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1、1目錄目錄第一章：緒論第一章：緒論 .21.1 引言:.21.2 混沌及混沌的特征.31.2.1混沌.31.2.2混沌的產(chǎn)生.31.2.3混沌的特征.41.3 混沌通信的現(xiàn)狀.5第二章第二章 幾種混沌雙向混沌保密系統(tǒng)幾種混沌雙向混沌保密系統(tǒng) .62.1 引言：.62.2 激光混沌全光雙向混沌保密系統(tǒng).62.3 基于非相干光反饋雙向混沌保密系統(tǒng).72.4 基于雙向光電混沌保密系統(tǒng).8第三章第三章 保密通信的方法保密通信的方法 .103.1 引言.103.2 混沌掩蓋技術(shù).103.3 混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù).123.4 混沌鍵控技術(shù).153.5 小結(jié).16第四章第四章 結(jié)束語結(jié)束語 .17參考文獻參考文

2、獻 .18致謝：.182雙向混沌保密通信探究西南大學(xué)電子信息工程學(xué)院，重慶 400715摘要摘要：本文基于雙向混沌同步系統(tǒng)，首先闡述了全光雙向混沌保密系統(tǒng)、非相干光反饋雙向混沌保密系統(tǒng)和光電雙向混沌保密系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和基本原理。在此基礎(chǔ)上，我們討論了雙向混沌保密系統(tǒng)的三種保密通信方法：混沌掩蓋技術(shù)、混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)、混沌鍵控技術(shù)，并給出了三種技術(shù)的基本原理和框架圖。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：混沌 保密通信 全光 非相干光 光電Investigations on bidirectional chaotic secure communicationPanyun Liu Electronical Informat

3、ion Engineering College, Southwest China University, Chongqing 400715, ChinaAbstract: Based on two-way chaos synchronization system, this chapter first expounded the structure and basic principle of all optical two-way chaotic encryption system, two-way chaotic encryption system of incoherent optica

4、l feedback and photoelectric two-way chaotic encryption system. Based on this, we discussed the three secret communication methods of two-way chaotic encryption system: chaos masking technology, chaos parameter modulation technology, and chaos keying technology. Whats more, we presented the basic pr

5、inciple and frame-chart of the three technologies.Key words：chaos; secure communications; all optical; incoherent light; photoelectricity第一章：緒論第一章：緒論1.1 引言引言:在科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，經(jīng)濟全球化快蔓延的今天，信息以其高速，準(zhǔn)確，高效傳輸?shù)膬?yōu)點在當(dāng)今社會中占據(jù)了重要的地位，給人們的生活帶來了方便?？墒侨缃裆虡I(yè)的、軍事的泄密問題層出不窮，黑客也不斷地威脅著計算機網(wǎng)絡(luò)的安全，加密技術(shù)通常都是采用軟件來實現(xiàn)的，可是軟件加密技術(shù)的程度取決于其計算方法的復(fù)

6、雜度，這樣的保密性能就不夠完備。1990 年，在美國海軍實3驗室，科學(xué)家 Pecora 和 Carroll 通過研究，發(fā)現(xiàn)，只要滿足一定的條件，當(dāng)混沌系統(tǒng)實現(xiàn)同步之后，可以實現(xiàn)保密通信，接著，混沌加密技術(shù)就成為研究的一個大熱點。1.2 混沌以及混沌的特征混沌以及混沌的特征1.2.1 混沌混沌混沌現(xiàn)象是在非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種有具有確定性的、類隨機的過程。它具有非周期、有界、不收斂等特性，值得提出的一點是，混沌現(xiàn)象對于初始條件極敏感，根據(jù)它的這個非常特別的性質(zhì)，人們把混沌用于多址通信；混沌現(xiàn)象還具有類噪聲特性，由此可提高通信系統(tǒng)的保密性能；混沌信號可以準(zhǔn)確地再生，在信號的傳送中用于混沌掩蓋，在信

7、號的接收中用于信號的恢復(fù)。混沌保密通信的基本思想是：把混沌信號作為信號傳輸?shù)妮d波，將傳輸信號隱藏在混沌載波之中，也就是所說的混沌掩蓋，或者是利用符號動力學(xué)分析，賦予不同的波形以不同的信息序列，從而利用相關(guān)屬性及特性，在接收端解調(diào)出所傳輸?shù)男盘?，這也就是信號的恢復(fù)。因此，整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是收發(fā)雙方的混沌同步。相同的初始值是雙方的混沌序列發(fā)生器同步的前提。1.2.2 混沌的產(chǎn)生混沌的產(chǎn)生隨著混沌理論在各個領(lǐng)域愈來愈廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，混沌的發(fā)展和研究成了本世紀(jì)最熱門的話題之一 ， 因此，混沌信號是如何的形成的，就引起了人們的興趣，成了熱門話題，也成為人們重點研究的對象。Logistic 映射、Lo

