专利名称：：一种产生多环绕线卷波的混沌电路及实现方法
技术领域：
：本发明涉及一种混沌电路，具体涉及保密通信中的多环绕线巻波涡巻混沌电路及控制处理方法。
背景技术：
：如何产生用于混沌保密通信中所需的各种混沌电路是非线性电路与系统科学研究的一个新领域，目前国际上已经取得了一系列相关的研究成果，如双涡巻蔡氏电路、多涡巻蔡氏电路、MCK超混沌电路、双折面叠环面混沌电路、三维网格多涡巻混沌电路、时滞混沌电路、洛伦兹电路等。通过检索，通过三阶四阶自治电路产生多涡巻混沌电路的技术比较多，如中国发明专利申请(申请号200510086638.2)公开了一种通过四阶自治电路产生多涡巻的电路和方法，但是该电路不能随意产生任意数量的涡巻，不能独立产生某个数量的涡巻，产生的涡巻为折线方式，并且不能调节涡巻的大小。
发明内容本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述缺陷，设计一种能独立产生任意数量环绕线巻波，并且可调节环绕线巻波大小的混沌电路。本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种产生多环绕线巻波的混沌电路，该电路包括，四阶自治电路N1、加法放大器N2、能产生含有多个转折点的分段函数序列发生器N3和相位控制器N4四部分。所述四阶自治电路由四个加法放大器(0P1、0P4、0P7、OPIO)，积分器(0P2、0P5、0P8、OPll)，反相放大器(0P3、0P6、0P9、0P12)分别级联构成，相位控制器的输出端通过联动开关K1、K2连接四阶自治电路的输入端，四阶自治电路的输出端(V2、V3)连接加法放大器输入端(a、b);加法放大器输出端(c)连接转折点分段函数序列发生器输入端(d);分段函数序列发生器输出端(e)连接相位控制器输入端(f)，转折点分段函数序列发生器提供各转折点的转折控制信号(可为不同阻值的电压)，转折控制信号控制产生多环绕线巻波的数量，相位控制器输出控制产生奇数或偶数个数的环绕线巻波。转折点分段函数序列发生器由多个子电路并联构成，子电路的个数决定产生环绕线巻波的数量，各子电路的输出提供不同转折点电压，各子电路的输出端通过一系列开关接入相位控制器的输入端。相位控制器中反相放大器1(0P24)的反相输入端作为相位控制器的输入端，反相放大器1的输出端连接反相放大器2(0P25)的反相输入端，反相放大器1和反相放大器2的输出端均连接联动开关(Kl、K2)。反相放大器1输出端通过联动开关接入四阶自治电路中V3支路输入端，反相放大器2输出端通过联动开关接入四阶自治电路中VI、V2、V4支路输入端。在分段函数序列发生器各子电路的输出端接入一个滑动变阻器，调节环绕线巻波的大小。转折点分段函数序列发生器N3由若干子电路并联构成，子电路的个数可控制环绕线巻波的个数，根据需求可增、减子电路。本发明还提出一种产生多环绕线巻的混沌信号实现方法，用含有多个转折点的分段函数序列构造四维多涡巻混沌系统的状态方程，根据状态方程设计四阶自治电路；四阶自治系统产生振荡信号；转折点分段函数序列发生器提供转折点的转折控制信号，以控制产生环绕线巻波的个数；相位控制器输出控制产生奇数或偶数个数的环绕线巻波。构建工作状态方程，根据分段函数转折点方程确定分段函数序列发生器中各电阻的取值范围，以及分段函数序列发生器中转折点的转折电压值；由分段函数序列发生器中一系列开关和相位控制器中联动开关控制各子电路提供相应转折点的转折电压值，从而控制混沌电路实现独立产生任意数量的环绕线巻波。在分段函数序列发生器的偶数子电路中运算放大器的反相输入端接入一个反向器，在每个子电路中运算放大器的输出端接入一个滑动变阻器，限制分段函数发生器两端的电压值和分段函数序列斜率，以控制产生涡巻的大小。通过切换联动开关(Kl、K2)，由转折点的分段函数序列发生器N3和相位控制器N4可控制混沌电路在V2、V3方向产生不同数量的环绕线巻波。本发明设计的产生多环绕线巻波的混沌电路，硬件电路实现结构简单，通过开关联动切换，控制混沌电路可在V2、V3方向产生任意奇、偶数量的环绕线巻波。电路结构灵活，在现有电路的基础上增加或删除相应子电路，就可以获得任意数量的环绕线巻波，并可方便地调整环绕线巻波的大小。