光混沌保密通信系统仿真分析全皓摘要：本文介绍了混沌通信系统的相关理论知识，以及混沌同步系统的实现方法，并对驱动-响应式键波混沌同步系统进行了仿真。

关键词:混沌通信混沌同步保密通信Optical chaotic secure communication system simulationQuanHaoAbstract:This article describes the implementation of the relevant theoretical knowledge of the chaotic communication system, and synchronizing chaotic systems,and drive-in response to key wave chaos synchronization system simulation.Key words:Chaotic communication Chaos Synchronization Secure Communication1 混沌保密通信介绍 (2)1.1 混沌保密通信的基本思想 (2)1.2 混沌保密通信发展及近况 (3)1.3 混沌保密通信研究的意义 (5)2激光混沌保密通信系统 (6)2.1通信系统的定义 (6)2.2混沌同步保密通信 (6)2.2.1同步的定义 (6)2.2.2 混沌同步的实现方法 (7)驱动-响应同步法 (7)主动-被动同步法 (9)自适应同步法 (10)变量反馈微扰同步法 (11)2.2.3基于混沌系统收发端保持同步的通信技术 (12)3驱动-响应式键波混沌同步系统仿真 (15)4光混沌保密通信的前景 (17)致谢 (18)参考文献: (18)1 混沌保密通信介绍1.1 混沌保密通信的基本思想采用混沌同步电路产生遮掩有用信息的加密信号。

在接收端再产生同步混沌信号以恢复有用信息。

与传统的通信系统一样，基于混沌的保密通信系统能否有效地、可靠地工作，很大程度上依赖于有无良好的同步系统。

要实现保密通信，必须解决三个方面的问题：制造出鲁棒性强的同步信号；信号的调制和解调；信号的可靠传输。

绘制同步混沌保密通信系统的基本模型如下图1所示：明文M加密变换C混沌电路混沌信号V发送混沌同步控制信号U接受解密变换明文混沌同步电路V΄混沌电路混沌同步控制信号U图1同步混沌保密通信系统的基本模型在发送端，驱动混沌电路产生两个混沌信号U和V，V用于加密明文信息M，得到密文C，混沌同步控制信号U可视作一个密钥，它和密文C一起被传送出去；在接收端，同步混沌电路利用接收到的驱动信号U，产生出混沌信号'V，再用'V信号去解密解收到的密文C，从而恢复消息M。

这种同步混沌保密通信系统有两个优点：第一，由于C与U都是混沌的，所以具有非常好的保密性，不需要特殊的保密信道；第二，U不是唯一的密钥，即使对方截获U，也无法从信号U逆推同步混沌电路的网络结构和元件参数，无法构造出同步混沌信号V，当然也无法解密，所以混沌通信的保密性非常强。

1.2 混沌保密通信发展及近况混沌被认为是继相对论和量子力学后，20世纪物理学的第三次重大革命，与前两次革命相似，混沌也一样冲破了牛顿力学的教规。

第一次国际混沌会议主持人之一的物理学家J.Ford指出：相对论消除了关于绝对空间与时间的幻想，量子力学消除了关于可控测量过程的牛顿式的梦，而混沌则消除了拉普拉斯关于决定论可预测性的幻想[]1。

随着通信容量的增大,通信安全非常重要,但还未很好解决。

目前,激光混沌保密通信技术倍受关注。

很多研究结果表明,激光器具有复杂的非线性动力学行为,并已经实现了混沌波产生和混沌同步控制,为混沌理论用于激光保密通信奠定了基础。

混沌保密通信做为通信研究中的一个新领域，是伴随着混沌动力学系统在数学、物理和电子工程中的研究而产生。

混沌保密通信的研究起步于20世纪90年代，混沌同步现象的发现使得混沌在保密通信领域中的应用研究迅速展开。

混沌信号具有的很多性质满足了一些通信系统对通信信号的特殊要求，因此混沌在扩频通信、多用户通信和保密通信中具有潜在的应用前景[]6。

近年来，随着混沌通信理论研究的不断展开，经典通信理论中的研究方法、评估手段、系统设计等不断被混沌特性理论的研究人员所采用，混沌通信理论的研究在原有的基于混沌动力学的基础上，正在逐步地融入经典通信理论的研究框架，结合信号处理、统计信号分析等手段，不断向实用化、工程化的方向发展。

在电路系统的工程实践和理论研究中，研究人员也注意到了在电路系统中出现的混沌现象。

电子工程领域中的混沌理论研究自20世纪80年代初起，在近20年间得到迅速发展，经历了三个重要的突破性进展[]2。

第一个进展是在20世纪80年代初L.O.Chua(蔡少棠)发现简单的电路系统也可以产生复杂的现象。

他设计了一系列用于产生混沌现象的简单电路。

这些电路后来称为Chua电路。

Chua的工作证明了简单的电路系统也可以产生非周期的复杂现象。

由于电路系统的可实现性、可分析性和可预见性，使得混沌在电路系统中的研究迅速展开，产生和控制混沌现象的方法不断被提出。

Chua所做的一系列工作为混沌研究在电子工程领域的逐步展开奠定了基础。

1987年Chua主编了IEEE关于混沌系统的专集，该专集对科学界产生了重大影响，它标志着复杂性科学和混沌已经数学的抽象理论进入到电子工程领域的前沿研究中。

第二个重要进展是20世纪90年代初Peroca和Carroll通过实验证明了互相耦合的混沌系统，在一定条件下会出现同步现象，即混沌同步。

混沌同步的发现引发了研究人员开始将混沌信号作为一种用来传递信息的载波，并在20世纪90年代激起了混沌通信的研究热潮。

由于混沌信号的表面随机性和不可预测性，使其在保密通信领域得到了进一步的研究与应用。

混沌信号的频谱上的宽带特性，也使其具有抗频率选择性衰落和窄带干扰的能力。

第三个重要进展是在工程应用研究中，人们逐渐发现混沌系统同时兼有确定性和随机性的特点，因此可以同时通过描述确定性的动力学方法和描述随机性的概率统计学方法对混沌系统进行刻画。