8、renz映射及 Hnon 映射等都是人們建立的多種混沌系統(tǒng)的模型。在實現(xiàn)信號產(chǎn)生方面， 目前主要有下面幾種形式:(1)最早、最系統(tǒng)、文獻最豐富的一種方式是用模擬電路產(chǎn)生混沌信號。用模擬電路產(chǎn)生混沌信號方式的主要構(gòu)成是儲能元件和運算放大器。比如說，由K1M1Cuomo 設(shè)計的 Lorenz 映射的混沌產(chǎn)生電路是利用模擬電路產(chǎn)生混沌信號，有名的蔡氏電路以及由 A1S1Elwakil 等設(shè)計的產(chǎn)生混沌振蕩電路1 也就是利用這種思想來設(shè)計的。這類系統(tǒng)的基本原理是：利用儲能元件電容、電感以及運算放大器等元件來設(shè)計混沌信號產(chǎn)生電路，利用微分形式成立混沌模型。這種構(gòu)成方式的最主要優(yōu)點就是實時性好， 但缺點是

9、對器件的精密度要求比較高，4構(gòu)成系統(tǒng)的復(fù)雜度也較高。(2)根據(jù)混沌映射差分模型的公式，用數(shù)字電路產(chǎn)生混沌信號。數(shù)字電路中我們曾經(jīng)學(xué)習(xí)過，利用移位寄存器能夠很方便地實現(xiàn)差分運算， 由這個性質(zhì)，可實現(xiàn)混沌信號的產(chǎn)生。用數(shù)字電路產(chǎn)生混沌信號的主要優(yōu)點是可以直接得到二進制信號，且電路構(gòu)成簡單、有較低的系統(tǒng)復(fù)雜度。(3)用軟件產(chǎn)生混沌信號。由于混沌信號的模型構(gòu)成簡單，且多利用差分的形式給出，那么我們就可以利用軟件，用計算的方法迭代產(chǎn)生混沌信號，然后再將結(jié)果與存儲器件 EPROM 結(jié)合，從而實現(xiàn)混沌信號的產(chǎn)生。1.2.3 混沌的特征混沌的特征混沌現(xiàn)象是在非線性系統(tǒng)中出現(xiàn)的一種有具有確定性的、類隨機的過程。

10、它主要有下面的幾個特征:(1)非周期性和不收斂性對一個混沌系統(tǒng)而言，具有不收斂性，也就是它的輸出是不收斂的?；煦缧盘柕妮敵霾ㄐ晤愃朴谝粋€不收斂的，均值為 0 的隨機信號。(2)對初始值有及其敏感的依賴性混沌信號對初始條件極其敏感，就算是十分相近的初始值經(jīng)過數(shù)次迭代，其結(jié)果都會千差萬別，就是前面提到的初值敏感性。表1.1給出的是根據(jù)一個典型的Logistic映射2Ak+1=43Ak(1 - Ak)，產(chǎn)生的兩個序列產(chǎn)生的數(shù)據(jù)對比，A1 和A2所列分別表示初始值等于01370和初始值等于01380時的序列，迭代次數(shù)用B表示，通過下表兩組數(shù)字的對比，可以看出，當(dāng)初始值即使只相差0.001時，在進行了5

11、次迭代后X1 、X2兩個序列的值產(chǎn)生了很大的差別，細微差別被系統(tǒng)放大了幾十倍。由此可見，混沌系統(tǒng)對于初始條件是十分具有依賴性和敏感性的。我們在利用混沌信號，在給定初始條件時，這一點必須要注意。A10.13700.19320.12520.17540.17410.17670.17150.1814A20.13800.19420.12170.16800.18700.14510.19900.1038B01234567表 1.1 由 Xk+1=43Xk(1-Xk) 產(chǎn)生的不同初始值的序列:Table 1.1 sequence of different initial values produced by

12、Xk+1=43Xk(1-Xk) (3)確定性5混沌信號具有類隨機性，但是它也具有確定性，在一個給定混沌的系統(tǒng)中，只要初始值相同，那么產(chǎn)生出來的混沌序列就一定是完全相同的。確定性是混沌信號與白噪聲的主要區(qū)別之一。確定性在通信中是極其至關(guān)重要的。(4)良好的自/互相關(guān)性混沌信號具有和白噪聲信號具有相類似的良好的自/互相關(guān)性3。1.3 混沌通信的現(xiàn)狀混沌通信的現(xiàn)狀混沌保密通信的方式有很多，混沌遮掩、混沌鍵控和混沌調(diào)制三種方案在國內(nèi)外研究較為廣泛。它們有著共同的基本思想：在收發(fā)雙方的混沌同步的情況下，用混沌信號作為載波，將傳輸信號隱藏在混沌載波之中，從而實現(xiàn)對信息的隱藏，該信號經(jīng)信道發(fā)送到接收端過后，

13、利用一個與之匹配混沌系統(tǒng)解調(diào)出混沌信號，再利用相關(guān)屬性及特性，在接收端解調(diào)出所傳輸?shù)男盘?，這也就是信號的恢復(fù)。要完成信息的傳遞，整個系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵是混沌序列發(fā)生器具有相同的初始值，使得雙方的同步?；煦绫Ｃ芡ㄐ攀且环N新發(fā)展起來的技術(shù)，其應(yīng)用與實際還存在一些缺陷， 主要有以下幾個方面的不足: (1)基于同步的混沌保密通信抗噪聲干擾性能弱。通信系統(tǒng)中噪聲是始終存在的，而混沌系統(tǒng)的高度的初值敏感性，注定了就算一點兒差別也會造成產(chǎn)生的信號有很大差別，初值的細微的差別也會被系統(tǒng)很快地放大，造成收發(fā)雙方的同步中斷，從而影響信號的傳輸與恢復(fù)。(2)模擬混沌保密通信受通信線路帶寬的限制。在傳輸過程中，混沌信號是

