专利名称：一种混沌神经网络保密通信电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混沌神经网络保密通信电路，具体地说是基于一种含延 时状态的混沌神经元网络的保密通信电路，属于通信领域。
背景技术：
混沌神经网络是近年来发展起来的一门新的科学。由于具有混沌特性的 人工神经网络具有十分复杂的动力学特性，其产生的混沌信号具有不可预测 性，所以混沌神经网络在数据加密、保密通信和信息处理等方面有潜在的应 用前景。目前，关于混沌神经网络用于保密通信的研究大都基于暂态混沌神 经网络，但是这类混沌神经网络很难在实际电路中实现，从而限制了它的应 用范围。另外，当前低维混沌电路系统的安全性较低，容易受到威胁，而高 维混沌系统物理实现变得更加困难，因而有必要提出新的混沌系统保密方案。
研究表明带时滞的混沌系统能表现出很好的混沌特性，被认为是一种有 效的加密工具。其主要原因是，系统模型简单，具有更加复杂的无穷维动力学
特性和有限高维同步吸引子，以及多个正Lyapunov的指数，而且随着延时的 增大，系统呈现出多稳定性。研究发现，由两个或三个非线性神经元组成， 每个神经元都有一个S型传递函数的时延神经网络能产生混沌行为。现己有 提出一种带有非单调激活函数的时滞混沌神经元网络，既可以作为独立的时 滞混沌发生器，也可以作为一个混沌神经元电路单元，在保密通信和信息处 理中有潜在的应用价值。在现有混沌神经网络保密通信技术中， 一般不带延 时，而且要求传送信号基于密文信号与某一同步信号混合调制而成，然后再 在接收端混合解调出密文信号。为了克服上述高、低维混沌电路系统的缺陷 以及简化现有混沌神经网络传送信号装置，本发明将基于上述时滞混沌神经 元网络，提出一种新的混沌保密通信方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，从而提供一种加密性强，安全性 高，只须单路传送信号，并在实际电路中可实现的延时混沌神经元网络系统 保密通信方案。
按照本发明提供的技术方案， 一种混沌神经网络保密通信电路包括发送 端和接收端，所述发送端包括第一时滞混沌神经网络系统和加密方案电路，所述接收端包括第二时滞混沌神经网络系统和解密方案电路。
发送端的明文信号^)通过反相放大电路用以驱动第一时滞混沌神经网 络系统，由第一时滞混沌神经网络系统输出混沌信号x(O，混沌信号4)与明
文信号奶叠加产生信号W)+奶并通过加密方案电路产生加密传送信号W); 加密传送信号由传输信道传送给接收端，通过相应的解密方案电路解出信 号W)+W)用以驱动第二时滞混沌神经网络系统，第二时滞混沌神经网络系统
产生一个相应的与混沌信号W)同步的混沌信号Xf)，最后由信号W) +《0减去 混沌信号得出明文信号 )。
所述第一时滞混沌神经网络系统包括第一激励模块、第二激励模块、第 一积分电路模块、延时模块、第一反相放大模块、加法模块和第二反相放大 模块；
第一路混沌信号x(,)连接第一积分电路模块的IOll端；
第二路明文信号^)通过反相放大模块连接第一积分电路模块(X3) 的I012端；
第三路明文信号/(,)与第一积分电路模块输岀信号x(0通过加法模块产
生信号x(o+,W，再通过第一激励模块输出信号/OcW +《0)，第一激励模块的
输出端连接第一反相放大模块的输入端，第一反相放大模块的输出端输出信
号-/(雄)+奶)，再连接第一积分电路模块的1013端；
第四路第一积分电路模块输出信号雄)通过延时模块的输入端，延时 模块的输出端输出信号^-l)，再连接第二激励模块的输入端，第二激励模块 的输出端输出信号/(x(卜1))，连接第一积分电路模块的I014端。
所述第二时滞混沌神经网络系统包括第三激励模块、第四激励模块、第 二积分电路模块、第二延时模块、第三反相放大模块、第四反相放大模块和 减法模块；
第一路混沌信号y(,)连接第二积分电路模块的JOll端； 第二路加密传送信号力)经解密方案电路得到的信号^) + W)连接减法 模块的正端，混沌信号y(0连接减法模块的负端，减法模块的输出端连接第 四反相放大模块的输入端，第四反相放大模块的输出端连接第二积分电路模 块的J012端；
