专利名称：高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法和序列发生器的制作方法
技术领域：
本发明属于网络安全技术领域，具体地说是一种高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法和序列发生器。
背景技术：
加密是现在保证数据安全性的重要手段。目前Internet、无线网络和无线传感器网络的兴起使得加密技术变得日益重要。传统的加密手段如DES，RSA等现在虽都应用的很广泛，也表现出很强的安全性，但都是在基于资源充分的前提下完成的，不适合于资源严重不足的无线网络和无线传感器网络。例如DES现在已经破译，RSA速度比DES慢100倍，运算代价很高，椭园曲线加密耗费大量硬件资源，量子加密理论上是绝对安全的加密技术，但处于探索研究阶段。目前出现了一种混沌加密方法，它利用混沌系统中对初始值敏感，不可预测，拓扑依赖等特性来产生密匙，进而进行加密，展现出比传统加密更好的性能。但因速度较慢，浮点操作困难，有限精度效应，短周期响应等问题使得它并没得到广泛应用。
混沌系统由于对初值的敏感性，很小的初值误差就能被系统放大，因此系统的长期性是不可预测的，所以它可以产生随机数列，很适合于序列加密技术。理论上看利用混沌原理对数据进行加密，可以防范频率分析攻击、穷举攻击等攻击方法，使得密码难于分析、破译。
现有混沌加密方法存在的问题 1.有限精度效应 大多数混沌函数都是先建立在严格的数学基础上，用数学方法研究，然后利用这个数学上严格的混沌函数实现混沌序列发生器，实际总是在有限精度下实现的，与其数学理论结果不完全相同，使许多基于数学上的混沌系统无法实现。有学者甚至认为，有限精度效应是目前混沌理论走向应用中出现的一大难题 ①很多混沌序列的生成是用计算机或可编程器件实现的，例如用计算机C语言和C++编程，以double的精度最高，double数据表示为d×10J，其中d是尾数，J是指数，double常用64位二进制数表示d和J，精度取决于d的位数，d的二进制位数≤56，更高的精度计算机不易实现。如用可编程器件实现，例如Nios CPU仅可配置成16位×16位→32位硬件乘法器；而DSP芯片的C54x CPU仅为17位×17位硬件乘法器，加法器仅为40位。由此可见，用FPGA和DSP芯片硬件乘法器和加法器实现的诸如Lorenz混沌系统的精度必然低于double型。
②还很多混沌序列的生成是采用模数积分电路和模数转换电路ADC，例如Lorenz混沌系统也常采用运算放大器组成的积分电路。积分电路是模拟电路，模拟电路受零点飘移和热噪声影响严重，精度远低于数字电路；ADC成本高，ADC精度仅为十几位，位数很难再提高，尚未见50位的ADC，显然ADC精度远低于计算机double型。
实现二进制位数＝160位、256位等高于double型精度的混沌系统目前尚未见报导。
2.在无线网络和无线传感器网络中应用的困难。
无线网络和无线传感器网络是当前重要发展方向，但无线传感器网络节点体积小，计算能力低、存储空间少，资源严重不足；又因用电池供电，还有低能耗和实时性的要求。目前混沌映射加密系统是基于资源充分的传统网络完成的，对资源严重不足的无线网络和无线传感器网络，不能完全仿照传统网络的信息安全方法和思路。无线传感器网络的一个体积小的节点除了混沌加密之外，还要完成路由协议，以及多路传感器数据采集和无线收/发等功能，在资源严重受限制下完成加密，这是另一种类型的难题。例如，要在程序容量约为4K字节里完成这些任务，就是一件很困难的事。
因位数越高，乘法速度越慢，硬件设备量越大，为提高数据精度，尽量避免乘法运算，每次迭代过程，乘加运算次数越少越好，最好没有乘法运算，并尽量减少运算次数。又因节点用电池供电，特别是无线传感器网络节点在军事上是用飞机抛掷到敌方，不便更换电池，要求能耗极低，运算量和收/发时间尽量减少，要求高速运行。将混沌映射加密用于无线网络和无线传感器网络是全新的问题， 3.短周期响应 现有的混沌序列的研究对于所生成序列的周期性伪随机性、复杂性、互相关性等的估计是建立在统计分析上，难以保证其每个实现序列的周期足够大(t→∞)，复杂性足够高，在某种程度上降低了混沌加密系统的保密性，因而不能使人放心地采用它来加密。在短周期响应存在的情况下，提高混沌加密系统的保密性能是一个很值得研究的课题。
目前一些研究为符合数学上t→∞的条件，采用充分长的运行时间T进行计算机模拟，如T＝24时或更多时间，由此说明混沌系统所生成的混沌序列的随机性良好，符合数学要求。然而从实用方面看，网络节点用电池供电，特别是用于军事上(节点隐蔽在敌方)，不便更换电池，要求能耗极低，速度要快，工作时间要短，不能连续24小时工作，较短时间计算机模拟结果反而更接近实际。
发明内容
本发明目的是公开一种精度高、速度高，电路简单，适合在无线网络和无线传感器网络中应用，信息安全性好的高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法。
本发明的高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法是这样实现的该高速高精度混沌函数是一种符合计算机硬件特点的混沌函数f(xi)，表示为
N＝2K，K＝正整数，式一
|xi|∈
，|μi|∈
，式二 依据所述混沌函数f(xi)完成的混沌序列生成方法如下 混沌值xi存在混沌锁存器中，混沌锁存器由K+1个D锁存器QKQK-1QK-2～Q0组成，其中QK存xi的符号，QK-1QK-2～Q0存xi的绝对值|xi|；初值密钥电路存混沌锁存器初始值，μ值密钥电路存序列μi值；前导码判定电路判定发送信号是否来到，信号未来到，开启触发器QS＝0，将混沌锁存器初始值置入QKQK-1 QK-2～Q0；信号来到，立即置QS＝1，启动混沌序列发生器，每个时钟cp混沌序列发生器执行一次混沌函数迭代运算，生成一个K位混沌输出YK-1～Y0；具体生成1个混沌输出的方法是①按位变换电路将QK-1和QK-2～Q0作按位异或，由此执行式一的减法运算N-1-|xi|或|xi|-N，输出dK-2～d0；②移位数据选择器以μi作为数据选择器的地址码，将数据dK-2～d0右移hμi+c位，由此执行2-(hμi+c)×数据dK-2～d0，输出gK-2-c～g0；③减法电路先进行dK-2～d0减gK-2-c～g0＝SK-2～S0，接着减法的结果SK-2～S0用连线向左移1位，最低位置1，即D锁存器的输入DK-1接SK-2，DK-2接SK-3，……D1接S0，D0接1；由此用减法电路实现式二的乘法μi×数据±1＝2(1-2-(hμi+c))×数据和±1，减法电路输出DK-1DK-2～D0；④在cp上升沿将减法电路输出DK-1DK-2～D0存入混沌锁存器QK-1QK-2～Q0，并将μi值符号位和QK-1异或非存到QK；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q0按位异或和QK取反将正负二进制数QKQK-1～Q0转化为正二进制数混沌输出YK-1～Y0；对此后每个cp重复上述步骤①～⑤进行，不断产生混沌输出YK-1～Y0，生成混沌序列输出。
