混沌必威体育官网网址通信实验摘要引言-复旦大学物理教学实验中心Fudan.PDF

混沌必威体育官网网址通信实验 混沌必威体育官网网址通信实验 混混沌沌保必威体育官网网址密通通信信实实验验 材料物理 07300300041 环静 摘要 本文介绍一种基于蔡氏电路的混沌覆盖必威体育官网网址通信手段．先利用 OrCAD软件设计电原理 图并进行模拟验证，然后进行硬件实验验证，并研究不同因素对信号传输质量和必威体育官网网址效果的 影响． 关键词：非线性 蔡氏电路 混沌覆盖 必威体育官网网址通信 引言 混沌现象是确定论系统中所表现的随机行为的总称，它的根源在于非线性相互作用．其 最显著的两个特点是对初值极度敏感和长期的不可预测性．现今随着电路中高精度电子器件 使用的增多，电路中不可避免地出现了大量用原有线性电路理论无法解释的非线性现象．于 是产生了非线性电路理论，随即兴起了对非线性电路中混沌现象的研究． 电路中的混沌现象有利有弊．它会在电路中产生一些我们不想要的噪音信号，而且是我 们所无法控制的．但是我们也可以对混沌现象的各种性质进行应用．其中一个就是利用混沌 现象进行必威体育官网网址通信． 当今三大混沌必威体育官网网址通信技术是混沌键控,混沌覆盖和混沌编码．其中混沌覆盖是我们实 验主要的研究对象，它是利用两个同步的混沌电路分别作为驱动系统和相应系统，在信号发 射端将混沌信号叠加到我们要传输的有用信号上，而在接收端利用同步混沌电路和减法器进 行解密，还原有用信号．如果中途有第三方截获了我们的信号，那得到的也只是混沌信号与 有用信号的叠加，混沌信号的非周期，宽频谱，类噪音和不可预测性的特点使第三方很难还 原我们的有用信号，从而实现了必威体育官网网址通信． 实验原理 蔡氏电路是当今最简单的混沌电路，其电原理图如下左图所示，由一个电感，两个电容， 一个可变电阻和一个蔡氏二极管Nr 构成．蔡氏二极管Nr是一个分段直线式非线性电阻， 具有负阻特性，由运算放大器构成，如下右图所示． 实现混沌必威体育官网网址通信的前提就是驱动系统和响应系统的混沌同步，同步质量的好坏直接影 响着信号传输质量的好坏．将两个蔡氏电路的相同输出端（即CH1或CH2）用同步线相连 即可产生同步信号．再在信号发射端通过加法器将混沌信号与有用信号进行叠加，叠加后的 信号通过数据线传输．在接收端用减法器对信号进行解密．为了提高信号传输质量，可以在 驱动系统与响应系统之间接一个单向器，以防响应系统对驱动系统产生影响．示意图如下： 软件模拟和仿真验证 利用OrCAD软件设计具有上述功能的电路，如下图所示 对其进行仿真验证，得到结果如下下图（使用50Hz正弦波信号作为信号源）： 对其信号传输质量和必威体育官网网址效果进行分析，可以看出，经过混沌信号（图中黄色信号）叠 加后的有用信号（图中红色信号）已经完全失去了原来的形状，即使在中途被第三方截获， 也很难被破译．而在接收端通过减法器和同步电路解密后的信号（图中绿色信号）和我们要 传输的有用信号（图中蓝色信号）还是吻合得相当好的． 硬件实验 软件模拟和仿真验证证明了这种混沌覆盖必威体育官网网址通信方案从原理上来说是可行的．接下来 就要进行硬件实验．按照用OrCAD设计的电原理图，在面包板上用运算放大器和电容电阻 连接实际电路的通信模块．由于只是一个原理性的验证试验，可以在发射端用信号发生器提 供的信号代替实际的语音信号（若要真的实现通信只要把语音信号通过AD转换器转换为数 字信号），在接收端用示波器显示输出波形．硬件设备图如下左： 首先实现两个系统的同步．将驱动系统和响应系统的两个蔡氏电路分别调至稳定的双吸 引子状态，如上右图所示．然后将它们的相同输出端作为同步端，用同步线相连，即可实现 两电路的同步．然后将蔡氏电路的另外一个输出端作为混沌覆盖端，将混沌信号叠加到要传 输的有用信号上．通过实验，我们发现，由于蔡氏电路的两个输出端CH1和CH2的输出信 号强度是不一样的，CH1端输出信号强而CH2端输出信号弱．那么把不同的输出端作为同 步端，虽然都能实现混沌覆盖必威体育官网网址通信，但其产生的效果是有差别的． 若以较强的CH1端作为同步端，则同步信号比较强，同样的干扰对其影响就相对较小， 故同步质量比较好，信号传输质量比较好；而覆盖端CH2信号强度比较小，覆盖效果就较 差，即必威体育官网网址效果比较差．结果如下图所示： 上图中左图为同步效果，右图为覆盖效果．可以看出，接收端收到的信号除了上升下降 沿有些许滞后外，与原信号还是符合得相当好的，也没有很多的