基于FPGA的混沌信号保密通信平台设计

一、项目的简要介绍

混沌是当今世界的前沿课题，它揭示了自然界和人类社会中普遍存在的复杂性：有序与无序的统一，确定性与概率性的统一，大大开拓了人们的视野，加深了对客观世界的认识。混沌的发现，乃是继二十世纪相对论与量子力学之后的第三次物理学大革命，这场革命正在冲击和改变着几乎所有的科学和技术领域，向我们提出了巨大的挑战。

混沌在最近20年中得到了广泛的应用，几乎涉及到自然科学和社会科学的各个领域。混沌的应用可分为混沌分析与混沌综合。混沌分析对由复杂的人工和自然系统中获得的混沌信号进行分析并寻找混沌现象背后的确定性规则，如混沌时间序列的预测等；混沌综合则利用人工产生的混沌从混沌动力系统获得可能的功能，如人工神经网络的联想记忆功能等。

本项目基于FPGA技术进行混沌信号保密通信平台的设计。重点在于通信平台的硬件电路设计，在软件上采取VHDL硬件描述语言对每一部分的功能进行模块化设计，最后给出通信保密平台的仿真验证结果。

二、项目的内容

1、立项依据：

1.1国内外研究现状

九十年代以来的混沌控制与同步理论技术的突破性长足进展，使得混沌理论应用于通信系统成为可能--混沌同步通信。1990年，美国科学家首先从理论上提出混沌控制的方法，后来简称为OGY法，同年从实验上验证了该法的可行性和有效性。继驱动-响应式同步之后，人们又相继提出了若干种混沌同步的新方法，如祸合同步、误差反馈同步、脉冲同步、键波采样式同步等。这些同步方法在保密通信领域中展现出广阔的应用前景。按照通信理论，通信系统首先应当是一个随机系统，因为对于一个确定性系统来说，它不能获取任何有用的新的信息，即信息嫡等于零，从而通信也就失去了意义。再者，在通信系统中，会受到各种噪声（如高斯白噪声等）的影响，它们也表现为一种随机性。

混沌同步通信的基本原理是：利用混沌控制与同步技术对收发两端的混沌振荡器（如Lorenz电路，以下简称混振）实现同步。发端混振对信息进行调制与扩频。由于混振产生的信号是混沌信号，它对信息进行调制后的调制信号是随机的。利用收端混沌对调制信号进行解调。因为收发混振实现了同步，即它们之间的状态是相对稳定的，这体现出一种确定性。收发混振实现同步后它们之间的相位关系又是相对确定的，这也是一种确定性。因此，整个混沌同步通信系统是一个确定性与随机性共存的统一体。混沌同步通信理论与技术是目前在国内外具有重大应用前景的前沿学科，正在起步与发展之中。混沌同步通信具有许多传统模拟和数字通信所无法比拟的优点，如保密性强，抗多径干扰能力强，具有较理想的自相关特性和互相关特性，并且混沌信号对初始条件具有高度敏感性。利用这些特性可实现基本不受限制的大容量多址通信技术。混沌同步通信是二十一世纪通信技术发展的一个重要方向之一。国际上一些知名学者在这方面发表了许多研究论文。目前国内在混沌同步通信理论研究、仿真分析和实验研究等方面也取得了一些进展。

1.2 需解决的问题及发展趋势

1.2.1 需解决的问题

混沌保密通信还有一些重要问题或值得研究的方向，主要包括如下方面 :

1）、混沌密码算法及其攻击性研究。混沌密码学中加密算法决定着加密技术水平，任何新的混沌加密算法都是混沌保密通信中提高保密性，抵御截获和破解有效手段。反之，新混沌加密算法的抗攻击性研究也是伴随加密算法先进性和保密性研究而行的，也是检验新混沌算法实用性的主要依据。

2）、混沌同步数字通信技术，需要尽可能解决精确时钟和立即同步问题。数字混沌保密通信研究近几年成为热点，主要是由于其现代通信数字化要求的迅速发展，数字通信也能较好解决因通信信道恶劣、干扰等造成了通信质量下降问题。其中之一就是通过计算机或微处理器等产生各类混沌信号用于保密通信。但不同混沌产生平台的时钟精度、数值精度和快速同步问题还有待进一步解决。