本发明混沌函数的混沌序列生成方法还有这样一些技术特征 1、取K＝160，N＝2160，μj≥0，c＝10，h＝4，混沌值xi存在混沌锁存器中，混沌锁存器由161个D锁存器Q160Q159 Q158～Q0组成，其中Q160存xi的符号，Q159 Q158～Q0存xi的绝对值|xi|；初值密钥电路存混沌锁存器初始值，μ值密钥电路存序列μi值；前导码判定电路在判定发送信号是否来到，信号未来到，开启触发器QS＝0，将混沌锁存器初始值置入Q159Q158～Q0；信号来到，立即置QS＝1，混沌序列发生器开始工作，每个时钟cp混沌序列发生器完成一次混沌函数迭代运算，生成一个K位混沌输出Y159～Y0；具体生成的一个混沌输出方法是，①按位变换电路将Q159和Q158～Q0作按位异或，由此执行式一的减法运算N-1-|xi|或|xi|-N，输出d158～d0；②移位数据选择器以μi作为数据选择器的地址码，将数据d158～d0右移4μi+10位，由此执行2-(4μi+10)×数据d158～d0，输出g148～g0；③减法电路先进行d158～d0减g148～g0＝S158～S0，接着将减法的结果S158～S0用连线向左移1位，最低位置1，即D159接S158，D158接S157，……D1接S0，D0接1，由此用减法电路实现式二的乘法μi×数据±1＝2(1-2-(4μi+10))×数据和±1，减法电路输出D159D158～D0；④在cp上升沿将减法电路输出D159D158～D0存入混沌锁存器Q159Q158～Q0，并将Q159存到Q160；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q1按位异或和QK取反将正负二进制数Q160Q159～Q0转化为正二进制数混沌输出Y159～Y0；对此后每个cp重复上述步骤①～⑤进行，不断产生混沌序列输出Y159～Y0； 本发明另一目的是公开一种高速高精度混沌函数的混沌序列发生器，该混沌序列发生器核心部分包括混沌锁存器、按位变换电路、移位数据选择器、减法电路和混沌输出电路①混沌锁存器由K+1位D锁存器QKQK-1 QK-2～Q0组成，最高位QK是符号位，其它K位QK-1QK-2～Q0是混沌数据位，QK-1 QK-2～Q0的输出接按位变换电路输入；②按位变换电路由K-1个异或门组成，每个异或门有一输入接QK-1，另一输入依次接QK-2～Q0，按位变换电路输出dK-2～d0既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位数据选择器由K-2-c个数据选择器组成，它的地址码输入接μ值密钥电路输出，它的数据输入接按位变换电路输出，它的输出接减法电路输入，输出gK-2-c～g0；④减法电路由K-1位二进制加法器和反相器组成；加法器输入接dK-2～d0和反相器输出，反相器输入接gK-2-c～g0，减法电路输出DK-1DK-2～D0接混沌锁存器QK-1 QK-2～Q0的D输入，QK-1和μi符号位异非或接QK的D输入；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q1按位异或和QK与μi符号位异或将正负二进制数QKQK-1～Q0转化为正二进制数混沌输出YK-1～Y0；每个时钟cp输出一个K位混沌信号；此外，还有初值密钥电路、μ值密钥电路、前导码判定电路和开启触发器，初值密钥电路以初值密钥为预置数接混沌锁存器初始值置数输入，μ值密钥电路以序列μ值接移位数据选择器地址输入；前导码判定电路接收和判定无线收/发信号是否来到，开启触发器启动和停止上述电路。
本发明混沌函数的混沌序列发生器还包括这样一些技术特征 1、取K＝160，N＝2160，μi≥0，c＝10，h＝4，高速高精度混沌函数的混沌序列发生器核心部分包括混沌锁存器、按位变换电路、移位数据选择器、减法电路和混沌输出电路，①混沌锁存器由161位D锁存器Q160Q159 Q158～Q0组成，最高位Q160是符号位，其它160位Q159 Q158～Q0是混沌数据位，Q159 Q158～Q0的输出接按位变换电路输入；②按位变换电路由158个异或门组成，每个异或门有一输入接Q159，另一输入依次接Q158～Q0，按位变换电路输出d158～d0既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位数据选择器由149个数据选择器组成，它的地址码输入接μ值密钥电路输出，它的数据输入接按位变换电路，它的输出接减法电路输入，输出g148～g0；④减法电路由158位二进制加法器和反相器组成；加法器输入接按d158～d0和反相器输出，反相器输入接g148～g0，减法电路输出D159D158～D0接混沌锁存器Q159Q158～Q0的D输入，Q159接Q160的D输入；⑤混沌输出电路用Q160和Q159～Q1按位异或和Q160取反将正负二进制数Q160Q159～Q0转化为正二进制数混沌输出Y159～Y0；每个时钟cp输出一个160位混沌信号；此外，还有初值密钥电路、μ值密钥电路、前导码判定电路和开启触发器，初值密钥电路以初值密钥为预置数接混沌锁存器初始值置数输入，μ值密钥电路以序列μ值接移位数据选择器地址输入；前导码判定电路接收和判定无线收/发信号是否来到，开启触发器启动和停止上述电路。
本发明混沌序列生成方法具体实现和序列发生器硬件中表现的优点详细说明如下 (1)用高速高精度混沌函数f(x)完成去掉乘除运算和只用一次减法运算的方法说明 有限精度效应是目前混沌理论走向应用的一大难题，Logistic混沌函数需要2次乘法运算和1次减法运算；Lorenz混沌函数需要5次乘法运算和4次减法运算，速度慢，精度低；无论是用软件或硬件，乘法运算是提高精度和速度的主要障碍，本发明用f(x)完成去掉乘除，只用一次减法运算。式一和式二中取μi≥0，得出
|x|∈
，μ∈
式三 去掉乘除、只用一次减法运算和电路的简化与式三有极密切的关系，结合式三详细说明本发明Qian混沌函数f(x)的混沌序列发生器核心部分电路图71，并详细说明具有的优点(为了直观，取K＝160来说明，对K取任意值，道理完全相同，如取K＝296) ①用按位异或运算实现减法运算。式三中设K＝160，N-1＝2160-1，用Q159 Q158……Q0表示160位二进制整数|xi|，N-1等于低159位(bit158……bit0)都是1。当|xi|≤N-1时(即Q159＝0)，执行式三中的N-1-|xi|，也就是对| xi|中的Q158～Q0执行按位取反，而Q159不变，用按位取反代替减法运算N-1-|xi|；当|xi|＞N-1时(即Q159＝1)，执行式三中的|xi|-N，也即仅将最高位Q159减1，Q158～Q0不变；二种运算合并为Q159和Q158～Q0执行按位异或运算，得出159位异或输出d158～d0，二种情况Q159值实际上和xi符号相同，可暂时保存Q159，不将Q159减1，以后左移时Q159自然丢失。只需一级异或门的延迟时间tpd，比传统减法运算速度高很多，数据位数越多，此优点越突出。
