一种六维分数阶超混沌系统及混沌信号发生器设计技术方案

一种六维分数阶超混沌系统及混沌信号发生器，涉及信息加密领域。本发明专利技术的六维分数阶超混沌系统维数高，系统有两个以上正的Lyapunov指数，呈现超混沌特性，获得更为复杂的混沌信号，从而提高混沌信息加密的安全性。而分数阶微分具有记忆能力，比整数阶更适合于电路系统的特性描述。六维分数阶超系统用于输出六路混沌信号。混沌信号发生器中的FPGA用于生成六维超混沌系统电路，FPGA的六路混沌信号输出端分别连接第一路、第二路、第三路、第四路、第五路、第六路数模转换器的数字信号输入端；拨码开关的一端连接电源，拨码开关的另一端分别连接六路数模转换器的供电端，六路数模转换器输出的信号均为电压信号。混沌信号发生器能提供具有多种变量组合形式的、用于信息加密的、具有良好混沌特性的六维混沌信号源。

Design of a six dimensional fractional order hyperchaotic system and chaotic signal generator

A six dimensional fractional order hyperchaotic system and chaotic signal generator are involved in the field of information encryption. The six dimensional fractional order hyperchaotic system has high dimension, and the system has more than two positive Lyapunov exponents, showing hyper chaotic characteristics, and obtaining more complex chaotic signals, thus improving the security of chaotic information encryption. Fractional differential has memory ability, which is more suitable for describing the characteristic of circuit system than integer order. Six dimensional fractional order super system for output six chaotic signals. FPGA chaotic signal generator is used to generate six dimensional hyperchaotic system circuit, six chaotic signal output terminal of the FPGA is respectively connected to the first road, Second Road, Third Road, Fourth Road, fifth road, sixth channels of digital to analog converter digital signal input end; one end of the dial switch is connected with the power supply, the power supply end of the other end. The code switch are respectively connected to six channels of digital to analog converter, the signal of six channels of digital to analog converter output voltage signals are. The chaotic signal generator can provide six dimensional chaotic signal source with good chaotic characteristics, which has a variety of variable combinations, and is used for information encryption.