14、具有類噪聲功率譜密度的寬帶信號，混沌信號必定會發(fā)生波形失真，只要信號一旦發(fā)生了波形失真，收發(fā)雙方的混沌同步將不能保證，受到影響的同步難以保證信息準(zhǔn)確、可靠的傳遞。(3)混沌保密通信技術(shù)是一種新發(fā)展起來的技術(shù)，它還缺乏有效的理論分析工具?；陔x散混沌系統(tǒng)的，目前，還只能依靠實驗測定數(shù)字保密通信存在有限字長效應(yīng)，相關(guān)性，復(fù)雜性等相關(guān)特性。雖然存在上述問題，但混沌保密通信憑借其突出的優(yōu)點，在通信中仍然擁有著非常美好的應(yīng)用前景，顯示出了強大的生命力。光纖通信系統(tǒng)的寬頻帶不受外界電磁信號干擾影響，主要就是為了針對解決帶寬和信道噪聲影響的問題；為了有效地解決同步丟失問題，非同6步的混沌保密通信方式成了一個

15、重要研究方向。近年來的研究表明，有一種最有經(jīng)濟價值的，利用混沌的數(shù)字-數(shù)字保密通信技術(shù)與現(xiàn)有的數(shù)字通信系統(tǒng)兼容，它將給通信領(lǐng)域帶來的美好前景4。第二章第二章 幾種混沌雙向混沌保密系統(tǒng)幾種混沌雙向混沌保密系統(tǒng)2.1 引言：引言：近年來，隨著混沌同步和控制理論的提出與發(fā)展，混沌通信憑借著高度的保密性能、低功率、大容量的動態(tài)存儲能力還有設(shè)備的低成本等特性，使得混沌通信成為了當(dāng)前通信業(yè)中競爭最為激烈的混沌應(yīng)用研究領(lǐng)域。近年來保密通信技術(shù)的研究熱點也集中到如何混沌保密通信上來，混沌在信號處理、通信和控制領(lǐng)域的應(yīng)用日漸廣泛、日漸火熱。其中，實現(xiàn)信息的雙向傳輸乃至于多向保密傳輸是發(fā)展和研究的必然趨勢。2.2

16、 激光混沌全光雙向混沌保密系統(tǒng)激光混沌全光雙向混沌保密系統(tǒng)基于全光互耦半導(dǎo)體激光器混沌系統(tǒng)模型如圖2.1所示。兩個半導(dǎo)體激光器SL1和SL2在各自的偏置電流下的輸出光同時注入對方，構(gòu)成了一個互耦系統(tǒng)。圖 2.1 全光互耦系統(tǒng)示意圖SL：半導(dǎo)體激光器Fig 2.1 schematic diagram of optical mutual coupled system描述雙向混沌同步系統(tǒng)的速率方程組為5：2112 ()111121( )11(1)( )()2( )2eifftpindE tkiGE tE teN tdt， 2-11222 ()222212( )11(1)( )()2( )2eifft

17、pindE tkiGE tE teN tdt， 2-221,21,21,21,21,2( )( )( )sdNtINtGEtdte， 2-37式中，下標(biāo) 1、2 分別代表互耦的兩個激光器 SL1 和 SL2， 分別為激光器有源層光場慢變復(fù)振幅和載流子數(shù)， 是線寬增強因子，p， s分別是光子壽命和載流子壽命，f 是 SL 的自由運行頻率，f（f=f1-f2）是 SL1 和 SL2 之間的頻率失諧，in是腔內(nèi)往返時間，k 和 分別是兩激光器之間的耦合系數(shù)和耦合延遲時間，I 是電流，e 是單位電荷， 是自發(fā)輻射率，e是場振幅高斯白噪聲。G 為增益，可表示為1,21.201,221,2()1gNNGs

18、 E 2-4式中 g 是線性增益系數(shù)，s 是增益飽和系數(shù)，0是透明載流子數(shù)。2.3 基于非相干光反饋雙向混沌保密系統(tǒng)基于非相干光反饋雙向混沌保密系統(tǒng)在基于非相干光反饋半導(dǎo)體激光器的雙向混沌通信系統(tǒng)的研究，由于系統(tǒng)的輸出對相位不敏感，較光反饋系統(tǒng)很容易實現(xiàn)良好的同步，另一方面，非相干光反饋系統(tǒng)屬于全光系統(tǒng)，不受電子器件帶寬的限制，能滿足信息傳輸?shù)男枨?，于是西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的夏光瓊等人，提出了一種基于非相干光反饋的雙向混沌通信系統(tǒng)，其模型如下：SL1FR1PD1PD2F1PD3PD4F2FR2SL2BS1BS2BS3BS4BS5BS6m1m2PTM1PTM2OI1OI2OI3OI4圖 2

19、.2 基于非相干光反饋的雙向混沌通信系統(tǒng)模型Fig 2.2 the model based on the two-way chaotic communication system of incoherent optical feedback8在以上系統(tǒng)構(gòu)架中，激光器的動力學(xué)行為可用下列速率方程描述: 2-51111111()( )( )( )ptdPGP tN tF td 2-611111111112( )( )()()sctdNIN tG P tk p tp tde 2-72222222()( )( )( )ptdPGP tN tF td 2-822222222212( )( )()()sc