②用移位数据选择器完成数据(hμi+c)位右移。选用μ选在2(1-2-50)和2(1-2-8)间，式三中的μi×数据＝2(1-2-(hμi+c))×数据，d和c为整数，取c＝10，h＝4。将μ序列表示为μ0μ1μ2…μi…μu-1μu，存在μ值密钥电路中，在第i次迭代中该电路输出μi，将μi作为数据选择器的地址码，完成对d158～d0右移(4μi+10)位，即实现2-(4μi+10)×数据d158～d0＝数据选择器输出g148～g0。每迭代一次，改变一次地址码，用数据选择器完成数据多位右移，速度快。
③用减法运算代替乘法运算。用减法电路进行减法运算2(1-2-(hμi+c)×(d158～d0)＝2((d158～d0)-(g148～g0))；先按减法运算进行(d158～d0)-(g148～g0)，输出为S158……S0，必无进位，然后将S158……S0乘2，即将S158……S0再左移1位。左移1位相当于将输出线S158…S0改动，即依次按D159←S158，D1←S0，D2←S1…连接，其中D159D158……D2D1D0是减法电路输出，也是混沌锁存器Q159Q158……Q2Q1Q0的D输入端，即将S158 S157………S1S0各自存到Q159Q158……Q2Q1，只改动输出连线，无需任何门电路。左移后剩下的Q0置位1，即Q0←1，相当于式(1)中的±1；结果得出160位数据Q159Q158……Q2Q1Q0，移位过程中需将暂时保存在Q159的符号位存入Q160，即Q160←Q159。由此可见，用减法运算代替式三中的乘法运算，比乘法运算速度高很多，随混沌锁存器位数增加，超前借位减法电路比乘法电路容易实现。
④用按位异或实现混沌数据输出。符号位Q160＝0表示正数，Q160＝1表示负数，因二进制数仅用0和1，无-1，应将正负数转换为整数，为此用2N-1减上述160位数据Q159Q158……Q2Q1Q0。若Q160＝0，因2N-1为160位都是1，用2N-1减Q159Q158……Q2Q1Q0，相当于对Q159Q158……Q2Q1Q0按位取反；若Q160＝1，则2N-1减负Q159Q158……Q2Q1Q0，即为2N-1加Q159Q158……Q2Q1Q0，注意Q0＝1，于是Q0＝1与2N-1中的-1抵消，2N就是Q160＝1，结果得出Q160＝1，Q0＝0，其余Q159……Q2Q1不变。因二种情况Q0都为0，输出时删除Q0。用Q160和Q159……Q2Q1按为异或实现Y158……Y1Y0，最高位Q160取反得Y159，得出160位混沌数据输出Y159Y158……Y1Y0。混沌数据输出最好取在时钟的后半周期。这里减法运算(2N-1减160位数据)也是用按位异或和取反完成的，一级异或门速度远大于减法电路速度。
(2)混沌序列发生器的具体硬件实现和工作过程图70为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器方块图。图70的虚线内详细电路为图71，即图71为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器核心部分电路图。令xi+1＝f(xi)，xi是第i次迭代值，图71中混沌锁存器由161个D锁存器Q160Q159～Q0组成，用Q160存混沌变量xi的符号，Q159～Q0绝对值|xi|，它包含有160个具有时钟预置数功能的D触发器Q159～Q0，该D触发器结构示于图72，其中控制端E接QS。无线收/发芯片在数据收/发过程，总是先发送前导码，接着才是地址码和数据及校验码，前导码是数据收/发导引信号，必不可少的，前导码和收/发数据时间间隔是确定的，可作为混沌加/解密的同步信号。
参看图70，前导码判定电路判定发送信号是否来到，信号来到前，开启触发器QS＝0(E＝0)，在cp作用下，将初始值(作为初值密钥)置如入混沌锁存器，μ值密钥电路存入μ值密钥；一旦前导码判定电路在判定发送信号来到，开启触发器立即置1，即QS＝1(E＝1)，在时钟cp作用下，按下述步骤①～⑤每个cp完成一次迭代运算。①混沌锁存器由161位D锁存器Q160Q159 Q158～Q0组成，最高位Q160是符号位，其它160位Q159 Q158～Q0是混沌数据位，Q159Q158～Q0的输出接按位变换电路输入；②按位变换电路由158个异或门组成，每个异或门有一输入接Q159，另一输入依次接Q158～Q0，按位变换电路输出d158～d0既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位数据选择器由149个数据选择器组成，它的地址码输入接μ值密钥电路输出，它的数据输入接按位变换电路，它的输出接减法电路输入，输出g148～g0；④减法电路由158位二进制加法器和反相器组成；加法器输入接按d158～d0和反相器输出，反相器输入接g148～g0，减法电路输出D159D158～D0接混沌锁存器D输入；⑤混沌输出电路用Q160和Q159～Q1按位异或和Q160取反将正负二进制数Q160Q159～Q0转化为正二进制数混沌输出Y159～Y0；每个时钟cp输出一个160位混沌信号；此外，还有初值密钥电路、μ值密钥电路、前导码判定电路和开启触发器，初值密钥电路以初值密钥为预置数接混沌锁存器初始值置数输入，μ值密钥电路以序列μ值接移位数据选择器地址输入；前导码判定电路接收和判定无线收/发信号是否来到，开启触发器启动和停止上述电路。可按需要情况用发送数据的起始部分作为前导码补充，前导码既是收/发数据的启动信号，由可作为混沌序列发生器的同步信号(包括前导码补充)。
电路性能和计算机模拟结果本发明高速高精度混沌函数f(x)的混沌序列发生器数据输出Y159～Y0分5段显示(∵计算机以double的精度最高，可显示精度为二进制位数≤56)，该5段依次是Y159～Y128、Y127～Y96、Y95～Y64、Y63～Y62、Y31～Y0。图83、图84、图85、图86、图87是5段输出波形，每图输出幅度约为232＝4.29×109；图73、图74、图75、图76、图77是5段输出功率谱密度曲线；图78、图79、图80、图81、图82是5段输出的相关特性曲线。上述图73～图82接近图39～图42所示的均匀分布随机数序列rand和高斯分布随机数序列randn功率谱密度和相关特性曲线，功率谱平坦，相关特性在一个周期点5×104处处有很高很细的尖峰，表明自相关性很强，其它处反映它们的互相关性，表明互相关性的幅度很小。上述性能表明该电路利用混沌函数f(x)最佳段，随机性最好，适合于混沌加密。