图1为可变多环绕线巻波混沌信号发生器电原理框图图2为可变多环绕线巻波混沌信号发生器电路原理图图3为2环绕线巻波混沌吸引子在少-z平面上相图的计算机模拟结果图4为2环绕线巻波混沌吸引子在^-^平面上相图的电路仿真结果图5为3环绕线巻波混沌吸引子在^z平面上相图的计算机模拟结果图6为3环绕线巻波混沌吸引子在^-^平面上相图的电路仿真结果图7为4环绕线巻波混沌吸引子在少-z平面上相图的计算机模拟结果图8为4环绕线巻波混沌吸引子在^-^平面上相图的电路仿真结果图9为5环绕线巻波混沌吸引子在^-^平面上相图的计算机模拟结果图10为5环绕线巻波混沌吸引子在K「^平面上相图的电路仿真结果图11为6环绕线巻波混沌吸引子在;;-z平面上相图的计算机模拟结果图12为6环绕线巻波混沌吸引子在^-^平面上相图的电路仿真结果图13为7环绕线巻波混沌吸引子在少-z平面上相图的计算机模拟结果图14为7环绕线巻波混沌吸引子在r2-F3平面上相图的电路仿真结果具体实施例方式以下针对附图和具体实例对本发明的实施进行具体说明。图1所示为本发明电原理框图；该电路包括，四阶自治电路N1、加法放大器N2、能产生含有多个转折点的分段函数序列发生器N3和相位控制器N4四部分。四阶自治电路的输入端通过联动开关Kl、K2连接相位控制器的输出端，四阶自治电路的输出端(V2、V3)连接加法放大器输入端(a、b)，加法放大器输出端c连接转折点分段函数序列发生器N3输入端d，分段函数序列发生器输出端e连接相位控制器输入端f。四阶自治电路(Nl)由加法放大器(0P1、0P4、0P7、0P10)、积分器(0P2、0P5、0P8、OPll)、反相放大器(0P3、0P6、0P9、0P12)分别级联构成，四阶自治电路的V2、V3输出端输出环绕线巻波，输入加法放大器N2的a、b输入端，四阶自治电路的输出端分别通过电阻Re接入加法放大器中0P13的负端，加法放大器N2对输入的两路信号进行叠加放大，送入转折点分段函数序列发生器输入端。转折点分段函数序列发生器N3由多个子电路N31、N33、N35、N37、N39、N311、N313并联构成。加法放大器输出端连接转折点分段函数序列发生器N3的并联输入端(d)，N31子电路实现转折点1，提供转折控制信号(如转折点控制电压为1伏)控制输出一个环绕线巻波，加法放大器输出端通过电阻Rl接入反相放大器(0P14)的反相端输入端，反相放大器输出端通过电压-电流电阻R2，提供l伏的转折电压到N3的并联输出(e)。N33子电路实现转折点3,加法放大器输出端通过电阻R3接入反相放大器(0P15)反相端输入，反相放大器输出端提供3伏的转折电压，通过电阻Re送入反相放大器(0P16)的反相输入端，反相放大器输出端分为二个支路;一支路经过电压-电流电阻R2，通过开关K3，接入N3的并联输出端(e)，二支路经过可调电阻R4cc，通过开关K4，接入N3的并联输出端(e)。N35子电路实现转折点5，加法放大器输出端通过电阻R5接入反相放大器(0P17)反相端输入，反相放大器输出端提供5伏的转折电压，分为二个支路；一支路经过电压-电流电阻R6通过开关K5，接入并联输出端(e)，二支路经过R6cc可调电阻，通过开关K6接入并联输出端(e)。N37子电路实现转折点7，加法放大器输出端通过电阻R7接入反相放大器(0P18)反相端输入，反相放大器输出端提供7伏的转折电压，通过电阻Re送入反相放大器(0P19)的反相输入端，反相放大器输出端分为二个支路；一支路经过电压-电流电阻R8，通过开关K3，接入N3的并联输出端(e)，二支路经过可调电阻R8cc，通过开关K4，接入N3的并联输出端(e)。N39子电路实现转折点9，加法放大器输出端通过电阻R9接入反相放大器(0P20)反相端输入端，反相放大器输出端提供9伏的转折电压，分为二个支路；一支路经过电压-电流电阻R10通过开关K9，接入并联输出端(e)，二支路经过R10cc可调电阻，通过开关K10接入并联输出端(e)。N311子电路实现转折点11，加法放大器输出端通过电阻Rll接入反相放大器(0P21)反相输入端，反相放大器输出端提供ll伏的转折电压，通过电阻Re送入反相放大器(0P22)的反相输入端，反相放大器输出端分为二个支路；一支路经过电压-电流电阻R12，通过开关Kll,接入N3的并联输出端(e)，二支路经过可调电阻R12cc，通过开关K12，接入N3的并联输出端(e)。