第三路信号x(,) +奶通过第三激励模块输出信号/W,) + !XO)，第三激励 模块输出端连接第三反相放大模块的输入端，第三反相放大模块的输出端输 出信号-/(x(/) +奶)，再连接第二积分电路模块的J013端；
6第四路第二积分电路模块输出混沌信号y(O通过第二延时模块输出信 号y(卜l)，第二延时模块的输出端再连接第四激励模块的输入端，第四激励 模块的输出端输出信号/W卜1))，连接第二积分电路模块的J014端。
所述加法模块包括加法电路和反相放大电路，明文信号^)和混沌信号
《)通过加法电路产生的输出信号-雄)-/(0，再经过反相放大电路输出信号
JC(f) + 。
所述第一反相放大模块，其输出端的信号比输入端的信号放大了-1倍；
第三反相放大模块(Y5)和第一反相放大模块(X5)结构相同。
所述第二反相放大模块(X7)，其输出端的信号比输入端的信号放大了 -5倍；第四反相放大模块(Y7)和第二反相放大模块(X7)结构相同。
所述第一积分电路模块(X3)将4路不同信号按不同放大倍数分别进行 积分并叠加成一路输出信号，所述IOll端输入信号为Shx")， K)12端输入 信号为52 = -5/(0， 1013端输入信号为幻=-/(;^) +奶)，1014端输入信号为 S4 = /0c(r-l))，输出端I015端输出信号为S5"")，所述五个信号之间的关系 为
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第二积分电路模块(Y3)和第一积分电路模块(X3)结构相同。
本发明与已有技术相比具有以下优点
本发明提出了一种时滞混沌神经元网络系统的保密通信电路，实现了该 电路的硬件物理实现，克服了一般低维混沌系统保密性差、高维混沌系统难 以物理实现的缺点，达到了明文信号的加密传送功能。由于传送信号在不需 要状态的同步信号与密文信号混合调制情况下，系统仍能很好地恢复了明文 信号，所以本发明提出的混沌神经元网络保密通信方法能有效简化实际电路
图1是本发明总体结构框图。
图2是第一混沌神经网络系统中混沌信号x(O的时间响应曲线图。
图3是第一混沌神经网络系统中混沌信号x(O和时滞混沌信号x(卜l)的相
7位图。
图4是本发明发射端电路框图。
图5 (a)是加法模块电路原理图。
图5 (b)是第一反相放大模块的电路原理图。
图5 (c)是第二反相放大模块的电路原理图。
图6是积分电路模块的电路原理图。
图7是延时模块的电路原理图。
图8是激励模块中双曲正切函数tanh(;c-l)模块的电路原理图。
图9是本发明接收端电路框图。
图10是减法模块的电路原理图。
图11是发送端原始的明文信号示意图。
图12是传输信道中的加密传送信号示意图。
图13是接收端恢复的明文信号示意图。
图14是发送端原始的明文信号和接收端恢复的明文信号的误差示意图。
具体实施例方式
下面本发明将结合附图中的实施例作进一步描述 本发明采用的技术方案是首先建立混沌神经元系统
= -x(0 + a/(x(K令1))J>0， (1 )
其中，/(x) = 2(tanh(x + l) —tanh(x —1)) —1.5(tanh(x + 4/3) —tanh(x —4/3))是网络的激 励函数，当。=3,& = 8时，系统表现混沌特性。为了建立系统硬件电路，其关 键技术在于激励函数/(力的电路模块以及延时x(卜l)的电路模块。必(0/^通过 一运放积分电路可以得到雄)，系统中比例系数利用运算放大电路实现。激 励函数模块由四个双曲正切函数子电路线性组合构成，而双曲正切函数电路 通过两个三极管差分对管组成一电流源偏置的差动放大电路来实现，如图8 所示。如图7所示，延时模块通过w个参数相同的T型LCL滤波环来实现， 延迟时间的计算公式为r-m/^万，其中n为LCL滤波环的个数。本发明中， 取电感Z-9.5m//，电容C-525"F，组成10个LCL环，从而r-"VIZ^al柳。 然后，把明文信号/(r)引入上述混沌神经元网络中以驱动电路，再将系统中混 沌信号x(O与明文信号W)通过一定的加密方案产生加密信号传送给接收端。接收端利用接收到的密文信号驱动混沌系统以得到一相应同步的混沌信号， 联合这一同步混沌信号和传送过来的密文信号通过解密方案解出明文信号。
