混沌通訊實驗報告範文

實驗一： 非線性電阻的伏安特性實驗

1．實驗目的：測繪非線性電阻的伏安特性曲線

2．實驗裝置：混沌通訊實驗儀。

3．實驗物件：非線性電阻模組。

4．實驗原理框圖：

圖1 非線性電阻伏安特性原理框圖

5．實驗方法：

第一步：在混沌通訊實驗儀面板上插上跳線J01、J02，並將可調電壓源處電位器旋鈕逆時針旋轉到頭，在混沌單元1中插上非線性電阻NR1。

第二步：連線混沌通訊實驗儀電源，開啟機箱後側的電源開關。面板上的電流表應有電流顯示，電壓表也應有顯示值。

第三步：按順時針方向慢慢旋轉可調電壓源上電位器，並觀察混沌面板上的電壓表上的讀數，每隔0.2V記錄面板上電壓表和電流表上的讀數，直到旋鈕順時針旋轉到頭。

第四步：以電壓為橫座標、電流為縱座標用第三步所記錄的資料繪製非線性電阻的伏安特性曲線如圖2所示。

圖2非線性電阻伏安特性曲線圖

第五步：找出曲線拐點，分別計算五個區間的等效電阻值。

實驗二： 混沌波形發生實驗

1．實驗目的：調節並觀察非線性電路振盪週期分岔現象和混沌現象。

2．實驗裝置：混沌通訊實驗儀、數字示波器1臺、電纜連線線2根。

3．實驗原理圖：

圖3 混沌波形發生實驗原理框圖

4．實驗方法：

第一步：拔除跳線J01、J02，在混沌通訊實驗儀面板的混沌單元1中插上電位器W1、電容C1、電容C2、非線性電阻NR1，並將電位器W1上的旋鈕順時針旋轉到頭。

第二步：用兩根Q9線分別連線示波器的CH1和CH2埠到混沌通訊實驗儀面板上標號Q8和Q7處。開啟機箱後側的電源開關。

第三步： 把示波器的時基檔切換到X－Y。調節示波器通道CH1和CH2的電壓檔位使示波器顯示屏上能顯示整個波形，逆時針旋轉電位器W1直到示波器上的混沌波形變為一個點，然後慢慢順時針旋轉電位器W1並觀察示波器，示波器上應該逐次出現單週期分岔(見圖

4)、雙週期分岔(見圖5)、四周期分岔(見圖6)、多週期分岔(見圖7) 、單吸引子(見圖8)、雙吸引子(見圖9)現象。

圖4 單週期分岔

圖5雙週期分岔圖6四周期分岔

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圖7多週期分岔圖8單吸引子

圖9 雙吸引子

注：在調試出雙吸引子圖形時，注意感覺調節電位器的可變範圍。即在某一範圍內變化，雙吸引子都會存在。最終應該將調節電位器調節到這一範圍的中間點，這時雙吸引子最為穩定，並易於觀察清楚。

實驗三 混沌電路的同步實驗

1．實驗目的：除錯並觀察混沌同步波形

2．實驗裝置：混沌通訊實驗儀、雙通道示波器1臺、電纜連線線2根。

3．實驗原理圖：

圖10 混沌同步原理框圖

4．工作原理：

1），由於混沌單元2與混沌單元3的電路引數基本一致，它們自身的振盪週期也具有很大的相似性，只是因為它們的相位不一致，所以看起來都雜亂無章。看不出它們的相似性。

2），如果能讓它們的相位同步，將會發現它們的振盪週期非常相似。特別是將W2和W3作

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適當調整，會發現它們的振盪波形不僅週期非常相似，幅度也基本一致。整個波形具有相當大的等同性。

3），讓它們相位同步的方法之一就是讓其中一個單元接受另一個單元的影響，受影響大，則能較快同步。受影響小，則同步較慢，或不能同步。為此，在兩個混沌單元之間加入了“通道一”。

