技术领域本发明涉及混沌保密通信中所需的混沌电路，具体涉及一种基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号发生器。
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近年来非线性电路与系统学科研究的一个新领域，目前已取得了一些相关的研究成果，如中国专利授权公告号CN1199968A的专利文献公开了一种变型蔡氏电路、中国专利授权公告号ZL201210129556.1的专利文献公开了一种复合混沌信号电路，但没涉及基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌系统，因此，用于混沌保密通讯还存在局限。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号发生器，使混沌信号发生器硬件更易实现，加密性更强。为了实现上述目的，本发明采取以下方案：一种基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号发生器，包括由运算放大器和乘法器组成的基本混沌信号产生电路N1、由运算放大器和乘法器组成的基本混沌信号产生电路N2、用于产生切换控制函数q(y)的序列发生器N3；所述基本混沌信号产生电路N1的输出端与序列发生器N3的输入端连接，基本混沌信号产生电路N2的输出端与序列发生器N3的输入端连接；序列发生器N3的输出端分别与基本混沌信号产生电路N1输入端、基本混沌信号产生电路N2输入端连接。优选地，所述基本混沌信号产生电路N1包括12个运算放大器和1个乘法器；所述12个运算放大器分别为OP1、OP2、OP3、OP4、OP5、OP6、OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12，所述1个乘法器为MUL1；所述运算放大器OP1的输出端通过电阻R1与运算放大器OP1的负输入端连接；运算放大器OP1的输出端通过电阻R9与运算放大器OP7的负输入端连接；所述运算放大器OP2的输出端通过电阻R3与运算放大器OP2的负输入端连接；运算放大器OP2的输出端与乘法器MUL1的输入端、运算放大器OP1的负输入端连接；所述运算放大器OP3的输出端通过电阻R4与运算放大器OP2的负输入端连接；所述运算放大器OP4的输出端分别通过电阻R6、电阻R8与运算放大器OP4、OP5的负输入端连接，运算放大器OP4的负输入端通过电阻R5与运算放大器OP7的输出端连接，运算放大器OP4的输出端通过电阻R4与运算放大器OP5的负输入端连接；所述运算放大器OP5的输出端与运算放大器OP3的负输入端相连，运算放大器OP5的输出端通过电阻R7与运算放大器OP5的负输入端连接；所述乘法器MUL1的输出端通过电阻R10与运算放大器OP7的负输入端连接；所述运算放大器OP6的输出端分别通过电阻R12、电阻R13与运算放大器OP6、OP7的负输入端连接，运算放大器OP6的负输入端通过电阻R11与电阻R5的一端、运算放大器OP8的正输入端连接；运算放大器OP7的输出端与序列发生器N3的输入端相连；所述运算放大器OP8的输出端与运算放大器OP8的负输入端连接；运算放大器OP8的输出端通过电阻R14与运算放大器OP9的负输入端连接；运算放大器OP8的输出端通过电阻R15与运算放大器OP10的负输入端连接；所述运算放大器OP9的输出端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极连接，二极管D1的阳极通过电阻R16与运算放大器OP9的负输入端连接，二极管D2的阴极与运算放大器OP9的负输入端连接，电阻R16、二极管D1的阳极通过电阻R17与运算放大器OP10的负输入端连接；运算放大器OP10的输出端通过电阻R18与运算放大器OP10的负输入端连接，运算放大器OP10的输出端通过电阻R20与运算放大器OP11的负输入端连接；运算放大器OP11的负输入端通过电阻R19与运算放大器OP11的输出端连接，运算放大器OP11的输出端通过电阻R21与运算放大器OP12的负输入端连接；运算放大器OP12的输出端通过电阻R22与运算放大器OP12的负输入端连接，运算放大器OP12的负输入端通过电阻R23与序列发生器N3连接，运算放大器OP12的输出端与乘法器MUL1的输入端连接。所述运算放大器OP1、OP2、OP3、OP4、OP5、OP6、OP7、OP9、OP10、OP11、OP12的正输入端接地。