3）、多用户通信与多路传播技术问题。保密通信中实现多用户通信和解决

多路传播技术也是现代混沌保密通信中需要解决的问题。虽然有一些文献及研究中取得了一定成果，但在多用户同步和传输多播上还有一些问题需要解决。

4）、利用混沌的无线数字通信问题。

5）、混沌广义同步通信技术的研究与应用。

6）、实际混沌通信应用中提出的其他关键技术。

1.1.2 发展趋势

混沌通信与混沌保密通信技术是一种新兴的保密通信技术（仍处于理论研究阶段）。通信理论表明通信过程主要包括号的发送，传输和接收三个阶段，所有的通信技术都要解决这三个阶段相应的理论与技术问题。保密通信广泛地用于国家安全部门，军事部门，以及其他的专门领域，当然个人通信也要求通信的安全性。在理论上，保密通信可以在这三个阶段中采取相应的技术来实现。我们可以利用混沌学理论在通信技术中实现保密通信，而传统的保密通信技术的安全性是远不及混沌保密通信技术的。正因为混沌保密通信的良好的安全性，吸引了很多专家来研究混沌保密通信，这又推动了动力系统理论的发展。

由于FPGA技术它是一种完全的硬件处理模式，而FPGA所能支持的几种编程语言都是硬件描述语言，只能处理数字信号，并且不能直接处理小数，这在很大程度上限制了利用FPGA来做浮点运算。目前对混沌信号的产生几乎都是建立在模拟电路上或者是在 Matlab的基础上进行的。而产生混沌信号的算法都是进行的浮点运算，所以利用FPGA技术来产生混沌信号并对混沌信号进行处理是一种新的挑战。

混沌作为当今举世瞩目的前沿课题及学术热点，不仅大大拓展了人们的视野并加深了对客观世界的认识，而且由于混沌的奇异特性，还促使人们研究在现实生活中控制和利用混沌的方法。近年来，国际上混沌同步及混沌控制的研究己取得了一些突破性进展，前景十分诱人。我们完全有理由相信，混沌的进步不仅孕育着深刻的科学革命，而且一定会促进社会生产力的大力发展，对人们的生活和生产产生巨大的根本性影响。

2、项目意义：

混沌学研究对现代科学发展产生了巨大的影响。混沌学研究从其早期探索到重大突破，以至到本世纪70年代以后形成世界性研究热潮，其涉及的领域包括数学、物理学、化学、生物学、气象学和经济学等众多学科，其研究的成果渗透和影响着现代科学的几乎整个学科体系。混沌学的研究揭开了现代科学发展的新篇章。混沌研究对于现代科学的影响不仅限于自然科学，而且涉及到经济学、社会学、哲学及诸多人文科学，可以说几乎覆盖了一切学科领域。凡是涉及动力学过程的研究领域，大多都会发现混沌，都需要应用混沌动力学的研究成果。在传统的经典科学领域，若按照混沌观点重新考察，就会发现新现象，提出新问题、建立新原理：而在一些非经典科学领域，运用混沌理论则可以解释以往无法解释的现象，可以处理历来无法处理的数据，甚至形成一批新的学科分支。

混沌对于现代科学更深刻的影响，主要在于在广阔的科学领域里推翻了经典理论的一些基本假设，改变了那些领域的研究方法，将可能孕育成一场科学大革命。混沌学研究还革新了经典的科学观。在混沌发现之前，人们长期以为确定性系统排斥随机性，随机性只是某些复杂系统的属性。然而混沌研究表明：一些完全确定性的系统，不外加任何随机因素，初始条件也是确定的，但系统自身却会内在的产生随机行为，而且即使是非常简单的确定系统同样具有内在随机性。混沌揭示的随机性存在于确定性之中这一科学事实，最有力的说明客观实体可以兼有确定性和随机性；从牛顿到爱因斯坦都认为世界在本质上是有序的，有序等于有规律，无序就是无规律，系统有序和无序是截然对立的。这个观点几个世纪以来一直为人们所赞同，但是混沌和分形的发现和研究表明，混沌既包含有序又包含无序，混沌既不是具有周期性和其他明显对称性的有序态，也不是绝对的无序，而可以认为是必须用奇怪吸引子来刻画的复杂有序，是一种蕴涵在无序中的有序。