第一混沌神经网络系统I的状态x(O和时滞状态x(卜l)的相位图如图3所 示，其中横坐标为时滞状态;c(/-1)，纵坐标为状态x(,)。状态^)时间响应曲线 如图3所示，其中横坐标为时间"纵坐标为状态雄)。由图2和3可见，第 一混沌神经元网络系统I表现出很好的混沌特性。
如图1所示，本发明所述的保密通信电路包括发送端和接收端，其中发 送端包括第一时滞混沌神经网络系统I和加密方案电路，接收端包括第二时
滞混沌神经网络系统II和解密方案电路。发送端的明文信号/(o通过反相放大
电路用以驱动第一时滞混沌神经网络系统I，由第一时滞混沌神经网络系统I 输出混沌信号，混沌信号与明文信号奶叠加产生信号x(0 +奶并通过 加密方案电路产生加密传送信号^);加密传送信号^)由传输信道传送给接 收端，通过相应的解密方秦电路解出信号^) + /(0用以驱动第二时滞混沌神经 网络系统II，第二时滞混沌神经网络系统II产生一个相应的与混沌信号x(O同 步的混沌信号，最后由信号x(f) +奶减去混沌信号MO得出明文信号KO 。
本实施例的发送端明文信号为一段笑声的声音信号，该信号通过反相放 大电路用以驱动第一时滞混沌神经网络系统I，由第一时滞混沌神经网络系 统I输出混沌信号， x(/)与明文信号叠加产生信号;c(0 + /(r)并通过一定的 加密方案(即经过加密方案电路)产生加密传送信号;加密传送信号由 传输信道传送给接收端，通过相应的解密方案(即经过解密方案电路)解出
信号x(o+^)用以驱动第二时滞混沌神经网络系统n，第二时滞混沌神经网络
系统II产生一个相应的与x(O同步的混沌信号y(O，最后由信号^) + W)减去 混沌信号y(O得出明文信号KO 。
如图4所示，发射端的第一时滞混沌神经网络系统I包括第一激励模块 XI、第二激励模块X2、第一积分电路模块X3、延时模块X4、第一反相放 大模块X5、加法模块X6和第二反相放大模块X7。
如图5 (a)所示，加法模块X6中，明文信号《0和混沌信号雄)通过电 阻Rll、 R12、 R13、 R14和运算放大器U5组成的加法电路产生的输出信号 《0，再经过由电阻R3、 R4、 R15和运算放大器U2组成的反相放大电
路输出信号《)+ /(0。
如图5 (b)所示，第一反相放大模块X5中，信号从I09端经过由电阻 Rl、 R2、 R5和运算放大器U1组成的电路后，从IO10端输出的信号放大了
9-1倍。第三反相放大模块Y5和第一反相放大模块X5结构相同。
如图5 (c)所示，第二反相放大模块X7中，信号从I05端经过由电阻
R6、 R7、 R8和运算放大器U3组成的电路后，从106端输出的信号放大了-5
倍。第四反相放大模块Y7和第二反相放大模块X7结构相同。
如图6所示，第一积分电路模块X3中，由电阻R1、 R2、 R3、 R4、 R5、
电容Cll和运算放大器U4组成一个将4路不同信号按不同放大倍数分别进
行积分并叠加成一路输出信号的电路。
第一积分电路模块X3输入1011端信号为Sl-x(O， 第一积分电路模块X3输入KM2端信号为52 = -5奶， 第一积分电路模块X3输入1013端信号为幻=-/(x(/) +奶)， 第一积分电路模块X3输入1014端信号为S4 = /(;c(,-l))， 第一积分电路模块X3输出1015端信号为S5w(r)，
则5个信号之间的关系为s5=f(-|-|-1-^W，即
"" 罕ll 罕11 早ll A4C11
M") = 40+++丄/(柳+柳-丄")& 。
第二积分电路模块(Y3)和第一积分电路模块(X3)结构相同。
如图4所示，第一路混沌信号x(O连接第一积分电路模块X3的IOll
顿；
第二路明文信号^)通过反相放大模块X7连接第一积分电路模块X3
的I012端；
第三路明文信号/(0与第一积分电路模块X3输出信号x(0通过加法模 块(X6)产生信号*) +奶，再通过第一激励模块XI输出信号/Oc(0 + W))， 第一激励模块X1的输出端连接第一反相放大模块X5的输入端，第一反相放 大模块X5的输出端输出信号-/(雄)+《0)，再连接第一积分电路模块X3的
1013端；