优选地，所述基本混沌信号产生电路N2包括7个运算放大器和2个乘法器，所述7个运算放大器分别OP13、OP14、OP15、OP16、OP17、OP18、OP19，所述2个乘法器分别为MUL2、MUL3；所述运算放大器OP13的输出端分别通过电阻R25、电阻R27与运算放大器OP13、运算放大器OP14的负输入端连接，运算放大器OP13的负输入端与运算放大器OP16的的输出端连接；所述运算放大器OP14的输出端与乘法器MUL2的输入端连接，运算放大器OP14的输出端通过电阻R26与运算放大器OP14的负输入端连接；所述乘法器MUL2的输出端通过电阻与运算放大器OP16的负输入端连接；运算放大器OP15的输出端分别通过电阻R30、电阻R31与运算放大器OP15的负输入端、运算放大器OP16的负输入端连接，运算放大器OP15的负输入端通过电阻R29与运算放大器OP17的正输入端连接；运算放大器OP16的输出端与运算放大器OP17的正输入端连接，运算放大器OP16的输出端与序列发生器N3的输入端相连；运算放大器OP17的输出端与运算放大器OP17的负输入端连接，运算放大器OP17的输出端与乘法器MUL3的两个输入端连接，乘法器MUL3的输出端通过电阻R32与运算放大器OP18的负输入端连接；运算放大器OP18的输出端通过分别通过电阻R33、电阻R34与运算放大器OP18的负输入端、运算放大器OP19的负输入端连接；运算放大器OP19的输出端通过电阻R35与运算放大器OP19的负输入端连接；运算放大器OP19的负输入端通过电阻R36与序列发生器N3连接；所述运算放大器OP13、OP14、OP15、OP16、OP18、OP19的正输入端接地。优选地，所述序列发生器N3包括22个运算放大器；所述22个运算放大器分别为OP20、OP21、OP22、OP23、OP24、OP25、OP26、OP27、OP28、OP29、OP30、OP31、OP32、OP33、OP34、OP35、OP36、OP37、OP38、OP39、OP40、OP41；所述运算放大器OP22的输出端通过电阻R41与运算放大器OP21的负输入端连接；运算放大器OP21的输出端分别通过电阻R38、电阻R40与运算放大器OP21的负输入端、运算放大器OP20的负输入端连接；运算放大器OP20的负输入端通过电阻R39与运算放大器OP20的输出端连接，运算放大器OP20的输出端通过电阻R46与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP24的输出端通过电阻R45与运算放大器OP23的负输入端连接；运算放大器OP23的输出端分别通过电阻R44、电阻R43与运算放大器OP23的负输入端、运算放大器OP20的正输入端连接；所述运算放大器OP27的输出端通过电阻R51与运算放大器OP26的负输入端连接；运算放大器OP26的输出端分别通过电阻R48、电阻R50与运算放大器OP26的负输入端、运算放大器OP25的负输入端连接；运算放大器OP25的负输入端通过电阻R49与运算放大器OP25的输出端连接，运算放大器OP25的输出端通过电阻R56、开关K2与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP29的输出端通过电阻R55与运算放大器OP28的负输入端连接；运算放大器OP28的输出端分别通过电阻R54、电阻R53与运算放大器OP28的负输入端、运算放大器OP25的正输入端连接；所述运算放大器OP34的输出端通过电阻R61与运算放大器OP33的负输入端连接；运算放大器OP33的输出端分别通过电阻R58、电阻R60与运算放大器OP33的负输入端、运算放大器OP32的负输入端连接；运算放大器OP32的负输入端通过电阻R59与运算放大器OP32的输出端连接，运算放大器OP32的输出端通过电阻R66、开关K3与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP36的输出端通过电阻R65与运算放大器OP35的负输入端连接；运算放大器OP35的输出端分别通过电阻R64、电阻R63与运算放大器OP35的负输入端、运算放大器OP32的正输入端连接；所述运算放大器OP39的输出端通过电阻R71与运算放大器OP38的负输入端连接；运算放大器OP38的输出端分别通过电阻R68、电阻R70与运算放大器OP38的负输入端、运算放大器OP37的负输入端连接；运算放大器OP37的负输入端通过电阻R69与运算放大器OP37的输出端连接，运算放大器OP37的输出端通过电阻R76、开关K4与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP41的输出端通过电阻R75与运算放大器OP40的负输入端连接；运算放大器OP40的输出端分别通过电阻R74、电阻R73与运算放大器OP40的负输入端、运算放大器OP37的正输入端连接；所述运算放大器OP30的负输入端通过电阻R75与运算放大器OP30的输出端连接，运算放大器OP30的输出端通过电阻R78与运算放大器OP31的负输入端连接；运算放大器OP31的负输入端通过电阻R79与运算放大器OP31的输出端连接；其中OP21、OP23、OP26、OP28、OP33、OP35、OP38、OP40、OP30、OP31的负输入端接地，OP22、OP24、OP27、OP29、OP34、OP36、OP39、OP41的负输入端与OP7、OP16的输出端连接。