N313子电路实现转折点13，加法放大器输出端通过电阻R13接入反相放大器(0P23)反相端输入端，反相放大器输出端提供13伏的转折电压，经过可调电阻R13cc，接入开关K13，并联输出(e)。在分段函数序列发生器的偶数子电路中增加一个反向器。在分段函数序列发生器中各子电路输出端分别连接有一系列开关K3-K13，通过控制开关的切换，分段函数序列发生器输出相应伏值的转折点电压，控制该混沌电路输出相应数量的环绕线巻波。增加(减少)子电路个数可增加(减少)混沌电路产生环绕线巻波的数量。相位控制器N4由反相放大器(0P24、0P25)和联动开关K1，K2构成，0P24的输出端连接0P25的反向输入端，0P25的输出端连接有联动开关K1，K2。相位控制器中反相放大器(0P24)输出端通过开关Kl接入四阶自治电路Nl中V3支路输入端中电阻R33的一端，R33的另一端接入加法放大器0P7反相输入端。相位控制器中反相放大器(0P25)输出端通过开关K1接入四阶自治电路N1中VI、V2、V4支路输入端中电阻R13、R23、R43的一端，电阻的另一端分别接入加法放大器0P1、0P4、OP10反相输入端。分段函数序列发生器通过一系列开关K3-K13连接相位控制器中反相放大器0P24的反相输入端。通过联动开关的切换，相位控制器的输出控制该混沌电路产生奇数或偶数环绕线巻波数。在分段函数序列发生器的最后一个子电路接入一个滑动变阻器，限制含有多个转折点的分段函数序列发生器两端的电压值和分段函数序列斜率的作用，从而调节环绕线巻波的大小。以下具体描述所构建的工作状态方程、转折点方程。根据工作状态方程和转折点方程，计算分段函数序列发生器中各子电路中元件的参数取值。通过相应开关的联动切换和电路中元器件参数的选择以产生不同数量的环绕线巻波。(1)用/G^)含有多个转折点的分段函数序列构造四维多涡巻混沌系统的状态方程可表示为血/dr=-0.04;c++2/(少，力办/dr=-2x+0.1+0.16/Cv,z)cfe/dr=-0.16z—w_0.16/O;，z)rfiWdr=z—0.16w+/(_y，z)式中/(乂z)为含有多个转折点的分段函数序列，其数学表达式如下式所示:/O,z)=10.5附(/)(|y+z-W)I隱Iy+z+I)产生n(n为偶数)个涡巻的参数的取值为附=[-2,2,-2,2,...，-a]，x=[l,3,5,.."2w—1];产生n(n为奇数)个涡巻的参数的取值为m=[2，-2，2，-2,...，-cc]，x=[l，3,5,...，2w—l];为了使产生的涡巻大小，形状一致。应使每个平衡点出现的概率相等，根据计算和实验表明当cc取0.5左右时，满足要求。其中，m取奇数为产生混沌吸引子的键带，取偶数为产生混沌吸引子的环绕线巻波。cc分别代表限制分段函数序列发生器N3中各子电路两端的电压值。(2)根据电路理论(以七个环绕线巻波为例)，可以列出四阶自治电路的状态方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage10</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula>根据上述状态方程建立四阶自治电路。(3)电路元件参数值的确定建立分段函数转折点方程，根据以下方程，确定分段函数序列发生器中各子电路产生的转折点电压值。假如产生转折点电压为l，3，5，7，9，11，13(单位伏)，所构建的方程为<formula>formulaseeoriginaldocumentpage11</formula><formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>系数归一化方程:<formula>formulaseeoriginaldocumentpage12</formula>在分段函数序列发生器中，根据各转折点需提供的电压值，如确定了电阻R、&的阻值，则可根据上述方程计算其余电阻值。