20、IdNN tG P tk P tP tdte式中，下標(biāo) 1，2 分別對應(yīng) SL1和 SL2 ，P 為激光腔內(nèi)的光子數(shù)，N 為載流子數(shù)，N0為透明載流子數(shù)， 1/p為光子壽命，I 為注入電流，e 為電子電量，k為反饋系數(shù)， 為注入耦合系數(shù)， 為光反饋延遲時間， C為注入耦合延遲時間， 為自發(fā)輻射速率，F(xiàn) 為朗之萬噪聲頂，滿足關(guān)系 2-9( )( )2()ijjjjF t F tN Ptt G 為激光器有源區(qū)的增益，可以表示為: (j=1，2) 2-100()1NjjjjjjGNNGP其中，GN為增益系數(shù)， 為飽和系數(shù).在無參數(shù)失配時，系統(tǒng)可以實現(xiàn)無延時的高質(zhì)量混沌同步，能成功實現(xiàn)雙向?qū)崟r通信；參

21、數(shù)失配對系統(tǒng)的同步性能和通信質(zhì)量有一定的影響，但在激光器內(nèi)部參數(shù)失配在10%的范圍內(nèi)，系統(tǒng)相關(guān)系數(shù)均在 0.86 以上，具有較好的同步性能，因而系統(tǒng)能成功恢復(fù)信號，實現(xiàn)雙向通信。2.4 基于雙向光電混沌保密系統(tǒng)基于雙向光電混沌保密系統(tǒng)圖3.3為雙向光電耦合半導(dǎo)體激光器的系統(tǒng)模型，光信號分別從發(fā)射激光器和接收激光器輸出后，經(jīng)過光電探測器(PD)和放大器(A)后，轉(zhuǎn)化成電信號，再分別注入到接收激光器和發(fā)射激光器。TR和RT ， KRT和KTR分別表示發(fā)射激光器與接收激光器的延遲時間和耦合系數(shù)。9SL-TSL-RTR KTR RT KRTPDPDAA圖 2.3 光電雙向耦合半導(dǎo)體激光器模型.其中實線

22、和虛線分別代表電路徑和光路徑 SL-T 是發(fā)射激光器 SL-R 是接收激光器 PD 是光電探測器 A 是放大器Fig 2.3 the model of photoelectric two-way coupling semiconductor laser device 描述雙向光電耦合模型各激光器的速率方程6-8為: 2-1102TcTTTTTTSTtdSSg SS S Fd 2-120()1TTRTRTRTSTTTTtTTdNJStKNg SdedS 2-1302RcRRRRRRSRtdSSg SSS Fd 2-140()1RRTRTRTRSMMMMtRMdNJStKNg SdedS其中，下標(biāo)

23、 T 和 R 分別表示發(fā)射激光器和接收激光器，S 為激光器光子密度，N 為載流子密度，S0為激光器自由運轉(zhuǎn)時腔內(nèi)光子密度，J 為偏置電流密度， g 為光學(xué)增益， 為限制因子，e為腔內(nèi)光子衰減速率， s為載流子衰減速率，e 為電子電量，d 為激活層厚度，k 為激光器間的耦合強度， 為激光器之間的耦合時間，F(xiàn)s 為朗之萬隨機噪聲頂。滿足： 2-1520( )( )/ 2()Fs t Fs tRspAtt 2-16000/ 2*AhSn n10Rsp為激光器自發(fā)輻射速率， A0為激光器的自由運轉(zhuǎn)時的場振幅，其中，h為普朗克常量，0為中心頻率， n 為半導(dǎo)體介質(zhì)的折射率， 為自由空間的介電常數(shù).雙向光

24、電耦合半導(dǎo)體激光器，發(fā)射激光器和接收激光器之間隨機達到超前，滯后同步，系統(tǒng)對參數(shù)失配具有較好的容忍性，最大相關(guān)系數(shù)在 0.80.9 之間變化.第三章第三章 保密通信的方法保密通信的方法3.1 引言引言混沌同步通信是當(dāng)前國際上研究的一大熱點，同步混沌通信三大保密技術(shù)可以分為：混沌掩蓋技術(shù)(CM)，混沌參數(shù)調(diào)制(ACM)技術(shù)和混沌鍵控（CSK）技術(shù)?；煦鐓?shù)調(diào)制和混沌鍵控技術(shù)屬于混沌數(shù)字通信范疇，混沌掩蓋技術(shù)屬于混沌模擬通信范疇。3.2 混沌掩蓋技術(shù)混沌掩蓋技術(shù)混沌掩蓋是提出得最早的一種混沌保密通信方式，又稱混沌遮掩或混沌隱藏?；舅枷胧牵涸诎l(fā)送端，利用混沌信號作為載波來隱藏所傳信號或遮掩所要傳送

25、的信息，在這里面，混沌信號就是一種載體，在接受端則利用同步后的混沌信號解調(diào)，從而解調(diào)恢復(fù)出所要傳送的信息。在混沌掩蓋技術(shù)中的掩蓋方式主要有三種：相加、相乘或加和乘相結(jié)合，在接收端用同步后的混沌信號進行與之相對應(yīng)的逆運算即就可恢復(fù)出有用的信息，混沌系統(tǒng)同步的實現(xiàn)程度決定于這種通信方式的實現(xiàn)程度。相加:AB(t)=A(t)+B(t) 3-1相乘:AB(t)=A(t)B(t) 3-2加和乘相結(jié)合:AB(t)=1+kA(t)B(t) 3-3對于混沌掩蓋保密通信系統(tǒng)來說，為了保證混沌信號不偏離原有的混沌軌跡，因而選擇所要傳輸信號的幅值一般都較小，但是在通信系統(tǒng)中信道噪聲始終存在，如果傳輸信號的幅值小了，

