一、項目的簡要介紹

混沌是當(dāng)今世界的前沿課題，它揭示了自然界和人類社會中普遍存在的復(fù)雜性：有序與無序的統(tǒng)一，確定性與概率性的統(tǒng)一，大大開拓了人們的視野，加深了對客觀世界的認識?；煦绲陌l(fā)現(xiàn)，乃是繼二十世紀(jì)相對論與量子力學(xué)之后的第三次物理學(xué)大革命，這場革命正在沖擊和改變著幾乎所有的科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域，向我們提出了巨大的挑戰(zhàn)。

混沌在最近20年中得到了廣泛的應(yīng)用，幾乎涉及到自然科學(xué)和社會科學(xué)的各個領(lǐng)域?；煦绲膽?yīng)用可分為混沌分析與混沌綜合?；煦绶治鰧τ蓮?fù)雜的人工和自然系統(tǒng)中獲得的混沌信號進行分析并尋找混沌現(xiàn)象背后的確定性規(guī)則，如混沌時間序列的預(yù)測等；混沌綜合則利用人工產(chǎn)生的混沌從混沌動力系統(tǒng)獲得可能的功能，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)想記憶功能等。

本項目基于FPGA技術(shù)進行混沌信號保密通信平臺的設(shè)計。重點在于通信平臺的硬件電路設(shè)計，在軟件上采取VHDL硬件描述語言對每一部分的功能進行模塊化設(shè)計，最后給出通信保密平臺的仿真驗證結(jié)果。

二、項目的內(nèi)容

1、立項依據(jù)：

1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

九十年代以來的混沌控制與同步理論技術(shù)的突破性長足進展，使得混沌理論應(yīng)用于通信系統(tǒng)成為可能——混沌同步通信。1990年，美國科學(xué)家首先從理論上提出混沌控制的方法，后來簡稱為OGY法，同年從實驗上驗證了該法的可行性和有效性。繼驅(qū)動—響應(yīng)式同步之后，人們又相繼提出了若干種混沌同步的新方法，如禍合同步、誤差反饋同步、脈沖同步、鍵波采樣式同步等。這些同步方法在保密通信領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。按照通信理論，通信系統(tǒng)首先應(yīng)當(dāng)是一個隨機系統(tǒng)，因為對于一個確定性系統(tǒng)來說，它不能獲取任何有用的新的信息，即信息嫡等于零，從而通信也就失去了意義。再者，在通信系統(tǒng)中，會受到各種噪聲（如高斯白噪聲等）的影響，它們也表現(xiàn)為一種隨機性?；煦缤酵ㄐ诺幕驹硎?利用混沌控制與同步技術(shù)對收發(fā)兩端的混沌振蕩器（如Lorenz電路，以下簡稱混振）實現(xiàn)同步。發(fā)端混振對信息進行調(diào)制與擴頻。由于混振產(chǎn)生的信號是混沌信號，它對信息進行調(diào)制后的調(diào)制信號是隨機的。利用收端混沌對調(diào)制信號進行解調(diào)。因為收發(fā)混振實現(xiàn)了同步，即它們之間的狀態(tài)是相對穩(wěn)定的，這體現(xiàn)出一種確定性。收發(fā)混振實現(xiàn)同步后它們之間的相位關(guān)系又是相對確定的，這也是一種確定性。因此，整個混沌同步通信系統(tǒng)是一個確定性與隨機性共存的統(tǒng)一體?；煦缤酵ㄐ爬碚撆c技術(shù)是目前在國內(nèi)外具有重大應(yīng)用前景的前沿學(xué)科，正在起步與發(fā)展之中。混沌同步通信具有許多傳統(tǒng)模擬和數(shù)字通信所無法比擬的優(yōu)點，如保密性強，抗多徑干擾能力強，具有較理想的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性，并且混沌信號對初始條件具有高度敏感性。利用這些特性可實現(xiàn)基本不受限制的大容量多址通信技術(shù)。混沌同步通信是二十一世紀(jì)通信技術(shù)發(fā)展的一個重要方向之一。國際上一些知名學(xué)者在這方面發(fā)表了許多研究論文。目前國內(nèi)在混沌同步通信理論研究、仿真分析和實驗研究等方面也取得了一些進展。

1.2需解決的問題及發(fā)展趨勢

1.需解決的問題

混沌保密通信還有一些重要問題或值得研究的方向，主要包括如下方面 ：

1）、混沌密碼算法及其攻擊性研究?；煦缑艽a學(xué)中加密算法決定著加密技術(shù)水平，任何新的混沌加密算法都是混沌保密通信中提高保密性，抵御截獲和破解有效手段。反之，新混沌加密算法的抗攻擊性研究也是伴隨加密算法先進性和保密性研究而行的，也是檢驗新混沌算法實用性的主要依據(jù)。