序列发生器N3作为切换控制器来产生多翅膀混沌信号，其硬件电路更易实现。本发明与已有技术相比的有益效果为：1)由于用阶梯波函数序列作为切换控制器来产生多翅膀超混沌信号，其硬件电路的实现更加容易；2)采用本发明的混沌信号发生器，能产生多翅膀混沌信号，用于通讯中的加密，其性能更佳。附图说明图1为本发明总体结构示意图；图2为产生切换控制函数q(y)序列发生器N3的电路示意图；具体实施方式图中各个器件：OP1～OP12：基本混沌信号产生电路N1的运算放大器；MUL1：基本混沌信号产生电路N1的乘法器；OP13～OP19：基本混沌信号产生电路N2的运算放大器；MUL2～MUL3：基本混沌信号产生电路N2的乘法器；OP20～OP41：产生切换控制函数q(y)序列发生器N3的运算放大器；D1～D2：产生切换控制函数q(y)序列发生器N3的二极管；K1：产生基本混沌信号的开关；K2～K4：产生切换控制函数q(y)序列发生器N3的开关；E1～E8：序列发生器N3的延时电压；以下实施用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。所述基本混沌信号产生电路N1的输出端与序列发生器N3的输入端连接，基本混沌信号产生电路N2的输出端与序列发生器N3的输入端连接；序列发生器N3的输出端分别与基本混沌信号产生电路N1输入端、基本混沌信号产生电路N2输入端连接。如图1所示，本发明所述的一种基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号发生器，包括由运算放大器和乘法器组成的基本混沌信号产生电路N1、由运算放大器和乘法器组成的基本混沌信号产生电路N2、用于产生切换控制函数q(y)的序列发生器N3；如图1所示，所述基本混沌信号产生电路N1包括12个运算放大器和1个乘法器；所述12个运算放大器分别为OP1、OP2、OP3、OP4、OP5、OP6、OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12，所述1个乘法器为MUL1；所述运算放大器OP1的输出端通过电阻R1与运算放大器OP1的负输入端连接；运算放大器OP1的输出端通过电阻R9与运算放大器OP7的负输入端连接；所述运算放大器OP2的输出端通过电阻R3与运算放大器OP2的负输入端连接；运算放大器OP2的输出端与乘法器MUL1的输入端、运算放大器OP1的负输入端连接；所述运算放大器OP3的输出端通过电阻R4与运算放大器OP2的负输入端连接；所述运算放大器OP4的输出端分别通过电阻R6、电阻R8与运算放大器OP4、OP5的负输入端连接，运算放大器OP4的负输入端通过电阻R5与运算放大器OP7的输出端连接；所述运算放大器OP5的输出端与运算放大器OP3的负输入端相连，运算放大器OP5的输出端通过电阻R7与运算放大器OP5的负输入端连接；所述乘法器MUL1的输出端通过电阻R10与运算放大器OP7的负输入端连接；所述运算放大器OP6的输出端分别通过电阻R12、电阻R13与运算放大器OP6、OP7的负输入端连接，运算放大器OP6的负输入端通过电阻R11与电阻R5的一端、运算放大器OP8的负输入端连接；运算放大器OP7的输出端与序列发生器N3的输入端相连；所述运算放大器OP8的输出端与运算放大器OP8的负输入端连接；运算放大器OP8的输出端通过电阻R14与运算放大器OP9的负输入端连接；运算放大器OP8的输出端通过电阻R15与运算放大器OP10的负输入端连接；所述运算放大器OP9的输出端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极连接，二极管D1的阳极通过电阻R16与运算放大器OP9的负输入端连接，二极管D2的阴极与运算放大器OP9的负输入端连接，电阻R16、二极管D1的阳极通过电阻R17与运算放大器OP10的负输入端连接；运算放大器OP10的输出端通过电阻R18与运算放大器OP10的负输入端连接，运算放大器OP10的输出端通过电阻R20与运算放大器OP11的负输入端连接；运算放大器OP11的负输入端通过电阻R19与运算放大器OP11的输出端连接，运算放大器OP11的输出端通过电阻R21与运算放大器OP12的负输入端连接；运算放大器OP12的输出端通过电阻R22与运算放大器OP12的负输入端连接，运算放大器OP12的负输入端通过电阻R23与序列发生器N3连接，运算放大器OP12的输出端与乘法器MUL1的输入端连接。所述序列发生器N3的输出端通过电阻与运算放大器OP8的负输入端连接；所述运算放大器OP1、OP2、OP3、OP4、OP5、OP6、OP7、OP8、OP9、OP10、OP11、OP12的正输入端接地。