电路中i=200kQ，&=lkQ可以算得其余各电阻阻值为i,14.81dl;i2=13.5kQ;J3=44.4kQ;i4=4.5kQ;i5=74.07kQ;i6=2.7kQ;i7=103.7kQ;i^-1.92kQ;=133.33kQ;i10=1.5kQ;7u-153.84kQ;in=1.3kQ;i13=181.818kQ。(4)电路元件和电源电压的选择电路中所有的有源器件为运算放大器，可选择电源电压为±￡=±15￥，运算放大器的输出饱和电压值为^=±13.5V，所有电阻均采用精密可调电阻或精密可调电位器。(5)电路中产生各种环绕线巻波混沌信号的参数值选择根据工作状态方程计算相关参数值，并确定一系列开关的位置，以确定产生环绕线巻波的数目。表1,2为确定电路中各个电阻的大小，可调电阻的范围，开关《(/=1,2...，13)的切换状态，可使电路产生2环绕线巻波，3环绕线巻波，4环绕线巻波，5环绕线巻波，6环绕线巻波，7环绕线巻波混沌信号。表1电阻取值<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表2联动开关切换对应状态控制产生绕线巻波的数量<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>以七个子电路为七个转折点的分段函数序列发生器，产生6种多环绕线巻波混沌吸引子为例，电路中各开关切换位置和参数选择如下。(一)联动开关(K1)，(K2)接到位置(2)，开关(K3)闭合；开关(K4)，(K5)，(K6),(K7)，(K8)，(K9)，(K10)，(Kll)，(K12)，(K13)断开。L200kQ，i,-14細，i2=13.5kQ，J3=44.4kQ，调节J^范围在(20kQ1.2MQ)，电路产生2环绕线巻波混沌吸引子。(二)联动开关(K1)，(K2)接到位置(1),开关(K4),(K5)闭合；开关(K3)，(K6)位置(1)，开关(K4)，(K5)闭合;开关(K3)，(K6)，(K7),(K8)，(K9)，(K10)，(Kll)，(K12)，(K13)断开。i=200kQ，i,=14.8kQ，i2=13.5kQ，/3=44.4kQ，i4=4.5kQ，/5=74.07kQ，调节7^.的范围在(30kQ~10MQ)时，电路产生3环绕线巻波混沌吸引子。(三)联动开关(K1)，(K2)接到位置(2)，开关(K4)，(K6)，(K7)闭合;开关(K3)，(K5)，(K8)，(K9)，(K10)，(K11)，(K12)，(K13)断开。i=200Kl，&=，i2=，&=44.4A:Q，及4=4.5A:Q，i5=74.07K2，i6=，J7=103.7W，调节l的范围在(50mlMQ)，电路产生4环绕线巻波混沌吸引子。(四)联动开关(K1)，(K2)接到位置(1)，开关(K4)，(K6)，(K8)，(K9)闭合；开关(K3)，(K5)，K(7)，K(IO),(Kll)，(K12)，(K13)断开。i=200m，=14.固，及2=，&=44.額，及4=4.5A:Q,&=74.07K2，i6=2.7H^，i7=103.7A;Q，i8=1.92/bQ，=133.33fcQ，调节的范围在(90~950H1)，电路产生5环绕线巻波混沌吸引子。(五)联动开关(K1)，(K2)接到位置(2)，开关(K4)，卿，(K8)，(K10)，(Kll)闭合；开关(K3)，(K5)，(K7)，(K9)，(K12)，(K13)断开。i=200/rQ，&=14.8/tQ，及2=13.5fcQ，/3=，/4=4.5ifcQ，i5=74.07，i6=，i7=97.9A:Q，is=1.92A:Q，&=，^。=1.5^:0，=153.84AQ，调节i,^的范围在(390m10MQ)，电路产生6环绕线巻波混沌吸引子。(六)联动开关(K1)，(K2)接到位置a)，开关(K4)，(K6)，(K8)，(K10)，(K12),(K13)闭合;五组开关(K3)，(K5)，(K7)，卿，(K12)断开。i^200&Q，i,=14.憩，i2=,i3=44.衡，i4=4.5A;Q，/5=74.07K1，i6=2,7JtQ，i7=103.7A:Q，i8=1.92A:Q，J^133息Q，i'。