第四路第一积分电路模块X3输出信号x(r)通过延时模块X4的输入端， 延时模块X4的输出端输出信号;</-1)，再连接第二激励模块X2的输入端， 第二激励模块X2的输出端输出信号/(;c(卜1))，连接第一积分电路模块X3的 1014端。
如图9所示，接收端的第二时滞混沌神经网络系统II包括第三激励模块 Yl、第四激励模块Y2、第二积分电路模块Y3、第二延时模块Y4、第三反相放大模块Y5、第四反相放大模块Y7和减法模块Y8。
其中，第三激励模块Y1、第四激励模块Y2、第二积分电路模块Y3、第 二延时模块Y4、第三反相放大模块Y5和第四反相放大模块Y7的内部电路 与发送端的同类模块内部电路结构相同。
如图10所示，减法模块Y8中，信号W) +奶和混沌信号通过电阻R21 、 R22、 R23、 R24和运算放大器U6组成减法电路，从1021端输出信号 xO)+z(,)-:KO。
第一路混沌信号y(0连接第二积分电路模块Y3的IOll端；
第二路加密传送信号^)经解密方案电路得到的信号一)+ W)连接减法
模块Y8的正端，混沌信号y(O连接减法模块Y8的负端，减法模块Y8的输 出端连接第四反相放大模块Y7的输入端，第四反相放大模块Y7的输出端连 接第二积分电路模块Y3的1012端；
第三路信号;c(/) + ^)通过第三激励模块Yl输出信号/(;c(0 +《0)，第三激 励模块Yl输出端连接第三反相放大模块Y5的输入端，第三反相放大模块 Y5的输出端输出信号-/(x(,) +《,))，再连接第二积分电路模块Y3的1013端；
第四路第二积分电路模块Y3输出混沌信号y(O通过第二延时模块Y4 输出信号y(卜1)，第二延时模块Y4的输出端再连接第四激励模块Y2的输入 端，第四激励模块Y2的输出端输出信号/(x(卜1))，连接第二积分电路模块 Y3的1014端。
本实施例中，明文信号/(0为一段笑声的声音信号如图11所示，其中横 坐标为时间"纵坐标为信号《0;该声音信号通过发射端保密通信电路传送 出去的密文信号如图12所示，其中横坐标为时间"纵坐标为加密传送信号 恢复的声音信号KO以及KO与原始明文信号W)的误差分别如图13、图 14所示，其中横坐标都是时间"纵坐标分别为r(O、 K0-《0。通过比较效果 可见，传输信道中的信号为混沌状态，起到了保密作用，而接收端恢复的明 文声音信号在接收0.1秒后能完全与原始明文声音信号保持同步，从而很好 地恢复明文信号/(0。
权利要求
1、一种混沌神经网络保密通信电路，包括发送端和接收端，其特征是所述发送端包括第一时滞混沌神经网络系统(I)和加密方案电路，所述接收端包括第二时滞混沌神经网络系统(II)和解密方案电路；发送端的明文信号i(t)通过反相放大电路用以驱动第一时滞混沌神经网络系统(I)，由第一时滞混沌神经网络系统(I)输出混沌信号x(t)，混沌信号x(t)与明文信号i(t)叠加产生信号x(t)+i(t)并通过加密方案电路产生加密传送信号s(t)；加密传送信号s(t)由传输信道传送给接收端，通过相应的解密方案电路解出信号x(t)+i(t)用以驱动第二时滞混沌神经网络系统(II)，第二时滞混沌神经网络系统(II)产生一个相应的与混沌信号x(t)同步的混沌信号y(t)，最后由信号x(t)+i(t)减去混沌信号y(t)得出明文信号r(t)。
2、 根据权利要求1所述的混沌神经网络保密通信电路，其特征在于所述 第一时滞混沌神经网络系统(I)包括第一激励模块(X1)、第二激励模块(X2)、 第一积分电路模块(X3)、延时模块(X4)、第一反相放大模块(X5)、加法 模块(X6)和第二反相放大模块(X7);第一路混沌信号x(O连接第一积分电路模块(X3)的IOll端； 第二路明文信号《/)通过反相放大模块(X7)连接第一积分电路模块(X3)的I012端；第三路明文信号《f)与第一积分电路模块(X3)输出信号x(,)通过加法 模块(X6)产生信号;^) +奶，再通过第一激励模块(X1)输出信号/0c(0 + ,)， 第一激励模块(XI)的输出端连接第一反相放大模块(X5)的输入端，第一 反相放大模块(X5)的输出端输出信号-/(1 +《0)，再连接第一积分电路模 块(X3)的I013端；第四路第一积分电路模块(X3)输出信号雄)通过延时模块(X4)的 输入端，延时模块(X4)的输出端输出信号x(卜1),再连接第二激励模块(X2) 的输入端，第二激励模块(X2)的输出端输出信号/0c(卜1))，连接第一积分 电路模块(X3)的I014端。
