混沌保密通讯

• 实验指导老师：乐永康

20 世纪 60 年代以来,混沌现象被发现并日益受到重视.由于混沌对初值的敏感性和长期的不可预测性,混沌现象可以有许多实际用途.尤其是在理论和实验上对混沌系统的同步进行研究，使得混沌保密通信应运而生.

利用混沌电路对信号进行加密有二种思路.第一是直接把混沌信号叠加在需要传输的有用信号上,使得混合信号在表面上有类似噪声的特征,在接收端利用同步的混沌信号对加密混合信号进行还原,得到原来的信号.这称之为混沌覆盖.第二是用数字信号对混沌电路的系统参数进行编码,使得混沌电路在两种状态当中切换,有用信号编入混沌信号中传输.在接收端有一相同的混沌系统,但是只有一种状态.这样如果约定两电路同步为一种状态,两电路去同步为另一种状态,就可以实现数字信号的传输.这种方法被称之为混沌编码.

混沌覆盖保密可以用于任何信号的传输,但是保密效果比混沌编码通信差.然而混沌编码通信只能传输数字信号而不能传输模拟信号.

• 蔡氏电路实验箱两台
• 双踪示波器两台
• 信号发生器
• 面包板，运算放大器，电阻，导线等

• 实现混沌掩盖保密通讯。

混沌保密通信实验基于两个蔡氏电路的同步，只要将所需传输的信号与混沌系统的信号叠加和相减就可以完成加密和解密。下图是设计思想的电原理图

右边的蔡氏电路处于信号发送端,左边的蔡氏电路处于信号接收端,两者 U2 通过同步线相连,事实上由于导线也有一定的电阻,同步线上应该有一个小电阻,这里从略.两个蔡氏电路最下端导线都接地. 发送端蔡氏电路的 U1 信号通过加法器与有用信号相加,传输到接收端后,用减法器从中减去同步过的U1信号,便得到原来的信号.

加法器与减法器用运算放大器及电阻实现,电路采用模拟电子学教材当中最常见的结构.

在解密输出端还使用了一阶无源 RC 滤波器,以期滤掉高频杂波,得到更高质量的信号.

将所设计的电原理图输入Pspice软件中进行模拟,其中蔡氏二极管和加法器减法器当中使用的运算放大器都是LF353. 根据模拟的结果验证设计思想和改进电路设计。

用 50Hz 的方波来代替有用信号。首先将两个蔡氏电路系统都调至双吸引子的振荡状态,之后连接同步线使其同步,再接好通信模块和信号源,在两台示波器上分别观察解密信号与原始信号的对比和两蔡氏电路的同步情况.

下图是运算放大器和周边电阻（即加密和解密模块）

4.1 频谱分析 对混合信号进行频谱分析,与原来的信号相比,混合信号在相当宽的频域范围内呈现杂乱的类噪声特征.并不能通过简单滤波得到原始信号.

频谱分析可以由带FFT分析功能的数字示波器来完成，这里的图是用Pspice软件得到的结果。“有用信号”是一个50Hz单色正弦波，两张图分别对应了信号线和同步线。

4.2 保密时序图分析

蔡氏电路的U1和U2都可以用来做同步信号.如果一个用做同步,另一个就用作覆盖.但事实上,U1 和 U2 是不同的.在本电路中,运算放大器接 15V 电源,U1 信号的振幅大约为 14V,而 U2 信号的振幅大约只有 4V.

如果U1作为同步信号,U2作为覆盖信号,可以看到,这里虽然同步信号基本是45°线,但是有一定宽度,若放大看内部还有一些结构.并不是理想当中的同步.尽管如此,得到解密信号的质量还是相当好.但是覆盖效果却很差,几乎变成了在大信号上叠加一个小的混沌信号.原来方波的形状仍然清晰可见.

如果U1作为覆盖信号,U2作为同步信号,可以看到,由于电路的同步情况较差,解密信号的质量也较差.随着电路的暂时不同步,解密信号也会出现大的毛刺.但是混沌覆盖的效果比较好.已经不易看到原来的方波形状.事实上这里为演示方便把方波振幅调得较大.实际覆盖效果可以更好一些.

这样就存在着信号质量与覆盖效果的矛盾.要解决这个问题可以尝试采用更小的有用信号幅度,但是信号幅度过小的话,干扰相对就会严重.所以更根本的办法应该是改进混沌电路的结构,使得同步质量有效提高.比如可以给蔡氏电路再添加一个LC振荡回路,可以有效改进电路性能[6]

更新得真快啊！ — 乐永康 2010/04/21 18:10

还好，手头有事就赶紧做掉，用的基本上都是上个学期实验论文里的东西。很多还值得再改改

有事赶紧做掉是很好的习惯。重新整理修改的过程可以提高、加深认识，也能找到新的思路。好文章总是再三推敲而得。 — 乐永康 2010/04/22 00:32

另外，我发现页面显示时，图片出现的速度稍有点慢。你上传的图片文件多大？如果需要，应适当压缩、转换一下。注意：文件同名上传，不能覆盖——也就是，新上传的文件如果和原有文件同名，上传是不进行的。 — 乐永康 2010/04/22 00:34

那个图片有点大诶~在服务器上把它删了吧，我已经上传新的了。还有我发现这个服务器的时间不准，现在明明是23：40不到，显示的是00：09 — 曹宇 2010/04/23 00:09

删除文件稍稍有点麻烦，在整理文件的时候我会注意的。如你所说，系统时间不准，我们尽早修改，谢谢。 — 乐永康 2010/04/23 01:23