-1.5A:Q，《,=153.8湘，i12=HQ，713=181.818A:Q，调节713re的范围在(~3MQ)，电路产生7环绕线巻波混沌吸引子。电路产生2、3、4、5、6、7个环绕线巻波混沌吸引子在V2，V3平面上电路仿真图形分别为图2、图4、图6、图8、图10、图12、图14。上述N3的七个子电路对应七个转折点的分段函数序列发生器，产生混沌吸引子的个数多达七个；即在N3中构造(M-2，3,4…)个绝对值函数产生器，就可以产生多绕线巻波混沌吸引子的数量为(M=2,3,4...)个。图3、图5、图7、图9、图ll、图13分别为2、3、4、5、6、7个环绕线巻波混沌吸引子在少-z相平面上计算机模拟图形，图2、图4、图6、图8、图10、图12、图14分别为2、3、4、5、6、7个环绕线巻波混沌吸引子在V2，V3相平面上电路仿真图形。相对应环绕线巻波计算机模拟图形与电路仿真图形，两者图形一致，说明由本发明电路产生的环绕线巻波满足要求。权利要求1、一种产生多环绕线卷波的混沌电路，该混沌电路包括四阶自治电路、加法放大器、转折点分段函数序列发生器和相位控制器，其特征在于相位控制器的输出端通过联动开关连接四阶自治电路的输入端，四阶自治电路的输出端连接加法放大器输入端；加法放大器输出端连接转折点分段函数序列发生器输入端；转折点分段函数序列发生器输出端连接相位控制器输入端，转折点分段函数序列发生器提供各转折点的转折控制信号，控制混沌电路产生多环绕线卷波的数量，相位控制器输出信号控制混沌电路产生奇数或偶数个数的线卷波。2、根据权利要求1所述的混沌电路，其特征在于，用含有多个转折点的分段函数序列构造四维多涡巻混沌系统的状态方程，根据状态方程设计四阶自治电路，四阶自治电路由加法器、积分器、反相放大器分别级联构成。3、根据权利要求1所述的混沌电路，其特征在于，转折点分段函数序列发生器由多个子电路并联构成，在其偶数子电路中增加接入一个反向器，子电路的个数决定产生线巻波的数量，各子电路的输出提供转折点电压，各子电路的输出端通过一系列开关接入相位控制器的输入端。4、根据权利要求1所述的混沌电路，其特征在于，相位控制器中反相放大器1(0P24)的反相输入端作为相位控制器的输入端，反相放大器1的输出端连接反相放大器2(0P25)的反相输入端，反相放大器l和反相放大器2的输出端均连接联动开关(Kl、K2)。5、根据权利要求1-4其中之一所述的混沌电路，其特征在于，在分段函数序列发生器各子电路的输出端接入一个滑动变阻器，调节线巻波的大小。6、根据权利要求4所述的混沌电路，其特征在于，相位控制器中的反相放大器1输出端通过联动开关接入四阶自治电路中V3支路输入端，反相放大器2输出端通过联动开关接入四阶自治电路中VI、V2、V4支路输入端。7、一种产生多环绕线巻波的实现方法，其特征在于，用含有多个转折点的分段函数序列构造四维多涡巻混沌系统的状态方程,根据状态方程设计四阶自治电路；四阶自治电路产生振荡信号；转折点分段函数序列发生器提供转折点的转折控制信号，转折控制信号控制产生环绕线巻波的数量；相位控制器控制产生奇数或偶数个数的环绕线巻波;在分段函数序列发生器每个子电路中接入一个滑动变阻器，以控制产生涡巻的大小。8、根据权利要求7所述的实现方法，其特征在于，根据分段函数转折点方程确定分段函数序列发生器中各参数的取值范围，以确定转折控制信号的电压值。全文摘要本发明请求保护一种产生多环绕线卷波的混沌电路及实现方法，涉及一种保密通信中的混沌电路。该混沌电路由四阶自治电路N1、加法放大器N2、分段函数序列发生器N3和反相放大器N4四部分构成。分段函数序列发生器构造转折点的分段函数，创建子电路，控制混沌电路在V2，V3方向产生环绕线卷波的数量；通过调节分段函数序列发生器的R<sub>ncc</sub>值，从而调节涡卷的大小。本发明电路设计方法简单，产生混沌信号电路灵活，可提供随意数量的连续环绕线卷波的混沌信号电路，通过联动开关切换可控制环绕线卷波产生的数量，分别产生二环绕线卷波、三环绕线卷波等，并且性能好，可广泛用于保密通信中。文档编号H04L9/00GK101183929SQ20071009316公开日2008年5月21日申请日期2007年12月18日优先权日2007年12月18日发明者代祥光,李华青,罗小华申请人:重庆邮电大学