3、 根据权利要求1所述的混沌神经网络保密通信电路，其特征在于所述 第二时滞混沌神经网络系统(II)包括第三激励模块(Yl)、第四激励模块(Y2)、第二积分电路模块(Y3)、第二延时模块(Y4)、第三反相放大模块(Y5)、第四反相放大模块(Y7)和减法模块(Y8);第一路混沌信号^)连接第二积分电路模块(Y3)的JOll端； 第二路加密传送信号^)经解密方案电路得到的信号^) + W)连接减法模块(Y8)的正端，混沌信号K,)连接减法模块(Y8)的负端，减法模块(Y8) 的输出端连接第四反相放大模块(Y7)的输入端，第四反相放大模块(Y7) 的输出端连接第二积分电路模块(Y3)的J012端；第三路:信号x(0 +奶通过第三激励模块(Yl)输出信号/(柳+奶)，第 三激励模块(Yl)输出端连接第三反相放大模块(Y5)的输入端，第三反相 放大模块(￥5)的输出端输出信号-/0^) + /(0)，再连接第二积分电路模块(丫3) 的J013端；第四路第二积分电路模块(Y3)输出混沌信号^)通过第二延时模块 (Y4)输出信号;;(f-1)，第二延时模块(Y4)的输出端再连接第四激励模块 (Y2)的输入端，第四激励模块(Y2)的输出端输出信号/(x(卜1))，连接第 二积分电路模块(Y3)的J014端。
4、 根据权利要求2所述的混沌神经网络保密通信电路，其特征在于所述 加法模块(X6)包括加法电路和反相放大电路，明文信号/(0和混沌信号^) 通过加法电路产生的输出信号-x(f)-/(0，再经过反相放大电路输出信号 x0) +奶°
5、 根据权利要求2和3所述的混沌神经网络保密通信电路，其特征在于 所述第一反相放大模块(X5)，其输出端的信号比输入端的信号放大了-1倍； 第三反相放大模块(Y5)和第一反相放大模块(X5)结构相同。
6、 根据权利要求2和3所述的混沌神经网络保密通信电路，其特征在于 所述第二反相放大模块(X7)，其输出端的信号比输入端的信号放大了-5倍； 第四反相放大模块(Y7)和第二反相放大模块(X7)结构相同。
7、 根据权利要求2和3所述的混沌神经网络保密通信电路，其特征在于 所述第一积分电路模块(X3)将4路不同信号按不同放大倍数分别进行积分 并叠加成一路输出信号，所述IOll端输入信号为Sh;c(O， K)12端输入信号 为52 = -5奶，1013端输入信号为53 = -/(;<0 + /(0)， K)14端输入信号为S4 = /(x(f-l》，输出端I015端输出信号为S5-^)，所述五个信号之间的关系 为=丄(--------， 即* ^4Cll<formula>formula see original document page 4</formula>第二积分电路模块(Y3)和第一积分电路模块(X3)结构相同
全文摘要
本发明涉及一种混沌神经网络保密通信电路，具体地说是基于一种含延时状态的混沌神经元网络的保密通信电路。其发送端的明文信号i(t)通过反相放大电路用以驱动第一时滞混沌神经网络系统，由第一时滞混沌神经网络系统输出混沌信号x(t)，混沌信号x(t)与明文信号i(t)叠加产生信号x(t)+i(t)并通过加密方案电路产生加密传送信号s(t)；加密传送信号s(t)由传输信道传送给接收端，通过相应的解密方案电路解出信号x(t)+i(t)用以驱动第二时滞混沌神经网络系统，第二时滞混沌神经网络系统产生一个相应的与混沌信号x(t)同步的混沌信号y(t)，最后由信号x(t)+i(t)减去混沌信号y(t)得出明文信号r(t)。本发明克服了一般低维混沌系统保密性差、高维混沌系统难以物理实现的缺点，达到了明文信号的加密传送功能，并能有效简化实际电路装置。
文档编号H04L9/00GK101534165SQ200910029670
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月31日 优先权日2009年3月31日
发明者崔宝同, 楼旭阳 申请人:江南大学