(3)高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法和混沌序列发生器的优点 ①精度高、速度高。混沌变量用160位二进制数，精度远大于上述计算机double型，远大于现有混沌加密电路。有继续增加位数的潜力，继续增加二进制数位数时减法电路对速度取关键作用。减法电路和异或门等都是组合电路，每个cp完成一次迭代运算，一次迭代过程只用1次减法。对CMOS逻辑专用集成电路，在0.5μm工艺下完成64位行波进位加法器(RCA)延迟约为30ns，反相器延迟约为0.43ns，MUX延迟约为2.43ns，三输入NOR门触发器延迟约为0.85ns，触发器延迟最大约为9.5ns。160位减法电路用160位行波进位加法器加反相器实现，则延迟约为75ns+0.43ns＝75.5ns。计算cp周期＝75.5+9.5+2.43+0.85≈88.5ns，取cp周期＝0.1μs，加密128位明文需要时间＝17×0.1μs＝1.7μs。若按中小规模集成电路参数计算，减法电路全用4位二进制全加器283实现(负数变为反码+1)，共用40个全加器，则完成160为减法需要40×53ns＝2.12μs，其它门延迟＜0.08μs，取cp周期＝2.2μs，则加密128位明文需要时间＝17×2.2μs＝37.4μs。速度远大于现有混沌加密电路。
②电路简单，适合在无线网络和无线传感器网络中应用。表现在平均每位所用的器件较少(i)混沌序列发生器无乘除运算，用减法运算代替乘法运算，用按位取反等实现减法运算和输出电路；数据每增加一位，则只需增加1个触发器，2个异或门，1个数据选择器，并将减法器增加1位。(ii)明文混沌排队-混沌异或电路只用8个数据选择器(每位用1/16个)，40个异或门(每位用1/3.2个)，4个8D锁存器(每位用1/32个)，16个8位移位寄存器和另128个8位移位寄存器(每位用1.125个)。128个指的是所有排队码密钥全存入128个8位移位寄存器，若改为每循环由计算机并行输入16位排队码密钥，则排队码密钥电路只需由8个8位移位寄存器组成，可节减120个8位移位寄存器(每位用1/5.3个)。
③信息安全性好。有三个密钥初值密钥，μ值密钥和排队码密钥。记排队码位数为nd，排队码密钥组数为nra，明文位数Nxor位D锁存器位数Nxor＝8×nd，Nra位循环右移移位寄存器位数混沌锁存器混沌输出位数K＝Nxor+Ndata，取nd＝4，nra＝16，则Nxor＝8×nd＝32，初值密钥是K＝Ndata+Nxor＝160位，初始值有2160≈1.46×1048种可能，μ值密钥有32位4进制数，有432≈1.84×1019种可能μ值序列；排队码密钥每组个数，共有16！＝2.09×1013种可能排列，按nra＝16组计算，排队码密钥大约有(2.09×1013)16＝1.3×10213种可能排列；三个密钥需穷举次数＝1.46×1048×1.84×1019×1.3×10213≈3.49×10280，穷举法破译根本不可能；另外，8个输入shz1～shz8可以打乱自然顺序接8个输出rsh1～rsh6，连接方式共有8！＝40320种，更增加穷举法破译的困难。
若nd＝5，nra＝16，则排队码密钥电路由5个512位循环右移移位寄存器组成，MUX(1)～MUX(8)是8个32选1数据选择器；Nxor＝8×nd＝40，有40位D锁存器位数及其连接的40个异或门；明文位数有8个32位移位寄存器； 每循环有33拍(即2nd+1拍)，加密过程和上述类似，第1拍先将混沌序列发生器生成的296位混沌输出(K＝Nxor+Ndata＝40+256＝296)置入Nxor＝40位锁存器和个32位移位寄存器；第2～第33拍产生32个单字节密文(即256位密文)；混沌序列发生器的混沌输出位数K＝Ndata+Nxor＝296，初值密钥有2K＝2296≈1.27×1089种，μ值密钥同上，排队码密钥有(32！)16＝(2.63×1035)16＝5.2×10566种，三个密钥需穷举次数＝1.27×1089×5.28×10566×1.84×1019≈1.23×10675，穷举法破译根本不可能。又因明文串行重排队是混沌式，前后相同的明文，混沌式重排队明文必不相同，然后再与另一混沌信号异或，加密所得出前后二密文更完全不相同，有二次混沌作用。混沌信号对明文串行混沌式重排队是短期见效的，分析法破译也根本不可能，破解极难。混沌序列具有很好的统计特性，它在数值分布上不符合概率统计学原理，既使传统混沌加密方法，对明文不作任何处理，也认为可行。另外，因为高速，每cp迭代一次，每17次迭代才取出一次混沌信号，17次迭间输出偏差＞1次迭间输出偏差，克服混沌序列的短周期响应；还可以再提高位数，克服混沌序列有限精度效应。
图1是本发明本发明Qian混沌函数f(x)的计算机模拟的周期倍分岔曲线图。
图2是本发明本发明Qian混沌函数f(x)的计算机模拟的Lyapunov指数曲线图。
图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11依次是本发明Qian混沌函数f(x)在μ＝2，2(1-2-50)，2(1-2-40)，2(1-2-30)，2(1-2-20)，2(1-2-10)，2(1-2-8)，2(1-2-6)，2(1-2-4)的计算机模拟的功率谱密度曲线图。
图12、图13、图14、图15、图16、图17、图18、图19、图20依次是本发明Qian混沌函数f(x)在μ＝2，2(1-2-50)，2(1-2-40)，2(1-2-30)，2(1-2-20)，2(1-2-10)，2(1-2-8)，2(1-2-6)，2(1-2-4)的计算机模拟的相关特性曲线图。
图21、图22、图23、图24、图25、图26、图27、图28、图29依次是本发明Qian混沌函数f(x)在μ＝1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9的计算机模拟功率谱密度曲线图。
图30、图31、图32、图33、图34、图35、图36、图37、图38依次是本发明Qian混沌函数f(x)在μ＝1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9的计算机模拟的相关特性曲线图。
图39和图41分别是均匀分布随机数序列rand的功率谱和相关特性模拟曲线图。
图40和图42分别是高斯分布随机数序列randn的功率谱和相关特性模拟曲线图。
图43、图44、图45、图46、图47、图48、图49、图50、图51依次是Logistic混沌函数在μ＝2，2(1-2-50)，2(1-2-40)，2(1-2-30)，2(1-2-20)，2(1-2-10)，2(1-2-8)，2(1-2-6)，2(1-2-4)的计算机模拟的功率谱密度曲线图。
