果优于基于状态注入法的无线话音混沌通信保密系统。
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