【技术实现步骤摘要】
一种六维分数阶超混沌系统及混沌信号发生器设计
：本专利技术涉及用于保密通信安全领域以及混沌数字通信领域的六维分数阶超系统及混沌信号发生器设计，涉及信息加密等领域。
技术介绍
：混沌系统的构造以及分析研究是现今国内外研究的热点课题。混沌系统主要有离散混沌系统和连续混沌系统两大类。对于离散动力学系统混沌化研究，在数学上已经形成了一套严格的理论与方法，但对于连续混沌系统的生成并非易事。离散混沌系统典型的有一维抛物映射(Logistic映射)和二维的Henon映射。连续混沌系统较多，典型的有广义Lorenz系统族、Rossler系统、Chua系统、Chen系统、Lu系统、Liu系统、Qi系统等。近年来，为了构建新的复杂的混沌系统，学者们或利用增加系统的维数和反馈来构建新的高维混沌系统，或将分数阶微分算子引入到非线性动力学系统中实现新的分数阶混沌系统，或利用多个低维混沌系统耦合来实现新的混沌系统，或基于Chua,Sprott和Jerk等系统中不存在平方项或交叉乘积项的情况下，利用新构造的具有奇对称并且参数可调的非线性函数来实现多涡卷或网格多涡卷混沌系统，或构造多类新的偶对称多分段函数实现基于广义Lorenz系统族的多翅膀、嵌套式多翅膀或网格多翅膀的混沌系统；或利用变换系统参数或结构(系统中的非线性项)来实现新的切换混沌系统。对新混沌系统的构建与分析进一步丰富和完善了混沌理论，为混沌应用提供了一些新的技术手段，从而促进了混沌在自然科学、电子、通信以及其他工程应用领域的发展。具体的应用比如：研制混沌信号发生器、高容量动态信息存储器、大容量分形电容器、混沌控制与反控制、信息加密、保密通信、故障诊断、信号检测与处理等。现有技术中提供的混沌系统很难获得混沌加密所需的具有时变性、多样性和复杂性的多维混沌信号，并且电路实现困难。
技术实现思路
：本专利技术的目的是提供一种六维分数阶超混沌系统及混沌信号发生器设计。该六维分数阶超混沌系统，具有更强的混沌特性，从而提高了混沌信息加密的安全性。基于六维分数阶超混沌系统的混沌信号发生器能提供具有多种变量组合形式，可用于信息加密的混沌信号源。本专利技术为解决上述技术问题采取的技术方案是:技术方案一:一种六维分数阶超混沌系统，所述六维分数阶超混沌系统用于输出六路混沌信号，所述六维分数阶超混沌系统所对应的数学模型为式中，x、y、z、u、v、w为状态变量；a,b,c,d,e,k为实数；当a=35,b=5,c=25,d=5,e=35,k=22,q=0.95时，所述六维分数阶超混沌系统存在混沌吸引子。技术方案二:一种基于六维分数阶超混沌系统的混沌信号发生器，所述混沌信号发生器包括电源电路、FPGA、时钟电路、复位电路、ASP下载接口、JTAG下载接口、拨码开关、第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)；FPGA用于生成六维分数阶超混沌系统电路，电源电路用于为FPGA和数模转换器供电；时钟电路用于为FPGA提供时钟信号；复位电路用于将FPGA复位；FPGA接有ASP下载接口和JTAG下载接口；FPGA的六路混沌信号输出端分别连接第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)的数字信号输入端；拨码开关的一端连接电源，拨码开关的另一端分别连接第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)的供电端，第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)输出端输出的信号均为电压信号(即混沌信号)。技术方案三:本技术方案是对技术方案二的进一步限定：利用FPGA生成的六维分数阶超混沌系统电路包括:数字积分电路、内部总线电路、浮点数运算电路和输出总线电路；数字积分电路包括多路复用数据选择器、采样间隔增益单元、阶跃信号输出单元和一个浮点数并行加法器；多路复用数据选择器用于混沌信号初始值的输入和迭代运算反馈数据的输入；采样间隔增益单元用于积分采样间隔的设定；阶跃信号输出单元用于积分电路的时序控制；浮点数并行加法器用于对迭代结果进行累加；内部总线电路用于迭代运算内部数据的传输；浮点运算电路用于混沌信号数学模型的描述，其中包括浮点数乘法器、浮点数并行加法器和浮点数增益单元；输出总线电路用于迭代运算以外数据的输出。技术方案四:本技术方案是对技术方案三的进一步限定:数字积分电路输出的是初始值Ini_X、Ini_Y、Ini_Z、Ini_U、Ini_V、Ini_W或反馈值积分后的数字信号，经过内部总线进入到浮点数运算电路，浮点数运算电路对输入的数字信号进行相应的加法、乘法和增益运算，得到n时刻的数字混沌信号X(n)，Y(n)，Z(n)，U(n)，V(n)，W(n)，n时刻的数字混沌信号经输出总线电路输出，并同时将n时刻的数字混沌信号作为反馈值传给数字积分电路进行下一次迭代运算，得到下一时刻，即n+l时刻的数字混沌信号X(n+1)，Y(n+1)，Z(n+1)，U(n+1)，V(n+1)，W(n+1)。技术方案五:本技术方案是对技术方案二、三和四的进一步限定:所述FPGA是Cyclone系列，型号为EP3C25E144C8。技术方案二中的基于六维分数阶超混沌系统的混沌信号发生器，其中所提及的六维分数阶超混沌系统可以采用技术方案一中的六维分数阶超混沌系统。本专利技术的有益效果是:本专利技术解决上述技术问题的技术手段是基于连续混沌系统离散化和数字化处理技术来实现混沌序列，进而利用FPGA来实现。本专利技术尤其为混沌保密通信领域中的应用提供了技术支持。本专利技术具有加密效果好、抗破译能力强等优点，完全适用于通信加密。本专利技术构建的新的六维分数阶超混沌系统，通过进行Matlab数值仿真，得出系统的混沌吸引子相图。并对该系统的耗散性、吸引子的存在性、平衡点的稳定性、Lyapunov指数、维数及Poincare截面图进行分析。结果表明该系统具有超混沌特性，有复杂的动力学行为，且该行为对系统参数具有敏感性。本专利技术为了证明混沌系统可以物理实现，对该六维分数阶超混沌系统进行Multisim仿真，并利用示波器观测该系统的混沌吸引子相图，模拟电路实验结果与离散模型仿真分析是一致的，进一步从物理实现上说明了系统的良好的混沌特性，证明了混沌信号生成器设计的可行性。附图说明图1-图4是本专利技术的新六维分数阶超混沌系统部分吸引子相图(分别为y-u相图，y-v相图，z-v相图，v-w相图）；图5为本专利技术的六维分数阶超混沌系统的Lyapunov指数图；图6-图7为本专利技术的六维分数阶超混沌系统(式1)的部分混沌信号时域波形（x，y）;图8-图11为本专利技术的六维分数阶超混沌系统(式1)的Poincare截面图（分别为截面z-v，截面y-z，截面y-v，截面u-v）；图12为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种六维分数阶超混沌系统，所述六维分数阶超混沌系统用于输出六路混沌信号，其特征在于，所述六维分数阶超混沌系统所对应的数学模型为

【技术特征摘要】
1.一种六维分数阶超混沌系统，所述六维分数阶超混沌系统用于输出六路混沌信号，其特征在于，所述六维分数阶超混沌系统所对应的数学模型为式中，x、y、z、u、v、w为状态变量；其中a=35,b=5,c=25,d=5,e=35,k=22,q=0.95。2.一种基于六维分数阶超混沌系统的混沌信号发生器，其特征在于：所述混沌信号发生器包括电源电路、FPGA、时钟电路、复位电路、ASP下载接口、JTAG下载接口、拨码开关、第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)；FPGA用于生成六维分数阶超混沌系统电路，电源电路用于为混沌信号发生器供电；时钟电路用于为FPGA提供时钟信号；复位电路用于将FPGA复位；FPGA上接有ASP下载接口和JTAG下载接口；FPGA的六路混沌信号输出端分别连接第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)的数字信号输入端；拨码开关的一端连接电源，拨码开关的另一端分别连接第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)的供电端，第一路数模转换器(DAC1)、第二路数模转换器(DAC2)、第三路数模转换器(DAC3)、第四路数模转换器(DAC4)、第五路数模转换器(DAC5）、第六路数模转换器(DAC6)输出端输出的信号均...

【专利技术属性】
技术研发人员：于春雨，雷鹏，康守强，沈赞秋，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23