图52、图53、图54、图55、图56、图57、图58、图59、图60依次是Logistic混沌函数在μ＝2，2(1-2-50)，2(1-2-40)，2(1-2-30)，2(1-2-20)，2(1-2-10)，2(1-2-8)，2(1-2-6)，2(1-2-4)的计算机模拟的相关特性曲线图。
图61、图62、图63依次是Lorenz混沌函数x、y、z的计算机模拟的功率谱密度曲线图。
图64、图65、图66依次是Lorenz混沌函数x、y、z的计算机模拟的相关特性曲线图。
图67、图68、图69依次是Lorenz混沌函数xy、yz、zx的计算机模拟的相轨迹图。
图70为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器方块图。
图71为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器核心部分电路图。
图72为图12中具预置数功能的D触发器电路图。
图73、图74、图75、图76、图77依次是为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器输出Y159～Y128、Y127～Y96、Y95～Y64、Y63～Y62、Y31～Y0的计算机模拟的功率谱密度曲线图。
图78、图79、图80、图81、图82依次是为本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器输出Y159～Y128、Y127～Y96、Y95～Y64、Y63～Y62、Y31～Y0的计算机模拟的相关特性曲线图。
图83、图84、图85、图86、图87依次是本发明高速高精度混沌函数的混沌序列发生器输出Y159～Y128、Y127～Y96、Y95～Y64、Y63～Y62、Y31～Y0的计算机模拟的输出曲线图。
图88是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌加密电路图。
图89是本发明混高速高精度沌函数的无乘除的混沌加密电路核心部分电路图。
图90、图91、图92依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌加密电路计算机模拟明文data波形、明文混沌重排队后rsh波形，密文z波形图。
图93、图94、图95依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌加密电路计算机模拟明文data、明文混沌重排队后rsh、密文Z的功率谱密度曲线图。
图96、图97、图98依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌加密电路计算机模拟明文data、明文混沌重排队后rsh、密文Z的相关特性曲线图。
图99、图100、图101依次是图90、图91、图92横坐标放大的图形图。
图102为本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路核心部分电路图。
图103、图104、图105依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路当它的三个密钥和加密电路全同时计算机模拟接收密文zr波形、zr与混沌信号异或后rsh波形、解密后恢复明文datar波形图。
图106、图107、图108依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路当它的三个密钥和加密电路全同时计算机模拟明文接收密文zr、zr与混沌信号异或后rsh、解密后恢复明文datar的功率谱密度曲线图。
图109、图110、图111依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路当它的三个密钥和加密电路全同时计算机模拟接收密文zr、zr与混沌信号异或后rsh、解密后恢复明文datar的相关特性曲线图。
图112、图113、图114依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路当它的三个密钥和加密电路几乎相同，仅有微小差别时计算机模拟接收密文zr波形、zr与混沌信号异或后rsh波形、解密后恢复明文datar波形图。
图115、图116、图117依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路当它的三个密钥和加密电路几乎相同，仅有微小差别时计算机模拟明文接收密文zr、zr与混沌信号异或后rsh、解密后恢复明文datar的功率谱密度曲线图。
图118、图119、图120依次是本发明高速高精度混沌函数的无乘除的混沌解密电路当它的三个密钥和加密电路几乎相同，仅有微小差别时计算机模拟接收密文zr、zr与混沌信号异或后rsh、解密后恢复明文datar的相关特性曲线图。
具体实施例方式 下面具体对本发明作进一步的说明 传统的方法主要从数学上研究混沌函数，然后将数学上的混沌函数应用到实际中。然而数学上很好的混沌函数，不一定完全符合实际计算机硬件和软件的特点，这是传统研究的方法的不足，本发明公开一种Qian混沌函数f(x)则按相反的方法进行，首先按计算机硬件和软件的特点，去定义Qian混沌函数f(x)，然后在数学上证明它是混沌函数。
(1)本发明公开一种符合计算机硬件特点的Qian混沌函数f(x)，表示如下
N＝2K，K＝正整数 (1)
|x|∈
，|μ|∈
(2) 为证明f(x)是混沌函数，先证明f(x)满足自映射；因Lyapunov指数是常用的混沌函数的判据，接着推导它的Lyapunov指数LE，证明当2≥μ＞1时，LE＞0，f(x)为混沌状态。
证明式(2)满足自映射当|x|≤N-1时，0≤N-1-|x|≤N-1，即0≤|g(x)|≤N-1；当N-1＜|x|≤2N-1时，0≤||x|-N|≤N-1，即0≤|g(x)|≤N～1。因|μ|≤2，当μg(x)≥0时，μg(x)+1＝|μ|·|g(x)|+1≤|μ|·(N-1)+1≤2N-1，满足|f(x)|≤2N-1；当μg(x)＜0时，-(μg(x)-1)＝-μg(x)+1＝|μ|·|g(x)|+1≤|μ|·(N-1)+1≤2N-1，满足|f(x)|≤2N-1；即对任意|x|∈
，满足|f(x)|∈
，所以f(x)满足自映射。