26、就容易受到信道噪聲的干擾，因而混沌掩蓋對信道噪聲十分敏感，而且受線路帶寬限制，保密性也較低，在實用中存在困難，只適用于慢變信號，不能很好地處理快變信號和時變信號9。11信源混沌信號+混沌信號信宿圖 3.1 混沌掩蓋原理圖Fig 3.1 principle diagram of chaos masking信息源信息編碼解密加密信道編碼與調(diào)制物理信道信道解碼與調(diào)制信息解碼信息掩蓋圖 3.2 混沌掩蓋原理系統(tǒng)框圖Fig 3.2 system diagram of chaos masking principle這種混沌掩蓋通信方式的特點是: 混沌掩蓋直接把模擬信號發(fā)送出去，實現(xiàn)方式簡單；但它要求發(fā)送端

27、、接收端混沌系統(tǒng)的嚴(yán)格同步，且為了保證保密通信的安全性，要求信息信號的功率要比混沌掩蓋信號的功率低得多，否則將不能保證，其安全性將大大地受影響。對于安全通信系統(tǒng)必須滿足: 一是高度的保真度，恢復(fù)出來的信號失真度盡量小，也就是接收端解調(diào)出來的的信號應(yīng)和發(fā)送端所掩蓋的有用信號要一致；二是高度的安全度，使非法竊取信號者難以從截獲的信號中解調(diào)出發(fā)端所掩蓋的信號。12為了解決此類通信系統(tǒng)存在的問題，使系統(tǒng)具有較高的保真度和安全性，1999 年匡錦瑜提出了多級混沌掩蓋通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣在發(fā)送端和接收端都設(shè)計了兩級混沌系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的保真度和安全性。2002 年，李建芬等10提出了一種新的蔡氏混沌掩蓋通

28、信方法，利用這種方法提高了混沌掩蓋的安全性。思路是將所要傳輸?shù)男畔⑿盘柋恢苯蛹虞d在被發(fā)射的混沌信號中，利用一個自適應(yīng)線性神經(jīng)元，在接收端維持收發(fā)系統(tǒng)的嚴(yán)格同步，最后通過逆系統(tǒng)解調(diào)出所傳信息信號。3.3 混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，是在傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)中，用待發(fā)送的模擬或數(shù)字信號對載波的振幅、頻率或相位進行調(diào)制的 3 種基本的調(diào)制方式。在混沌通信系統(tǒng)中， 同樣也可以利用待發(fā)送的模擬或數(shù)字信號對混沌信號載波的各種參數(shù)進行調(diào)制， 從而產(chǎn)生了混沌參數(shù)調(diào)制的各種方法。混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)的基本思想是:利用發(fā)送端所傳輸?shù)男盘杹碚{(diào)制混沌系統(tǒng)的參數(shù)，在接收端利用混沌同步信號提取出相應(yīng)的混沌系統(tǒng)

29、參數(shù)，進而恢復(fù)出所傳輸?shù)男盘?。在混沌保密通信系統(tǒng)中混沌參數(shù)調(diào)制方式是一種主要針對數(shù)字信號的通信方式。有用信號一般為二進制位類。混沌參數(shù)調(diào)制技術(shù)的基本思想是：利用發(fā)送端所傳輸?shù)亩M制信號來調(diào)制混沌系統(tǒng)的參數(shù)，在接收端利用混沌同步信號，解調(diào)出相應(yīng)的混沌系統(tǒng)參數(shù)，然后恢復(fù)傳送的信號。在單參數(shù)調(diào)制的情況下，假設(shè)變量 Z1、Z2 和 Z3 是發(fā)射端混沌系統(tǒng)的變量；變量 Z4 和 Z5 是接收端混沌系統(tǒng)的變量；W 為要傳送的二進制信息信號。用信號 W 去調(diào)制這個混沌通信系統(tǒng)中的混沌信號 Z2，當(dāng) W 信號處于低電平時，令 Z2 等于 Z4，系統(tǒng)處于同步狀態(tài)，當(dāng) W 信號處于高電平時，使 Z2 不等于 Z4

30、，系統(tǒng)處于異步狀態(tài)。然后，取出差值信號Z2-Z4，再進行整形、濾波，就可解調(diào)恢復(fù)出原來的二進制信息 W。這種方案實質(zhì)是將要發(fā)送的二進制信息隱藏在系統(tǒng)的參數(shù)內(nèi)，其保密性能比混沌掩蓋好?；煦鐓?shù)調(diào)制方式的關(guān)鍵在于混沌系統(tǒng)參數(shù)的恢復(fù)，外界的干擾對它會產(chǎn)生很大影響，有較強的敏感性，從而就降低了通信的效率。為了解決這個問題，人們采用在一個混沌系統(tǒng)中利用多個參數(shù)進行調(diào)制的方案，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，多參數(shù)調(diào)制方案雖然拓寬了混沌參數(shù)調(diào)制方式的應(yīng)用范圍，但是隨著參數(shù)數(shù)目的增多，各個參數(shù)間又會產(chǎn)生相互影響，帶來了麻煩和問題。13后來，發(fā)現(xiàn)更具發(fā)展前景的激光光纖混沌調(diào)制通信能較好地克服這些存在的缺陷，因而備受關(guān)注。這