2）、混沌同步數(shù)字通信技術(shù)，需要盡可能解決精確時鐘和立即同步問題。數(shù)字混沌保密通信研究近幾年成為熱點，主要是由于其現(xiàn)代通信數(shù)字化要求的迅速發(fā)展，數(shù)字通信也能較好解決因通信信道惡劣、干擾等造成了通信質(zhì)量下降問題。其中之一就是通過計算機或微處理器等產(chǎn)生各類混沌信號用于保密通信。但不同混沌產(chǎn)生平臺的時鐘精度、數(shù)值精度和快速同步問題還有待進一步解決。

3）、多用戶通信與多路傳播技術(shù)問題。保密通信中實現(xiàn)多用戶通信和解決

多路傳播技術(shù)也是現(xiàn)代混沌保密通信中需要解決的問題。雖然有一些文獻及研究中取得了一定成果，但在多用戶同步和傳輸多播上還有一些問題需要解決 。

4）、利用混沌的無線數(shù)字通信問題。

5）、混沌廣義同步通信技術(shù)的研究與應(yīng)用。

6）、實際混沌通信應(yīng)用中提出的其他關(guān)鍵技術(shù)。

2.發(fā)展趨勢

混沌通信與混沌保密通信技術(shù)是一種新興的保密通信技術(shù)（仍處于理論研究階段）。通信理論表明通信過程主要包括號的發(fā)送，傳輸和接收三個階段，所有的通信技術(shù)都要解決這三個階段相應(yīng)的理論與技術(shù)問題。保密通信廣泛地用于國家安全部門，軍事部門，以及其他的專門領(lǐng)域，當(dāng)然個人通信也要求通信的安全性。在理論上，保密通信可以在這三個階段中采取相應(yīng)的技術(shù)來實現(xiàn)。我們可以利用混沌學(xué)理論在通信技術(shù)中實現(xiàn)保密通信，而傳統(tǒng)的保密通信技術(shù)的安全性是遠不及混沌保密通信技術(shù)的。正因為混沌保密通信的良好的安全性，吸引了很多專家來研究混沌保密通信，這又推動了動力系統(tǒng)理論的發(fā)展。由于FPGA技術(shù)它是一種完全的硬件處理模式，而FPGA所能支持的幾種編程語言都是硬件描述語言，只能處理數(shù)字信號，并且不能直接處理小數(shù)，這在很大程度上限制了利用FPGA來做浮點運算。目前對混沌信號的產(chǎn)生幾乎都是建立在模擬電路上或者是在 Matlab的基礎(chǔ)上進行的。而產(chǎn)生混沌信號的算法都是進行的浮點運算，所以利用FPGA技術(shù)來產(chǎn)生混沌信號并對混沌信號進行處理是一種新的挑戰(zhàn)。

混沌作為當(dāng)今舉世矚目的前沿課題及學(xué)術(shù)熱點，不僅大大拓展了人們的視野并加深了對客觀世界的認識，而且由于混沌的奇異特性，還促使人們研究在現(xiàn)實生活中控制和利用混沌的方法。近年來，國際上混沌同步及混沌控制的研究己取得了一些突破性進展，前景十分誘人。我們完全有理由相信，混沌的進步不僅孕育著深刻的科學(xué)革命，而且一定會促進社會生產(chǎn)力的大力發(fā)展，對人們的生活和生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的根本性影響。