如图1所示，基本混沌信号产生电路N2包括7个运算放大器和2个乘法器，所述7个运算放大器分别OP13、OP14、OP15、OP16、OP17、OP18、OP19，所述2个乘法器分别为MUL2、MUL3；所述运算放大器OP13的输出端分别通过电阻R25、电阻R27与运算放大器OP13、运算放大器OP14的负输入端连接，运算放大器OP13的负输入端与运算放大器OP16的的输出端连接所述运算放大器OP14的输出端与乘法器MUL2的输入端连接，运算放大器OP14的输出端通过电阻R26与运算放大器OP14的负输入端连接；所述乘法器MUL2的输出端通过电阻与运算放大器OP16的负输入端连接；运算放大器OP15的输出端分别通过电阻R30、电阻R31与运算放大器OP15的负输入端、运算放大器OP16的负输入端连接，运算放大器OP15的负输入端通过电阻R29与运算放大器OP17的正输入端连接；运算放大器OP16的输出端与运算放大器OP17的正输入端连接；运算放大器OP17的输出端与运算放大器OP17的负输入端连接，运算放大器OP17的输出端与乘法器MUL3的两个输入端连接，乘法器MUL3的输出端通过电阻R32与运算放大器OP18的负输入端连接；运算放大器OP18的输出端通过分别通过电阻R33、电阻R34与运算放大器OP18的负输入端、运算放大器OP19的负输入端连接；运算放大器OP19的输出端通过电阻R35与运算放大器OP19的负输入端连接；运算放大器OP19的负输入端通过电阻R36与序列发生器N3连接；所述运算放大器OP13、OP14、OP15、OP16、OP18、OP19的正输入端接地。如图2所示，序列发生器N3包括22个运算放大器；所述22个运算放大器分别为OP20、OP21、OP22、OP23、OP24、OP25、OP26、OP27、OP28、OP29、OP30、OP31、OP32、OP33、OP34、OP35、OP36、OP37、OP38、OP39、OP40、OP41；所述运算放大器OP22的输出端通过电阻R41与运算放大器OP21的负输入端连接；运算放大器OP21的输出端分别通过电阻R38、电阻R40与运算放大器OP21的负输入端、运算放大器OP20的负输入端连接；运算放大器OP20的负输入端通过电阻R39与运算放大器OP20的输出端连接，运算放大器OP20的输出端通过电阻R46与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP24的输出端通过电阻R45与运算放大器OP23的负输入端连接；运算放大器OP23的输出端分别通过电阻R44、电阻R43与运算放大器OP23的负输入端、运算放大器OP20的正输入端连接；所述运算放大器OP27的输出端通过电阻R51与运算放大器OP26的负输入端连接；运算放大器OP26的输出端分别通过电阻R48、电阻R50与运算放大器OP26的负输入端、运算放大器OP25的负输入端连接；运算放大器OP25的负输入端通过电阻R49与运算放大器OP25的输出端连接，运算放大器OP25的输出端通过电阻R56、开关K2与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP29的输出端通过电阻R55与运算放大器OP28的负输入端连接；运算放大器OP28的输出端分别通过电阻R54、电阻R53与运算放大器OP28的负输入端、运算放大器OP25的正输入端连接；所述运算放大器OP34的输出端通过电阻R61与运算放大器OP33的负输入端连接；运算放大器OP33的输出端分别通过电阻R58、电阻R60与运算放大器OP33的负输入端、运算放大器OP32的负输入端连接；运算放大器OP32的负输入端通过电阻R59与运算放大器OP32的输出端连接，运算放大器OP32的输出端通过电阻R66、开关K3与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP36的输出端通过电阻R65与运算放大器OP35的负输入端连接；运算放大器OP35的输出端分别通过电阻R64、电阻R63与运算放大器OP35的负输入端、运算放大器OP32的正输入端连接；所述运算放大器OP39的输出端通过电阻R71与运算放大器OP38的负输入端连接；运算放大器OP38的输出端分别通过电阻R68、电阻R70与运算放大器OP38的负输入端、运算放大器OP37的负输入端连接；运算放大器OP37的负输入端通过电阻R69与运算放大器OP37的输出端连接，运算放大器OP37的输出端通过电阻R76、开关K4与运算放大器OP30的负输入端连接；运算放大器OP41的输出端通过电阻R75与运算放大器OP40的负输入端连接；运算放大器OP40的输出端分别通过电阻R74、电阻R73与运算放大器OP40的负输入端、运算放大器OP37的正输入端连接；所述运算放大器OP30的负输入端通过电阻R75与运算放大器OP30的输出端连接，运算放大器OP30的输出端通过电阻R78与运算放大器OP31的负输入端连接；运算放大器OP31的负输入端通过电阻R79与运算放大器OP31的输出端连接；其中OP21、OP23、OP26、OP28、OP33、OP35、OP38、OP40、OP30、OP31的负输入端接地，OP22、OP24、OP27、OP29、OP34、OP36、OP39、OP41的负输入端与OP7、OP16的输出端连接。