31、種方案的適用范圍與混沌掩蓋相同，因此不再提及。發(fā)送系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，接收端將產(chǎn)生同步誤差，也就是說驅(qū)動信號和接收系統(tǒng)產(chǎn)生的混沌信號存在誤差，就是同步誤差，利用這個同步誤差來對比，來判斷所傳送的數(shù)字信號。這種方法有兩個優(yōu)點:一是它把混沌信號整個譜的范圍都用來隱藏和掩蓋信息;二是增加了對參數(shù)變化的敏感性，增強了系統(tǒng)的保密性。對這種方法的主要研究有:數(shù)字混沌調(diào)制的有線 CD2MA 通信、脈沖同步的混沌調(diào)制、無同步的脈沖無線發(fā)送的混沌調(diào)制等?；煦珧?qū)動電路混沌同步電路I(t)=Cs(t)s(t)= I(t) I(t)I(t)I(t)圖 3.3 混沌參數(shù)調(diào)制原理圖Fig 3.3 principle diag

32、ram of chaos parameter modulation該技術(shù)系統(tǒng)如圖所示。14Z1 Z2 Z3Z4 Z5取絕對值整形低通濾波發(fā)送端接收端WW圖 3.4 混沌參數(shù)調(diào)制系統(tǒng)Fig 3.4 system of chaos parameter modulation圖中：Z1、Z2、Z3 是發(fā)射端混沌系統(tǒng)的變量；Z4、Z5 是接收端混沌系統(tǒng)的變量；W 是傳輸?shù)男盘?。圖 3.4 在單參數(shù)調(diào)制的情況下，假設(shè)變量 Z1、Z2 和 Z3 是發(fā)射端混沌系統(tǒng)的變量；變量 Z4 和 Z5 是接收端混沌系統(tǒng)的變量；W 為要傳送的二進制信息信號。用信號 W 去調(diào)制這個混沌通信系統(tǒng)中的混沌信號 Z2，當(dāng) W 信

33、號處于低電平時，令 Z2 等于 Z4，系統(tǒng)處于同步狀態(tài)，當(dāng) W 信號處于高電平時，使 Z2 不等于 Z4，系統(tǒng)處于異步狀態(tài)。然后，取出差值信號Z2-Z4，再進行整形、濾波，就可解調(diào)恢復(fù)出原來的二進制信息 W?；煦鐓?shù)調(diào)制方式的關(guān)鍵在于混沌系統(tǒng)參數(shù)的恢復(fù)，外界的干擾對它會產(chǎn)生很大影響，有較強的敏感性，從而就降低了通信的效率。為了解決這個問題，15人們采用在一個混沌系統(tǒng)中利用多個參數(shù)進行調(diào)制的方案，增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，多參數(shù)調(diào)制方案雖然拓寬了混沌參數(shù)調(diào)制方式的應(yīng)用范圍，但是隨著參數(shù)數(shù)目的增多，各個參數(shù)間又會產(chǎn)生相互影響，帶來了麻煩和問題。后來，發(fā)現(xiàn)更具發(fā)展前景的激光光纖混沌調(diào)制通信能較好地克服這些存

34、在的缺陷，因而備受關(guān)注。3.4 混沌鍵控技術(shù)混沌鍵控技術(shù)混沌鍵控技術(shù)的實現(xiàn)主要分為混沌開關(guān)鍵控和混沌差分鍵控兩類?；煦玳_關(guān)鍵控，發(fā)送端混沌系統(tǒng)的參數(shù)由所發(fā)送的數(shù)字信號去調(diào)制，信息被編碼在兩個混沌系統(tǒng)中，發(fā)送端混沌系統(tǒng)的參數(shù)在“1”和 “0”兩個值中來回切換，接收端有著與發(fā)送端匹配的混沌系統(tǒng)，其參數(shù)分別固定為這兩個值其中之一。利用信息發(fā)送間隔檢測各混沌系統(tǒng)的同步誤差，來判決出所發(fā)送信息；混沌差分鍵控，它的基本原理是：將發(fā)射的每一個信息比特的時間分成兩段，分別用來傳送參考信號和數(shù)字信號。參考信號與數(shù)字信號存在關(guān)聯(lián)，參考信息取決于所發(fā)送的數(shù)字信號，然后利用相關(guān)特性和信號實現(xiàn)解調(diào)，從而在接收端解調(diào)恢復(fù)

35、出所傳輸?shù)男盘?。由于在差分混沌鍵控技術(shù)中，混沌信號不具有周期性，即“1”碼與“0”所攜帶的能量并不完全一致，所以即便是在沒有噪聲干擾的情況下，相關(guān)估計的結(jié)果也存在偏差，因此會對系統(tǒng)的誤碼性能產(chǎn)生影響。DCSK微分混沌頻移鍵控、QCSK 積分混沌頻移鍵控以及 FM-DCSK 是混沌鍵控常用的幾種。混沌鍵控(CSK)的原理與方法是由 Hasler、Dedieu、Kennedy 首次在國際上提出的。1996 年為了決了 CSK 判決門限值依賴于信噪比的問題，Kolumban 提出 DCSK 方案。CSK 混沌鍵控的基本原理是: 用 2 個不同的混沌振蕩電路產(chǎn)生的輸出信號分別代表“0” 、 “1” ，