在f(x)满足自映射的前提下，可利用Lyapunov指数LE作为混沌状态判定的准则，为此从数学上推导f(x)的Lyapunov指数LE，并证明当2≥|μ|＞0，LE＞0，f(x)为混沌状态 ①设|x|≤N-1且|x+dx|≤N-1，或者|x|＞N-1且|x+dx|＞N-1。根据式(1)和式(2)看出，∵f(x)只取μg(x)+1或μg(x)-1之一形式，∴∵g(x)只取N-1-|x|或-||x|-N|之一形式，∴另外，所以根据求复合函数微商的方法得出， 几乎所有数据点都满足上式，只有二数据点(|x|＝N-1或|x+dx|＝N-1)不满足。
②分别设|x|≤N-1且|x+dx|＞N-1和|x|＞N-1且|x+dx|≤N-1，令μ≥0(或令μ＜0)，则由(3)可推出 总之，由LE＞0判定f(x)为混沌状态，LE取决于ln|μ|，取2≥|μ|＞1，则ln2≥ln|μ|＞0，即当2≥|μ|＞1时，LE＞0，f(x)为混沌状态，LE的最大值约为ln2＝0.69314718。
(2)Qian混沌函数f(x)的性能分析和计算机模拟结果。
令xi+1＝f(xi)，其中xi是迭代过程中变量x第i次值，而xi+1第i+1次值。计算机模拟混沌函数f(xi)得出图1和图2，二图的横坐标μ都是从-2→+2变化，图1是f(xi)函数的周期倍分岔曲线，纵坐标是xi值，取N＝250，xi最大值约为±2.25×1015，表明满足自映射，与数学证明一致；图2是f(xi)函数的Lyapunov指数曲线，纵坐标是LE值，可以看出，当μ的绝对值|μ|在1→2间，LE＞0，LE最大值＝0.69425(μ＝-2)和0.69453(μ＝2)，接近理论值ln2＝0.69314718，且在|μ|＝1处，LE＝0，与数学证明结果一致；表明|μ|在1→2间函数f(x)是混沌状态，为实现混沌序列，|μ|可在1和2间选取。图3～图11是依次是μ＝2，2(1-2-50)，2(1-2-40)，2(1-2-30)，2(1-2-20)，2(1-2-10)，2(1-2-8)，2(1-2-6)，2(1-2-4)的功率谱密度PSD曲线。混沌运动的特征是功率谱出现宽峰或连成一片，除图3外，图4～图11功率谱出现宽峰或连成一片，有混沌运动的特征。图3的混沌运动的特征很小，不适合于使用μ＝2，而偏离μ＝2为μ＝2(1-2-50)～2(1-2-8)混沌运动的特征很强，适合于使用。
混沌运动的自相关近似为δ函数；由两个不同初值产生的混沌序列互相关为0，其特性近似于白噪声，适合保密和扩频通信。图12～图20依次是μ＝2，2(1-2-50)，2(1-2-40)，2(1-2-30)，2(1-2-20)，2(1-2-10)，2(1-2-8)，2(1-2-6)，2(1-2-4)的函数f(x)的相关特性xcorr曲线，除图12外，图13～图20函数的自相关性良好，在周期点5×104处有很高很细的尖峰，表明自相关性很强，其它处反映它们的互相关性，互相关性的幅度很小，接近0。
图21～图29和图30～图38依次是μ＝1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9函数f(x)的功率谱和相关特性曲线，可作为选用μ的依据。
图39和图41分别是均匀分布随机数序列rand的功率谱和相关特性曲线，图40和图42分别是高斯分布随机数序列randn的功率谱和相关特性曲线，应用时最好接近图39～图42的特性，即功率谱最好是平坦的等幅的(水平线)，相关特性在一个周期点处有很高很细的尖峰，其它近于0。由图3～图38看出，μ在2(1-2-50)和2(1-2-8)间的功率谱和相关特性与图39～图42相近，因此参数μ最好选在2(1-2-50)和2(1-2-8)间。
图43～图51和图52～图60分别是常用Logistic混沌函数的功率谱和相关特性曲线，这些图和图3～图11类似，μ在2和2(1-2-8)间的功率谱和相关特性与图39～图42相近。图61～图69是Lorenz混沌函数的功率谱和相关特性曲线，可作参考。
下面结合具体实施例对本发明作说明 实施例1Qian混沌函数的无乘除混沌加密电路。
图88为本发明无乘除混沌加密电路方块图，下部虚线内是图70所示的f(x)的混沌序列发生器方块图，由它输出混沌序列；上部虚线内是图89所示明文混沌排队-混沌异或部分方块图。其中混沌序列有二作用①排队码的混沌变换，使明文串行重排队(混沌式)。②串行重排队明文和混沌序列的混合。图89为无乘除的混沌加密电路核心部分电路图，说明如下 ①明文Ndata电路就是明文数据缓存器，一方面不断接收计算机送来的明文数据，另一方面不断向8排队数据选择器(即8个16选1数据选择器MUX(1)～MUX(8))输出128位明文data127data126……data1data0。
②排队码密钥电路由4个256位循环右移移位寄存器32×165(1)～32×165(4)组成，已存入16组排队码序列，排队码密钥有16×16×4＝1024位；每组排队码序列是16个16进制数(4位二进制数)的序列，组中这16个数0～F各不相同，排队码密钥电路有4个输出Qh0～Qh3。
③八排队码-混沌变换电路由32个锁存器4×377和32个异或门组成，32个异或门为4行8列，每行8个异或门的一个输入(按行连在一起)分别接Qh0～Qh3，所有4行8列＝32个异或门的另一输入各自接32位锁存器4×377的32个输出ch0～ch31，每列4个异或门的4个输出按顺序分别接MUX(1)～MUX(8)的4个地址码输入ABCD。
④节拍1，先将混沌序列发生器生成的混沌输出高32位Y159～Y128置入8排队码-混沌变换电路中的32个锁存器4×377，输出为ch31～ch0；混沌输出的其余128位Y127～Y0置入明文-混沌异或电路中的8个16位移位寄存器2×165(1)～2×165(8)内。
⑤节拍2～17，16个cp下循环右移移位寄存器32×165(1)～32×165(4)的输出Qh0～Qh3依次移出16个各不相同的排队码，Qh0～Qh3与8个混沌输出ch31～ch28、ch27～ch24、ch23～ch20、ch19～ch16、ch15～ch12、ch11～ch8、ch7～ch4、ch3～ch0实行按位异或，得出16串8个混沌排队码，分别接8排队数据选择器MUX(1)～MUX(8)地址码ABCD。
⑥明文-混沌异或电路包括8个16位移位寄存器2×165(1)～2×165(8)和右边8个异或门。8个异或门的输出是z0～z7，8个异或门的8个输入shz1～shz8按顺序依次接MUX(1)～MUX(8)的8个输出rsh1～rsh8。8个异或门的另一个输入分别接8个16位移位寄存器输出Qh10～Qh17。明文Ndata电路中的128位明文8排由数据选择器完成重排队后，得出的shz1～shz8和8个16位移位寄存器输出Qh10～Qh17由8个异或门作异或运算，在z0～z7形成一个字节的密文输出，在16个时钟cp作用下，完成16个字节的密文(即128位密文)。
⑦然后由计算机送入下128位明文重复上述过程进行加密。