这为从工程角度分析和设计非线性系统提供了一系列定量的模型和工具。

一些曾经被认为是随机运动的系统，有可能通过混沌理论找到新的分析方法和手段。

而一些被认为是复杂、难以分析的非线性混沌系统，则有望基于其具有某些统计特征，利用概率统计工具进行研究，从而给出一些有益的结果。

从观察混沌现象的不同角度来看，混沌在通信中的应用潜力，目前可以大致分为三个领域[]6：（a）宽带特性：由于混沌信号具有内在的非周期性，因此其谱分量在频带上连续分布，并且通过设计不同的混沌电路还可以制出具有一定谱特性的混沌信号。

在通信中，宽带信号常用来抵抗信道的不良影响，特别是一些窄带的影响，如频率选择性衰落、窄带干扰等。

因而混沌信号有可能作为一种易于产生的宽带信号，应用在扩频通信中[]7。

（b）复杂性：混沌信号具有非常复杂的内部结构，对初始条件和参数的敏感性，使混沌系统能怪很容易产生出完全不同的混沌轨道。

这使得估计混沌系统的结构或长期预测混沌信号变得非常困难。

混沌信号的这种高度复杂性和难预测的特点，使其可以应用于保密通信中[]8。

（c）正交性：混沌信号是非周期的，所以不同的混沌系统或相同混沌系统采用不同的初始值或系统参数所产生的混沌信号间都具有迅速消失的互相关函数。

这些信号可以看作是不相关的，满足一定意义上的正交性。

满足这种正交特性的混沌信号易于产生，并且数目巨大，因此在多用户通信中具有广泛的应用前景。

1.3 混沌保密通信研究的意义随着计算机和各种通信网络的日益普及，保密通信已经成为计算机通信、网络、应用数学、微电子等有关学科的研究热点。

70年代后期，建立在保密学基础上的现代化保密通信技术进入实用阶段，其标志是DES(The Data Encryption Standard)标准的制定和广泛应用[]3。

1987年Fujisaka和Yamata对混沌同步的研究和1990年Pecora和Carroll对混沌同步的实验研究引起了人们的广泛重视]54[，，这一突破性的进展,使混沌理论应用于通信领域成为可能,开始了混沌同步在保密通信中应用的新阶段。

这是一种动态方法，由于其处理速度和密钥长度无关，因此这种方法的计算效率很高。

用这种方法加密的信息是将信息信号调制到近乎完全随机的混沌信号中，只有在接收机被调制到与发射机指定电路参数相同或很小一个范围内时，两者相互同步，信息才能被还原出来，与其现有的加密方法相比，混沌保密通信具有很高的保密度。

尤其是它可用于实时信号处理，同时也适用于静态加密的场合。

尽管目前这项新技术的研究尚处于实验室阶段，由于它的实时性强、保密性高、运算速度快等明显优势，已显示出其在保密通信领域中的强大生命力和应用前景，是一个具有极高研究价值的方向，成为当前该通信领域的前沿研究热点之一。

2激光混沌保密通信系统2.1通信系统的定义通信即是消息由一地向另一地的传递。

通信系统就是完成通信过程的全部设备和传输媒质。

人们常说我们正生活在一个信息时代，通信技术对信息的产生，存储与转换有着至关重要的作用。

任何通信系统都是通过信道将信息从信源传送到目的地，来自信源的信息一般是不能通过信息直接传输的，因此在一端要用到被称为发射机的装置，另一端要用到被称为接收机的装置，这一切，就构成了一个通信系统的模型。

图2所示为一个通信系统模型。

图2 通信系统模型2.2混沌同步保密通信混沌同步是控制混沌的主要方法之一，它的主要思想是利用一个混沌系统的混沌信号来驱动和控制另一个混沌信号，即使两个系统状态初始值相差很大，但最终两个系统状态能够完全趋于一致，即两个系统状态误差趋于零。

2.2.1同步的定义考虑两个系统，一个为驱动系统，其动力学行为可表示为),(/X t F dt X d = （2-1）其中：T n t x t x t x X )}(),...,(),({21= ，T n x t f x t f F )},(),...,,({1= 。

设以1x 为驱动变量时，则响应系统为),(/X t F dt X d '=' （2-2）（其中带撇号的为响应系统变量）T n T n X t f X t f F t x t x t x X )},(),...,,({,)}(),...,(),({121''='''=' 。

这里的t 为时间，矢量X ，n IR X ∈'。

令),;();(000,0'X t t X X t t X 和分别为式（2-1）及式（2-2）的解，并满足Lipschiz 条件，当存在一个n R 的子集)(0t D 时，使得初值)(,0t D X X ∈'。