36、用開關(guān)來回切換，而開關(guān)由所要傳輸?shù)男畔⒃纯刂?。圖 3.5 是 CSK 調(diào)制器方框圖，圖中要傳輸?shù)亩M制信息源是bi，二進制信息的混沌信號是gi(t)。對 CSK 解調(diào)有相干解調(diào)、非相干解調(diào)兩大類方法。在接收端， 相干解調(diào)判斷混沌信號代表的信息，是利用相關(guān)接收原理來判斷的，對非相干解調(diào)來說，嚴(yán)格要求收、發(fā)端混振電路的同步，并且具有較高的抗噪聲性能；而非相干解調(diào)，是通過對于比較混沌信號的能量來判決混沌信號代表的信息，16對收發(fā)端混振電路同步與否無關(guān)，但系統(tǒng)抗噪聲性能差12。發(fā)送端混振 1發(fā)送端混振 2g1(t)g2(t)si(t)=gi (t)bi圖 3.5 CSK 調(diào)制器方框圖Fig 3.5 b

37、lock diagram of CSK modulator當(dāng)輸入信號為數(shù)字信號時，采用混沌鍵控方式混沌的特性可以更好地展現(xiàn)。混沌鍵控保密通信的一般原理是: 一般由多個混沌系統(tǒng)構(gòu)成發(fā)送端，由于在傳輸數(shù)字信號的時候，在特定的參數(shù)下不同的系統(tǒng)生成的混沌波都各不相同，用不同種類型的混沌波來表示“0”和“1” ，把這個混沌波反送到信道上傳輸；在接收端，利用與發(fā)送端匹配的混沌系統(tǒng)，在驅(qū)動信號作用下與使之發(fā)送端嚴(yán)格同步，從而解調(diào)出所傳送的加密信息?；煦珂I控是利用不同的混沌系統(tǒng)描述二進制信息中的“0”和“1” ，選擇差異明顯的系統(tǒng)，避免混淆，使其產(chǎn)生的不同的混沌波代表不同的二進制信息，這樣就增強了系統(tǒng)的抗噪性

38、，減少了誤碼率?？墒牵@種方法也存在一定的安全隱患，就是在混沌信號被截取的情況下，完全沒有任何的保密性可言，因此，如何提高混沌信號的復(fù)雜度，以及利用超混沌信號做驅(qū)動信號來提高保密性已經(jīng)成為近年來的熱點13?？墒?，在系統(tǒng)同步的基礎(chǔ)上利用不同的超混沌信號來回切換調(diào)制實現(xiàn)數(shù)字保密通信的方案，不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，而且也加大了成本。3.5 小結(jié)小結(jié)隨著混沌同步和混沌調(diào)制理論的建立和快速發(fā)展，混沌保密通信成了通信方向研究的熱點，得到廣泛關(guān)注和研究，并出現(xiàn)很多種類的實現(xiàn)方案。除了上17述的基于混沌同步的主要通信技術(shù)，還有非同步的混沌通信，如逆系統(tǒng)混沌保密通信、混沌吸引子保密通信等。在理論上，這類方案已

39、經(jīng)取得了很大的進展，但目前還處于研究發(fā)展初期，實際實踐還很欠缺，非同步混沌理論實踐還需進一步完善。利用超混沌信號和時空混沌實現(xiàn)保密通信將是今后混沌理論和混沌通信應(yīng)用中最重要的研究方向之一。因為這類方法比一般混沌通信具有更好的保密性，信息存儲容量和信息處理能力也更強，但同時對系統(tǒng)的復(fù)雜程度要求會更高，也會增加設(shè)備的成本。第四章第四章 結(jié)束語結(jié)束語在 21 世紀(jì)信息技術(shù)高速發(fā)展，經(jīng)濟全球化的今天，混沌保密通信已經(jīng)成為一個極富發(fā)展前景的具有挑戰(zhàn)性的高新科技領(lǐng)域。有很多領(lǐng)域都在利用混沌進行保密通信，其主要途徑有電路系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、激光系統(tǒng)等，其中最成熟、研究結(jié)果最豐富的是電路系統(tǒng)。計算

40、機、信息、通信和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，以計算機為核心的全球網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成，有人問，21 世紀(jì)什么最貴？信息！信息已經(jīng)成為了一種財富。從各個國家政治、軍事機密，到個人隱私、基本信息都需要可靠的安全保密措施。然而，現(xiàn)代計算機技術(shù)的高度發(fā)展，也為破譯密碼系統(tǒng)提供了強大的武器。利用計算機網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)上犯罪，非法訪問銀行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，更改個人賬戶信息，謀取經(jīng)濟利益，這種現(xiàn)象層出不窮；盜取密碼、篡改信息，闖入政府或軍事部門竊取機密等一系列高科技犯罪屢有報道。這不僅說明有些機構(gòu)的信息保密工作不力，而且也說明傳統(tǒng)的保密技術(shù)已經(jīng)不適應(yīng)當(dāng)今高度發(fā)展的竊密技術(shù)，亟需進一步提高信息保密的可靠性和安全性?；煦缧盘柼焐哂须[蔽性