图90～图98为本发明混沌加密电路计算机模拟图形，图90是明文data波形，data波形是三角波，图91是明文混沌重排队后rsh波形，rsh波形有间隙模糊，图92是密文z波形，密文z波形则模糊一片。图93是明文data功率谱波形，波形有明显尖峰，无混沌特性；图94是明文混沌重排队后rsh功率谱波形，出现有波浪宽带波形，表明混沌重排队后有一定混沌特性；图95是密文z功率谱波形，接近等幅的平坦的(水平线)模糊一片波形，即接近图39～图42均匀分布随机数序列rand和高斯分布随机数序列randn的功率谱。图96是明文data相关特性波形，中间约1.6×104处不高，自相关很差，其它处较大，即互相关较大；图97是明文混沌重排队后rsh相关特性波形，中间约1.6×104处出现细窄小尖峰，自相关增加，其它处仍大，即互相关仍较大；图98是密文z相关特性波形，中间约1.6×104处出现高而细窄尖峰，自相关很大，其它处近0，即互相关很小，接近均匀分布随机数序列rand和高斯分布随机数序列randn的相关特性曲线，与加密要求一致。图99、图100、图101是图90、图91、图92放大图形，便于观察。
实施例2Qian混沌函数的无乘除的混沌解密电路。
图102为本发明Qian混沌函数的无乘除的混沌解密电路核心部分电路图，混沌解密电路和混沌加密电路大部分相同，只需将数据选择器MUX(1)～MUX(8))改为数据分配器DIS(1)～DEL(8)，再调换明文-混沌异或电路中的8个异或门输入和输出线(即8个异或门z0～z7输出改为输入，而图89中接数据选择器MUX(1)～MUX(8)的输入改为图102中向数据分配器DIS(1)～DEL(8)输出)，混沌解密是混沌加密的逆过程，主要表现在密文→明文的过程，即8个异或门的输入z0～z7一个字节的密文，然后通过数据分配器DIS(1)～DIS(8)重分配明文，其它部件结构和作用与加密电路相应部分相同。
当解密电路三密钥和发送端加密电路全同时，对本发明Qian混沌函数的无乘除的混沌解密电路进行计算机模拟得出图103是接收密文zr波形，波形模糊一片；图104是zr与混沌信号异或后rsh波形，波形模糊，有间隙；图105是解密后恢复明文datar波形，波形是三角波，与发送明文相同。图106是zr功率谱波形，接近等幅的平坦的模糊一片波形；图107是rsh功率谱波形，出现有波浪宽带波形，有一定混沌特性；图108是datar功率谱波形，有明显尖峰，无混沌特性。图109是zr相关特性波形，约1.6×104处出现高而细窄尖峰，自相关很大，其它处近0，即互相关很小；图110是rsh的相关特性波形，约1.6×104处出现细窄小尖峰，自相关增加，其它处仍大，即互相关仍较大；图111是datar的相关特性波形，自相关很差，即互相关大。可以看出，解密过程和加密过程完全相反，解密后恢复明文datar波形(三角波)。
现将置入混沌锁存器Q159 Q158～Q0的初始值+1，即按160位的最低位加1，其它不变，重新对本发明无乘除的混沌解密电路进行种计算机模拟得出图112、图113、图114分别是zr、rsh、datar的波形，三波形都是模糊一片，解密后datar没有恢复明文波形(三角波)。图115、图116、图117分别是zr、rsh、datar的功率谱波形，三波形都是接近等幅的平坦的(水平线)模糊一片；图118、图119、图120分别是zr、rsh、datar的相关特性波形，三波形都是自相关很大，其它处近0，即互相关很小。
实施例3Qian混沌函数的无乘除的混沌扩频电路。
现代无线电设备的电磁环境变得异常复杂，干扰愈来愈严重，对实现通信的迅速、准确、保密提出了严峻的挑战。扩频通信使通信在电磁环境复杂、干扰严重情况下实现顺畅，成为未来通信的发展方向。在扩频技术中性能优良的扩频码是关键。传统扩频通信大都采用线性或非线性移位寄存器产生伪随机序列作为扩频序列，缺点是可用码组序列数目少，序列复杂度低，相关函数呈现周期性，容易被破译等，而本发明混沌函数的混沌序列则具有许多优于传统扩频序列的特性，精度高，速度快，电路简单，易于产生，非周期性，不收敛但有界，对初值有敏感等，数量多，完全能够同时满足自相关和互相关性能的混沌扩频序列的数量。
在发送端，设要发送数据信号为n位二值序列码di＝±1，i＝0，1，2，……，n，±1对应传输比特为逻辑1和逻辑0。必有一个伪随机序列作为扩频序列，它的码率(比特率)比上述数字信号码率大很多，原大都采用线性或非线性移位寄存器产生伪随机序列。现改用高速高精度混沌函数的混沌序列c＝c1c2c3……ck，cj＝0，1；用数字信号di调制混沌序列c，当di＝+1时，在+1持续期内传输码片序列取为c＝c1c2c3……ck；当di＝-1时，在-1持续期内传输码片序列取为发送数据信号实为一组码片序列(c和c-1)。在接收端，通过内积运算(即将接收数据序列和参考序列c进行按位模2乘，并求和)，若接收数据序列(为c)和参考序列c相同，则内积结果是k，若接收数据序列为c-1，和参考序列c按位反，则内积结果是-k。对干扰序列和参考序列内积结果(绝对值)＜k；这是因混沌序列自相关近似为δ函数，k是码片序列长度。
权利要求
1.一种高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法；其特征在于所述的高速高精度混沌函数是一种符合计算机硬件特点的混沌函数f(xi)，表示为
N＝2K，K＝正整数，式一
|xi|∈
，|μi|∈
，式二
依据所述混沌函数f(xi)完成的混沌序列生成方法如下
混沌值xi存在混沌锁存器中，混沌锁存器由K+1个D锁存器QKQK-1QK-2～Q0组成，其中QK存xi的符号，QK-1QK-2～Q0存xi的绝对值|xi|；初值密钥电路存混沌锁存器初始值，μ值密钥电路存序列μi值；前导码判定电路判定发送信号是否来到，信号未来到，开启触发器QS＝0，将混沌锁存器初始值置入QKQK-1 QK-2～Q0；信号来到，立即置QS＝1，启动混沌序列发生器，每个时钟cp混沌序列发生器执行一次混沌函数迭代运算，生成一个K位混沌输出YK-1～Y0；具体生成1个混沌输出的方法是①按位变换电路将QK-1和QK-2～Q0作按位异或，由此执行式一的减法运算N-1-|xi|或|xi|-N，输出dK-2～d0；②移位数据选择器以μi作为数据选择器的地址码，将数据dK-2～d0右移hμi+c位，由此执行2-(hμi+c)×数据dK-2～d0，输出gK-2-c～g0；③减法电路先进行dK-2～d0减gK-2-c～g0＝SK-2～S0，接着减法的结果SK-2～S0用连线向左移1位，最低位置1，即D锁存器的输入DK-1接SK-2，DK-2接SK-3，……D1接S0，D0接1；由此用减法电路实现式二的乘法μi×数据±1＝2(1-2-(hμi+c))×数据和±1，减法电路输出DK-1DK-2～D0；④在cp上升沿将减法电路输出DK-1DK-2～D0存入混沌锁存器QK-1QK-2～Q0，并将μi值符号位和QK-1异或非存到QK；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q1按位异或和QK取反将正负二进制数QKQK-1～Q0转化为正二进制数混沌输出YK-1～Y0；对此后每个cp重复上述步骤①～⑤进行，不断产生混沌输出YK-1～Y0，生成混沌序列输出。