2、項目意義：

混沌學(xué)研究對現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。混沌學(xué)研究從其早期探索到重大突破，以至到本世紀(jì)70年代以后形成世界性研究熱潮，其涉及的領(lǐng)域包括數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)、氣象學(xué)和經(jīng)濟學(xué)等眾多學(xué)科，其研究的成果滲透和影響著現(xiàn)代科學(xué)的幾乎整個學(xué)科體系?；煦鐚W(xué)的研究揭開了現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的新篇章?；煦缪芯繉τ诂F(xiàn)代科學(xué)的影響不僅限于自然科學(xué)，而且涉及到經(jīng)濟學(xué)、社會學(xué)、哲學(xué)及諸多人文科學(xué)，可以說幾乎覆蓋了一切學(xué)科領(lǐng)域。凡是涉及動力學(xué)過程的研究領(lǐng)域，大多都會發(fā)現(xiàn)混沌，都需要應(yīng)用混沌動力學(xué)的研究成果。在傳統(tǒng)的經(jīng)典科學(xué)領(lǐng)域，若按照混沌觀點重新考察，就會發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，提出新問題、建立新原理：而在一些非經(jīng)典科學(xué)領(lǐng)域，運用混沌理論則可以解釋以往無法解釋的現(xiàn)象，可以處理歷來無法處理的數(shù)據(jù)，甚至形成一批新的學(xué)科分支?；煦鐚τ诂F(xiàn)代科學(xué)更深刻的影響，主要在于在廣闊的科學(xué)領(lǐng)域里推翻了經(jīng)典理論的一些基本假設(shè)，改變了那些領(lǐng)域的研究方法，將可能孕育成一場科學(xué)大革命。混沌學(xué)研究還革新了經(jīng)典的科學(xué)觀。在混沌發(fā)現(xiàn)之前，人們長期以為確定性系統(tǒng)排斥隨機性，隨機性只是某些復(fù)雜系統(tǒng)的屬性。然而混沌研究表明:一些完全確定性的系統(tǒng)，不外加任何隨機因素，初始條件也是確定的，但系統(tǒng)自身卻會內(nèi)在的產(chǎn)生隨機行為，而且即使是非常簡單的確定系統(tǒng)同樣具有內(nèi)在隨機性?；煦缃沂镜碾S機性存在于確定性之中這一科學(xué)事實，最有力的說明客觀實體可以兼有確定性和隨機性;從牛頓到愛因斯坦都認為世界在本質(zhì)上是有序的，有序等于有規(guī)律，無序就是無規(guī)律，系統(tǒng)有序和無序是截然對立的。這個觀點幾個世紀(jì)以來一直為人們所贊同，但是混沌和分形的發(fā)現(xiàn)和研究表明，混沌既包含有序又包含無序，混沌既不是具有周期性和其他明顯對稱性的有序態(tài)，也不是絕對的無序，而可以認為是必須用奇怪吸引子來刻畫的復(fù)雜有序，是一種蘊涵在無序中的有序。

隨著計算機和各種通信網(wǎng)絡(luò)的日益普及，保密通信已成為計算機通信、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、微電子等有關(guān)學(xué)科的研究熱點。70年代后期，建立在保密學(xué)基礎(chǔ)上的現(xiàn)代保密通信技術(shù)進入實用階段，在信息時代，對信息保密的要求越來越高。密鑰在保密通信中起到關(guān)鍵的作用。但實際上這種密鑰的長度是有限的，經(jīng)典的密碼學(xué)己被研究的很多，人們已經(jīng)研究出許多破解密文恢復(fù)明文的方法，研究新一代的通信保密技術(shù)勢在必行，混沌保密通信由于具有優(yōu)良的保密性能應(yīng)運而生。

由于混沌信號具有隨機性、對初始條件的敏感性、類似噪聲和寬帶功率譜密度，使得混沌信號很難被破譯，即使竊聽者知道是混沌信號，如果不知道電路的類型和精確的參數(shù)值（這些信息可作為密鑰），也無法破譯。此外，利用混沌電路實現(xiàn)混沌保密通信，可用簡單的電路完成基本的加密功能的同時還使得信號的頻譜得以擴展。由于混沌是介于周期振蕩和噪聲的一種復(fù)雜振蕩，它不具有周期性，更適合于保密通信，所以，混沌通信和加密技術(shù)能適應(yīng)未來信息戰(zhàn)的需要，是一個在21世紀(jì)大有發(fā)展前景的極富有挑戰(zhàn)性的高科技通信領(lǐng)域。

3、項目的內(nèi)容及目標(biāo)：

3.1項目研究內(nèi)容

• 搜集混沌通訊保密相關(guān)資料，如混沌的定義、動力學(xué)特性、和奇異吸引子。在此基礎(chǔ)上介紹了混沌電路的模塊化通用設(shè)計方法與硬件實現(xiàn)。

• 了解可編程門陣列（FPGA），然后深入學(xué)習(xí)FPGA硬件本身的結(jié)構(gòu)和特性，以及他們的應(yīng)用。

• 基于FPGA平臺的Lorenz混沌吸引子的產(chǎn)生

在FPGA平臺上實現(xiàn)混沌保密通信系統(tǒng)的課題中，首要的任務(wù)是能夠在FPGA芯片中產(chǎn)生符合通信系統(tǒng)要求的混沌信號，即Lorenz混沌吸引子。本文選用的FPGA目標(biāo)板的主芯片為XILINX公司的Spartan-6系列芯片。