41、，它具有高度的初值敏感性即使是兩個完全相同的混沌系統(tǒng)，即使是差異非常微小的初始條件，經(jīng)過數(shù)次迭代，它們也會產(chǎn)生出具大的差異，它們的運動軌道將很快變的千差萬別。加上混沌信號的不可預(yù)測性以及類似噪聲的寬帶功率譜密度等突出特征，使得它十分適用于保密通信?；煦缧盘柕母叨入[蔽性、長期不可預(yù)測性和抗截獲能力的特性，而混沌系統(tǒng)本身卻又是確定性的，易產(chǎn)生，便于復(fù)制的，二者相結(jié)合，完美的結(jié)合非常18適合應(yīng)用于保密通信的場合14?；煦绫Ｃ芡ㄐ偶夹g(shù)的興起，為傳輸信息保密開辟了一條嶄新的道路。利用混沌信號，隱藏信息，傳輸信息不僅僅是通信領(lǐng)域的發(fā)展新方向，更是密碼學(xué)發(fā)展新方向之一，也是混沌應(yīng)用領(lǐng)域研究中的熱點。參考文獻

42、參考文獻1 H.B.Ghobad, D.M.Clare, A.Gillen. Chaotic direct-sequence Spread-spectrum Communication System. IEEE Transaction On Communication Vol.42, No.1 2/3/4,1994, 15241527.2 T.Hidetosh, Shigeo Sato KojiNaka-jima. Integrated Circuits of Map Generators. Analog Integrated Circuits and Signal Processing. 2

43、000, 25: 329335.3 王軍選，劉聯(lián)會.混沌理論及其在通信中的應(yīng)用.Application of Chaos on Spread Spectrum Communication.西安科技學(xué)院通信工程系.西安:2002.4 華漫，解協(xié)剛.混沌保密通信研究進展.中國民航飛行學(xué)院計算機學(xué)院.四川廣漢: 618307，福建電腦，8.2006.5 T.Heil, I.Fischer, W.Elssser. Chaos synchronization and spontaneous symmetry-breaking in symmetrically delay-coupled semicond

44、uctor lasers. Phy. Rev. Lett. vol.86 no. 5: 795-798; 2001.6 H.D.I .Bbanel, M.B.Kennel, L.Illing, J.M.Liu. Synchronization and communication using semiconductor lasers with opto-electronic feedback. IEEE J.Quanturn Electron, vol.37, no.10: 1301-1311,2001.7 S.Tang, J.M.Liu. Chaotic pulsing and quasi-p

45、eriodic route to chaos in a semiconductor laser with delayed opto-electronic feedback. IEEE J.Quanturn Electron, vol.37, no.3: 329-336, 2001.8 M.C.Chiang, H.F.Chen, J.M.Liu. Experimental synchronization of mutually coupled semiconductor lasers with opto-elelectronic feedback. IEEE J.Quanturn Electro

46、n, vol.41, no.11:1333-1340, 2005.9 申敏，劉娟.Rossler 超混沌的同步及其在保密通信中的應(yīng)用J.重慶郵電大學(xué)學(xué)報，2009，21(03):54-57.10 余英林，謝勝利，蔡漢添.信號處理新方法導(dǎo)論M.北京:清華大學(xué)出版社，2004.11 王棟，張金春，王新宇.同步混沌保密通信研究與發(fā)展. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報，2006.12 石幸利.基于混沌同步的保密通信方法分析.重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院， 重慶:2006.13 孫琳，姜德平.驅(qū)動函數(shù)切換調(diào)制實現(xiàn)超混沌數(shù)字保密通信J.物理學(xué)報，2007，55(07):3283-3288.14 司學(xué)琴.混沌調(diào)制技術(shù)及其在無

47、線通信系統(tǒng)中可行性實現(xiàn)方案的研究.吉林:2003:5-8.19致謝：致謝：大學(xué)時光如白駒過隙，大學(xué)時光如白駒過隙，一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，完成一晃而過，回首走過的歲月，心中倍感充實，完成本論文時，我感觸良多，在此我想對我的母校，我的老師和同學(xué)們表達我由衷本論文時，我感觸良多，在此我想對我的母校，我的老師和同學(xué)們表達我由衷的謝意。的謝意。 首先，感謝我的母校西南大學(xué)給了我在大學(xué)深造的機會，讓我能有機會讓首先，感謝我的母校西南大學(xué)給了我在大學(xué)深造的機會，讓我能有機會讓自己不斷學(xué)習(xí)和提高。誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師吳正茂老師，感謝何元師自己不斷學(xué)習(xí)和提高。誠摯的感謝我的論文指導(dǎo)老師吳

48、正茂老師，感謝何元師姐，他們在忙碌的教學(xué)工作和學(xué)習(xí)中擠出時間來修改、審查我的論文。何元師姐，他們在忙碌的教學(xué)工作和學(xué)習(xí)中擠出時間來修改、審查我的論文。何元師姐給了我很大幫助，她嚴(yán)謹(jǐn)細致、一絲不茍的作風(fēng)是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；姐給了我很大幫助，她嚴(yán)謹(jǐn)細致、一絲不茍的作風(fēng)是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。感謝教過我的所有老師們，同學(xué)們，大學(xué)四年中陪伴在我身邊的朋友們，感謝教過我的所有老師們，同學(xué)們，大學(xué)四年中陪伴在我身邊的朋友們，感謝你們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見，有了你們的支持、鼓勵和幫助，我才感謝你們?yōu)槲姨岢龅挠幸娴慕ㄗh和意見，有了你們的支持、鼓勵和幫助，我才能充實的度過了三年的學(xué)習(xí)生活。能充實的度過了三年的學(xué)習(xí)生活。