4），“通道一”由一個射隨器和一隻電位器及一個訊號觀測口組成。

射隨器的作用是單向隔離，它讓前級（混沌單元2）的訊號通過，再經W4後去影響後級（混沌單元3）的工作狀態，而後級的訊號卻不能影響前級的工作狀態。

混沌單元2訊號經射隨器後，其訊號特性基本可認為沒發生改變，等於原來混沌單元2的訊號。即W4左方的訊號為混沌單元2的訊號。右方的為混沌單元3的訊號。

電位器的作用：調整它的阻值可以改變混沌單元2對混沌單元3的影響程度。

5．實驗方法：

第一步：插上面板上混沌單元2和混沌單元3的所有電路模組。按照實驗二的方法將混

沌單元2和混沌單元3分別調節到混沌狀態，即雙吸引子狀態。電位器調到保持雙吸引子狀態的中點。

除錯混沌單元2時示波器接到Q5、Q6座處。

除錯混沌單元3時示波器接到Q3、Q4座處。

第二步：插上“通道一”和鍵控器，鍵控器上的開關置“1”。用電纜線連接面板上的Q3和Q5到示波器上的CH1和CH2，調節示波器CH1和CH2的電壓檔位到0.5V。

第三步：細心微調混沌單元2的W2和混沌單元3的W3直到示波器上顯示的波形成為過中點約45度的細斜線。如圖11：

圖11 混沌同步調節好後示波器上波形狀態示意圖

這幅圖形表達的含義是：如果兩路波形完全相等，這條線將是一條45度的非常乾淨的直線。45度表示兩路波形的幅度基本一致。線的長度表達了波形的振幅，線的粗細代表兩路波形的幅度和相位在細節上的差異。所以這條線的優劣表達出了兩路波形的同步程度。所以，應儘可能的將這條線調細，但同時必須保證混沌單元2和混沌單元3處於混沌狀態。

第四步：用電纜線將示波器的CH1和CH2分別連線Q6和Q5，觀察示波器上是否存在混沌波形，如不存在混沌波形，調節W2使混沌單元2處於混沌狀態。再用同樣的方法檢查混沌單元3，確保混沌單元3也處於混沌狀態，顯示出雙吸引子。

第五步：用電纜線連接面板上的Q3和Q5到示波器上的CH1和CH2，檢查示波器上顯示的波形為過中點約45度的細斜線。

將示波器的CH1和CH2分別接Q3和Q6，也應顯示混沌狀態的雙吸引子。

第六步：在使W4儘可能大的情況下調節W2，W3，使示波器上顯示的斜線儘可能最細。 思考題：為什麼要將W4儘可能調大吶？如果W4很小，或者為零，代表什麼意思？會出現什麼現象？