• 基于FPGA平臺的混沌有線語音保密通信的實現(xiàn)

由于之前的FPGA開發(fā)板是“裸板”，只有電源和JTAG下載口，沒有外圍設(shè)備，故此要使產(chǎn)生的混沌吸引子能在示波器上顯示出來，還要增加外圍D/A、A/D等設(shè)備。如何利用語音芯片內(nèi)部的D/A把混沌吸引子在示波器上顯示出來是本文的一個重點，要實現(xiàn)通信，那么通訊接口的代碼編寫也是本項目的一個技術(shù)問題。

本項目最大的特色在于突破以前用模擬電路產(chǎn)生混沌吸引子的傳統(tǒng)方法，提出一種實現(xiàn)基于FPGA平臺和EDA開發(fā)工具來產(chǎn)生混沌吸引子的新方法，并完成了語音保密通信的軟硬件設(shè)計。

3.2研究目標(biāo)

本項目的主要研究目標(biāo)是構(gòu)建基于FPGA的混沌信號保密通訊平臺，為混沌系統(tǒng)在信息安全中的應(yīng)用奠定硬件基礎(chǔ)和提供實驗依據(jù)。

4、項目可行性分析：

4.1研究基礎(chǔ)

在混沌系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)方面做了必要的前期研究工作。采用分立元件，設(shè)計并實現(xiàn)了簡化統(tǒng)一混沌系統(tǒng)電路。通過調(diào)節(jié)電路中的可變電阻，觀察到了該系統(tǒng)的極限環(huán)、叉式分岔、倍周期分岔和混沌，以及由倍周期分岔而進入混沌的道路等動力學(xué)現(xiàn)象。電路實現(xiàn)研究表明，簡化統(tǒng)一混沌系統(tǒng)具有物理可實現(xiàn)性，豐富的動力學(xué)特性和理論分析與實驗結(jié)果的一致性。在硬件電路的制作過程中，掌握了印刷電路板的畫圖技巧，了解了實驗室制作PCB板的全套技術(shù)，積累了焊接和調(diào)試硬件電路的經(jīng)驗。

4.2現(xiàn)有條件

課題組擁有75m²專用研究室1間，中檔微機12臺，并經(jīng)專線與Internet連接，備有仿真軟件多套。邏輯分析儀（15萬）和頻譜分析儀（17萬）各一臺，可以開展相關(guān)科學(xué)研究的實驗室多個：（1）一個嵌入式系統(tǒng)實驗室，投資10萬，可進行FPGA 的實驗與開發(fā)研究。（2） 一個通信原理與技術(shù)實驗室，投資20萬，可進行混沌系統(tǒng)方面的實驗與性能測試。

4.3存在問題及解決方法

1. 從混沌保密通訊的研究來看，其根本的問題就是采用什么樣的方法將混沌信號應(yīng)用于保密通訊中?；煦缧盘柕姆侵芷谛赃B續(xù)寬帶頻譜，類似噪聲的特性，使它具天然的隱蔽性。另外，混沌系統(tǒng)對初始值具有極其敏感的依賴性，初始狀態(tài)有微小差別的兩個混沌系統(tǒng)經(jīng)歷較短時間后會產(chǎn)生兩組完全不同的、互不相關(guān)的混沌序列值。經(jīng)過一定處理后的混沌信號具有非常大的周期和優(yōu)良的隨機性。這使混沌信號具有長期不可預(yù)測性和抗截獲能力。這些特性都特別適用于保密通信，這為混沌信號保密通訊奠定了理論基礎(chǔ)。

2. 在混沌信號保密通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)方面，基于分立元器件的混沌保密系統(tǒng)的電路設(shè)計與實現(xiàn)已有文獻報道，而基于FPGA的混沌保密系統(tǒng)的硬件電路實現(xiàn)是困難的，目前的研究也很少，但隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，將混沌保密系統(tǒng)的數(shù)值計算程序轉(zhuǎn)換成VHDL硬件描述語言，然后下載到FPGA最小系統(tǒng)模塊上，對構(gòu)建混沌保密系統(tǒng)并開展在保密通信中的應(yīng)用，則不存在技術(shù)障礙。

3. 綜上所述，如期完成本項目的研究內(nèi)容，從理論和技術(shù)上來說沒有太大的困難，此外，課題組在資金不足的條件下，已取得了一些重要進展。從理論水平、研究能力和工作效率方面，課題組完全有能力承擔(dān)這一項目，并取得預(yù)期的研究成果。