2.根据权利要求1所述的一种高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法，其特征在于取K＝160，N＝2160，μi≥0，c＝10，h＝4，混沌值xi存在混沌锁存器中，混沌锁存器由161个D锁存器Q160Q159 Q158～Q0组成，其中Q160存xi的符号，Q159 Q158～Q0存xi的绝对值|xi|；初值密钥电路存混沌锁存器初始值，μ值密钥电路存序列μi值；前导码判定电路在判定发送信号是否来到，信号未来到，开启触发器QS＝0，将混沌锁存器初始值置入Q159Q158～Q0；信号来到，立即置QS＝1，混沌序列发生器开始工作，每个时钟cp混沌序列发生器完成一次混沌函数迭代运算，具体生成一个K位混沌输出Y159～Y0；生成的一个混沌输出方法是，①按位变换电路将Q159和Q158～Q0作按位异或，由此执行式一的减法运算N-1-|xi|或|xi|-N，输出d158～d0；②移位数据选择器以μi作为数据选择器的地址码，将数据d158～d0右移4μi+10位，由此执行2-(4μi+10)×数据d158～d0，输出g148～g0；③减法电路先进行d158～d0减g148～g0＝S158～S0，接着将减法的结果S158～S0用连线向左移1位，最低位置1，即D159接S158，D158接S157，……D1接S0，D0接1，由此用减法电路实现式二的乘法μi×数据±1＝2(1-2-(4μi+10))×数据和±1，减法电路输出D159D158～D0；④在cp上升沿将减法电路输出D159D158～D0存入混沌锁存器Q159Q158～Q0，并将Q159存到Q160；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q1按位异或和QK取反将正负二进制数Q160Q159～Q0转化为正二进制数混沌输出Y159～Y0；对此后每个cp重复上述步骤①～⑤进行，不断产生混沌序列输出Y159～Y0。
3.根据权利要求1所述的高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法形成的混沌序列发生器，其特征在于高速高精度混沌函数的混沌序列发生器核心部分包括混沌锁存器、按位变换电路、移位数据选择器、减法电路和混沌输出电路①混沌锁存器由K+1位D锁存器QKQK-1QK-2～Q0组成，最高位QK是符号位，其它K位QK-1QK-2～Q0是混沌数据位，QK-1QK-2～Q0的输出接按位变换电路输入；②按位变换电路由K-1个异或门组成，每个异或门有一输入接QK-1，另一输入依次接QK-2～Q0，按位变换电路输出dK-2～d0既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位数据选择器由K-2-c个数据选择器组成，它的地址码输入接μ值密钥电路输出，它的数据输入接按位变换电路输出，它的输出接减法电路输入，输出gK-2-c～g0；④减法电路由K-1位二进制加法器和反相器组成；加法器输入接dK-2～d0和反相器输出，反相器输入接gK-2-c～g0，减法电路输出DK-1DK-2～D0接混沌锁存器QK-1 QK-2～Q0的D输入，QK-1和μi符号位异非或接QK的D输入；⑤混沌输出电路用QK和QK-1～Q1按位异或和QK与μi符号位异或将正负二进制数QKQK-1～Q0转化为正二进制数混沌输出YK-1～Y0；每个时钟cp输出一个K位混沌信号；此外，还有初值密钥电路、μ值密钥电路、前导码判定电路和开启触发器，初值密钥电路以初值密钥为预置数接混沌锁存器初始值置数输入，μ值密钥电路以序列μ值接移位数据选择器地址输入；前导码判定电路接收和判定无线收/发信号是否来到，开启触发器启动和停止上述电路。
4.根据权利要求3所述的一种高速高精度混沌函数的混沌序列发生器，其特征在于取K＝160，N＝2160，μi≥0，c＝10，h＝4，高速高精度混沌函数的混沌序列发生器核心部分包括混沌锁存器、按位变换电路、移位数据选择器、减法电路和混沌输出电路，①混沌锁存器由161位D锁存器Q160Q159 Q158～Q0组成，最高位Q160是符号位，其它160位Q159 Q158～Q0是混沌数据位，Q159 Q158～Q0的输出接按位变换电路输入；②按位变换电路由158个异或门组成，每个异或门有一输入接Q159，另一输入依次接Q158～Q0，按位变换电路输出d158～d0既接移位数据选择器数据输入，又接减法电路输入；③移位数据选择器由149个数据选择器组成，它的地址码输入接μ值密钥电路输出，它的数据输入接按位变换电路，它的输出接减法电路输入，输出g148～g0；④减法电路由158位二进制加法器和反相器组成；加法器输入接按d158～d0和反相器输出，反相器输入接g148～g0，减法电路输出D159D158～D0接混沌锁存器Q159Q158～Q0的D输入，Q159接Q160的D输入；⑤混沌输出电路用Q160和Q159～Q1按位异或和Q160取反将正负二进制数Q160Q159～Q0转化为正二进制数混沌输出Y159～Y0；每个时钟cp输出一个160位混沌信号；此外，还有初值密钥电路、μ值密钥电路、前导码判定电路和开启触发器，初值密钥电路以初值密钥为预置数接混沌锁存器初始值置数输入，μ值密钥电路以序列μ值接移位数据选择器地址输入；前导码判定电路接收和判定无线收/发信号是否来到，开启触发器启动和停止上述电路。
全文摘要
本发明公开了一种高速高精度混沌函数的混沌序列生成方法和序列发生器。初值密钥电路存入混沌锁存器初始值，μ值密钥电路存入序列μi值；每个cp混沌函数完成一次迭代运算按位变换电路对混沌锁存器输出作按位异或，用按位异或实现减法运算N-1-|xi|等；移位数据选择器以μi作为数据选择器的地址码，将数据右移多位，然后用减法实现乘法μi×数据；在cp上升沿将减法结果存入混沌锁存器，每个cp生成一个160位混沌输出；有初值密钥和μ值密钥，随机性好；精度远大于double型，cp周期可到90ns，加密128位明文需要1.7μs；可用FPGA、CPLD和ASIC等实现，用于网络安全技术领域，特别是无线网络和无线传感器网络。
文档编号H04L9/00GK101222318SQ20081006389
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月23日 优先权日2008年1月23日
发明者倩 方, 莹 刘, 方振贤 申请人:黑龙江大学, 倩 方, 莹 刘, 方振贤