按照图1-图2连接电路，根据表1、表2、表3、表4、表5给出的数据，可确定各图中各个元器件的参数。电路产生一种基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号，序列发生器N3的开关状态与翅膀数量的对应关系如表6所示。根据图2，当开关K1位于1时，得序列发生器N3的阶梯波切换控制函数q(y)的数学表达式为q(y)=Σk=1MHk·[sgn(y-Qk)+1]2+Σk=1MHk·[sgn(-y-Qk)+1]2---(1)]]>上式(1)中，M＝4，Q1＝0.5，Q2＝1，Q3＝1.5，Q4＝2，H1＝H2＝H3＝H4＝0.84。当开关K1位于2时，得序列发生器N3的阶梯波切换控制函数q(y)的数学表达式为q(y)=Σk=1NUk·[sgn(y-Gk)+1]2+Σk=1NUk·[sgn(-y-Gk)+1]2---(2)]]>上式(2)中，N＝4，G1＝0.3，G2＝0.45，G3＝0.6，G4＝0.75，U1＝5.15，U2＝6.275，U3＝8.525，U4＝10.775。根据图1，当开关K1位于1时，产生切换控制函数q(y)序列发生器N3的信号输入端与基本混沌信号产生电路N1中积分器OP2的输出端相连，其信号输出端通过电阻与基本混沌信号产生电路N1中的第八运算放大器OP8负输入端。可得基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号的状态方程为下式：dxdτ=-a11x+a12ydydτ=sgn(x)·(a21-z)+a22ydzdτ=a31|y|-a32z-q(y)---(3)]]>上式中，a11＝1.18，a12＝1.18，a21＝5.82，a22＝0.7，a31＝4，a32＝0.168，q(y)如上面(1)式所示。根据图1，当开关K1位于2时，产生切换控制函数q(y)序列发生器N3其信号输入端与基本混沌信号产生电路N2中积分器OP2的输出端相连，其信号输出端通过电阻与基本混沌信号产生电路N2中的第十三运算放大器OP13负输入端。可得基于阶梯波切换控制的多翅膀混沌信号的状态方程为下式：dxdτ=d11x+d12ydydτ=-d21xz+d22ydzdτ=d31y2-d32z-q(y)---(4)]]>上式中，d11＝36，d12＝36，d21＝20，d22＝20，d31＝100，d32＝3，q(y)如上面(2)式所示。本发明电路元件和电源电压的选择：图1～图2中所有的运算放大器，型号为TL082，电源电压为±E＝±15V，实验测得此时各运算放大器输出电压的饱和值为Vsat＝±13.5V。图1～图2中所有的乘法器，型号为AD633，电源电压为±E＝±15V。图2中所有的二极管，型号为1N5393。为了便于电路实验，为了保证电阻值的准确性，图1～图2中所有电阻均采用精密可调电阻或精密可调电位器。本发明元器件参数表如下：表1(单位：kΩ)R110R210R31R413.5R510R610R784.7R884.7R917.2R1010R1110R1210R13142.9R1410R1510R1610R175R1810R1910R2010R2125R22595.2R23100R2410R2510R262.78R272.78R280.5R2910R3010R315R3210R3310R340.1R3533.3R36100表2(单位：V)E1E2E3E4K1位置0.51.01.52.0K1位于1时0.30.450.60.75K1位于2时表3(单位：V)E52E62E72E82表4(单位：kΩ)R46R56R66R76K1位置12.5111111K1位于1时2016.671211K1位于2时表5(单位：kΩ)R3710R381R3910R4010R4113.5R425R4310R441R4513.5R4710R481R4910R5010R5113.5R525R5310R541R5513.5R5710R581R5910R6010R6113.5R625R6310R641R6513.5R6710R681R6910R7010R7113.5R725R7310R741R7513.5R77100R7810R7910表6图2中开关状态与翅膀数量的对应关系K2K3K4翅膀数量断开断开断开4接通断开断开6接通接通断开8接通接通接通10