實驗四 混沌鍵控實驗

1．實驗目的：用混沌電路方式傳輸鍵控訊號

2．實驗裝置：混沌通訊實驗儀、雙通道示波器1臺、電纜連線線2根。

3．實驗原理框圖：

圖12 混沌鍵控實驗原理框圖

鍵控器說明：鍵控器主要由三個部份組成：

1） 、控制訊號部份：控制訊號有三個來原。

A，手動按鍵產生的鍵控訊號。低電平0V，高電平5V。

B，電路自身產生的方波訊號，週期喲40mS。低電平0V，高電平5V。

C，外部輸入的數字訊號。要求最高頻率小於100Hz，低電平0V，高電平5V。

2） 、控制訊號選擇開關：開關撥到“1”時，選擇手動按鍵產生的鍵控訊號。按鍵不按

時輸出低電平，按下時輸出高電平。

開關撥到“2”時，選擇電路自身產生的方波訊號。

開關撥到“3”時，選擇外部輸入的數字訊號。

3） 、切換器：利用選擇開關送來的訊號來控制切換器的輸出選通狀態。當到來的控制

訊號為高電平時，選通混沌單元1，低電平選通混沌單元2。

4．實驗方法：

第一步：在混沌通訊實驗儀的面板上插上混沌單元1、2和3的所有電路模組。按照實驗二的方法分別將混沌單元1、2和3調節到混沌狀態。

第二步： 在面板上插上鍵控單元，通道一和訊號處理單元。將鍵控器上的撥動開關撥到

一、什麼是混沌偽

隨機序列偽隨機序列是用函式生成隨機數，它並不真正是隨機的，只是比較近似隨機，這也是其“偽”的由來。下面我們舉一類來具體說明偽隨機序列：

序列α= 0110100,其中0和1的個數相差1。把α看成周期為7的無限序列，左移1位得，α1 = 1101000，把α1也看成周期為7的無限序列。α= 0110100、α1=1101000在一個週期裡，α和α1的對應位置元素相同的位置有3個，元素不同的位置有4個，它們的差等於－1，這個數稱為α的自相關函式在1處的值。類似地，把α左移2位，3位，…6位，可以求出α的自相關函式在2處，3處，…6處的值也等於－1。當0 < s<7時，稱為α的自相關函式的旁瓣值。從剛才所求出的結果知道，α= 0110100的自相關函式的旁瓣值只有一個：－1。像這樣的序列稱為偽隨機序列或擬完美序列，即一個週期為v的無限序列，如果在一個週期裡，0和1的個數相差1，並且它的自相關函式的旁瓣值只有一個：－1，則稱它為偽隨機序列或擬完美序列。α的自相關函式的旁瓣值的絕對值越大，就表明與α越像。因此如果週期為v的序列α是一個偽隨機序列，那麼α不管左移幾位(只要不是v的倍數)，得到的序列都和α很不像，這樣就很難分辨出α是什麼樣子。這說明了用偽隨機序列作為金鑰序列，是比較安全的，這也是如今其在網路安全以及通訊安全中廣泛應用的原因。然而混沌偽隨機序列是指具有對初值有高度敏感性、長期不可預測性和遍歷性等特行的偽隨機序列。

二、混沌密碼學研究概況

20年來穩健發展的重要標誌：

混沌保密密碼學正在邁進實用化：

實驗有效驗證了混沌系統的基本特性：寬譜性、對初值和系統引數的敏感 性、有界性、遍歷性、內隨機性、分維性、標度性、普適性和統計特徵等，這些 寶貴的特性與密碼的需求相一致，引起密碼學界的高度關注和重視。實際上，早 在1984年就提出了混沌加密思想，以後混沌和密碼學結合使混沌加密的研究不 斷深入。迄今，不僅建立l數字化混沌通訊，並將混沌密碼應用於資訊保安與保 密通訊領域。隨著大規模積體電路的高速發展，計算機及可程式設計邏輯電路計算精 度與運算速度的不斷提高，已使混沌特性退化現象大為減弱，混沌保密體制正在 走進實用化。

混沌分形與高效能混沌流密碼已是當今研究重要的課題：

混沌密碼研究主要包括：

1.利用單個或多個混沌系統產生偽隨機序列作為金鑰序列，實現對原文的加密；

2.用明文或金鑰作為混沌系統的初始條件或結構引數，通過混沌系統合適的迭代 次數產生密文。

第一種方式對應於流密碼，第二種方式對應於分組加密。由於混沌序列是複雜的 偽隨機序列，它在構造複雜流密碼極具大優勢，且在保密通訊中應用這種非線性 序列，結構複雜，難以分析和預測，可以滿足網路上資料安全傳輸和數字保密通 信等領域的廣泛需求.

混沌流密碼:

當前主要加密方法

對稱分組密碼演算法：DES和AES

公鑰分組密碼演算法：RSA

序列密碼演算法：流密碼，反饋移位暫存器LSFR或NLSFR

單向雜湊演算法：不可逆Hash函式，MD5和SHA-1、-2，用來身份識別或完整性鑑定。

混沌加密是新的有效方法與傳統方法結合，妙用無窮！

1976年美國學者提出的公鑰密碼體制克服了網路資訊系統金鑰管理的困難, 同時解決了數字簽名問題,又可用於身份認證。基於混沌-分形的密碼理論的研 究成為當前混沌通訊研究的另一個重要課題。

流密碼是單鑰加密體制中對應於分組密碼的一種重要加密技術，由於其軟硬 件可實現性好、易於實現同步通訊及加密速度快，從一開始提出便受到了廣泛的 關注，並相繼制定了多種國際標準( A5/2、RC4、MUG1、SEAL、SNOW及SOBER

等)。流密碼除具有普適的對稱加密應用外，目前廣泛應用於GSM行動通訊、碼 分多址通訊(CDMA)、GPS衛星定位系統等通訊系統中。流密碼系統的核心設計 部分是偽隨機數發生器（PRNG）:它決定了一個流密碼系統的安全性。流密 碼強度完全依賴於PRNG所生成金鑰流的隨機性和不可預測性。混沌理論的發展 為流密碼加密提供了新思路，混沌是非線性確定性系統產生的內在隨機行為，在 理想條件下時序具有無限大的週期，具有類似高斯白噪聲的統計特性。更重要的 是，混沌系統具有對初始值和引數極端敏感，長期行為的不可預測性，可提供巨 大的金鑰空間，混沌對映的特點很好地滿足加密系統的要求。從而混沌偽隨機序 列正蓬勃發展。

三、混沌偽隨機序列的產生技術與應用例項

鑑於混沌偽隨機序列良好的安全性，近些年來，混沌偽隨機序列已經引起了研究人員的極大興趣。各種偽隨機序列產生演算法也層出不窮，目前市面上流行的主要有下面幾類偽隨機序列：

1.基於Logistic 對映產生混沌二值序列，然後將所得序列進行函式運算得到最終的偽隨機序列；

2.利用時空混沌系統生成實值序列，二進位制化序列的小數部分生成二值序列；

3.基於三維Liu 系統生成混沌序列，然後對序列進行改進從而生成所需序列；

4.利用Logistic 對映生成兩個混沌實值序列，通過比較兩序列值的大小生成二值序列；

5.最近剛剛提出的一種基於超混沌系統生成偽隨機序列，超混沌是一種特殊的混沌系統，具有兩個或兩個以上正的Lyapunov 指數。這是一種新的基於摻鉺光纖鐳射器超混沌特性的偽隨機二值序列。演算法首先多位量化混沌實值生成多個二值

序列，然後對序列進行異或運算從而生成最終的混沌序列，有效避免了計算機有限精度效應引起的序列短週期問題。

前四種方法都是使用單一低維的混沌系統，保密系統來說並不總是安全的，而且其中有些序列已經被成功的分析和破譯了。然而對於第五類密碼，就目前而言是比較安全的，因為對混沌系統而言，正的Lyapunov 指數越多，表示系統的軌道不穩定的方向越多，其隨機性就越強，因而基於該系統生成的序列的安全效能就越強，就目前計算機的計算水平，想要破譯是相當困難的。具體的超混沌隨機序列的產生演算法可以見文獻【2】。

有研究者使用這樣的加密技術進行了影象的加密，其加密效果如下：

一、 實驗目的

1. 瞭解保密通訊的重要性；

2. 掌握掩蓋法實現訊號保密的基本原理；

3. 掌握高階超混沌訊號產生原理；

4. 掌握DSP或FPGA上具體實現方法。

二、 實驗原理

掩蓋法實現訊號保密原理就是將傳輸訊號與偽隨機訊號相迭加，受到放將接受到的加密訊號去除偽隨機訊號可恢復出原始訊號，在通訊過程需要保持訊號同步，而偽隨機訊號採用高階超混沌發生器產生並經過非線性轉化獲得。

超混沌數學模型採用4階Matsumoto-Chua-kobayashi模型：

1010xx210.70 x30004001.5x0x11x002g(x1,x3) 0x3100x40

其中g為分段線性函式

0.23(x1x31)x1x31g(x1,x3)0.2(x1x3) 1x1x31

0.23(xx1)xx11313

有四個輸出變數可供選擇。

非線性變換採用函式如下：

en(t)g(z1,z2)k1z1k2z2

其中k1、k2取整數，為非線性變換引數也是本加密方法的金鑰，z1、z2為超混沌電路的任意兩個輸出變數。經過非線性變換後的en(t)作為混沌掩蓋載波，不同於任何一個超混沌電路的輸出訊號xi,i1,2,3,4，而是它們的非線性變換，兩個非線性訊號經過非線性變換後，產生了新的頻率成分，顯然訊號複雜度更高了。

三、 實驗步驟

1．構造有限長度的訊號序列（如語音訊號），或由影象轉化所整數型訊號序列；

2．通過4階Matsumoto-Chua-kobayashi模型產生超混沌序列；

3．將超混沌序列掩蓋訊號序列並獲得加密訊號序列，然後通過通道傳輸出去；

4．接受方受到訊號後採用超混沌訊號序列去掩蓋獲得原訊號序列；

5．將實現方案採用Matlab或C語言程式設計並模擬正確；

6．在瑞泰DSP開發箱或周立功EDA開發箱進行實際測試。

四、實驗結果及分析

分析實驗結果並提出如何改進建議，並完成實驗報告。