随着计算机和各种通信网络的日益普及，保密通信已成为计算机通信、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保密通信技术进入实用阶段，在信息时代，对信息保密的要求越来越高。密钥在保密通信中起到关键的作用。但实际上这种密钥的长度是有限的，经典的密码学己被研究的很多，人们已经研究出许多破解密文恢复明文的方法，研究新一代的通信保密技术势在必行，混沌保密通信由于具有优良的保密性能应运而生。

由于混沌信号具有随机性、对初始条件的敏感性、类似噪声和宽带功率谱密度，使得混沌信号很难被破译，即使窃听者知道是混沌信号，如果不知道电路的类型和精确的参数值（这些信息可作为密钥），也无法破译。此外，利用混沌电路实现混沌保密通信，可用简单的电路完成基本的加密功能的同时还使得信号的频谱得以扩展。由于混沌是介于周期振荡和噪声的一种复杂振荡，它不具有周期性，更适合于保密通信，所以，混沌通信和加密技术能适应未来信息战的需要，是一个在21世纪大有发展前景的极富有挑战性的高科技通信领域。

3、项目的内容及目标：

3.1 项目研究内容

●搜集混沌通讯保密相关资料，如混沌的定义、动力学特性、和奇异吸引子。在此基础上介绍了混沌电路的模块化通用设计方法与硬件实现。

●了解可编程门阵列（FPGA），然后深入学习FPGA硬件本身的结构和特性，以及他们的应用。

●基于FPGA平台的Lorenz混沌吸引子的产生

在FPGA平台上实现混沌保密通信系统的课题中，首要的任务是能够在FPGA芯片中产生符合通信系统要求的混沌信号，即Lorenz混沌吸引子。本文选用的FPGA目标板的主芯片为XILINX公司的Spartan-6系列芯片。

●基于FPGA平台的混沌有线语音保密通信的实现

由于之前的FPGA开发板是“裸板”,只有电源和JTAG下载口，没有外围设备，故此要使产生的混沌吸引子能在示波器上显示出来，还要增加外围D/A、A/D等设备。如何利用语音芯片内部的D/A把混沌吸引子在示波器上显示出来是本文的一个重点，要实现通信，那么通讯接口的代码编写也是本项目的一个技术问题。

本项目最大的特色在于突破以前用模拟电路产生混沌吸引子的传统方法，提出一种实现基于FPGA平台和EDA开发工具来产生混沌吸引子的新方法，并完成了语音保密通信的软硬件设计。

3.2 研究目标

本项目的主要研究目标是构建基于FPGA的混沌信号保密通讯平台，为混沌系统在信息安全中的应用奠定硬件基础和提供实验依据。

4、项目可行性分析：

4.1 研究基础

在混沌系统的硬件电路设计与实现方面做了必要的前期研究工作。采用分立元件，设计并实现了简化统一混沌系统电路。通过调节电路中的可变电阻，观察到了该系统的极限环、叉式分岔、倍周期分岔和混沌，以及由倍周期分岔而进入混沌的道路等动力学现象。电路实现研究表明，简化统一混沌系统具有物理可实现性，丰富的动力学特性和理论分析与实验结果的一致性。在硬件电路的制作过程中，掌握了印刷电路板的画图技巧，了解了实验室制作PCB板的全套技术，积累了焊接和调试硬件电路的经验。

4.2 现有条件

课题组拥有75m2专用研究室1间，中档微机12台，并经专线与Internet连接，备有仿真软件多套。逻辑分析仪（15万）和频谱分析仪（17万）各一台，可以开展相关科学研究的实验室多个：（1）一个嵌入式系统实验室，投资10万，可进行FPGA 的实验与开发研究。（2） 一个通信原理与技术实验室，投资20万，可进行混沌系统方面的实验与性能测试。

4.3 存在问题及解决方法

从混沌保密通讯的研究来看，其根本的问题就是采用什么样的方法将混沌信号应用于保密通讯中。混沌信号的非周期性连续宽带频谱，类似噪声的特性，使它具天然的隐蔽性。另外，混沌系统对初始值具有极其敏感的依赖性，初始状态有微小差别的两个混沌系统经历较短时间后会产生两组完全不同的、互不相关的混沌序列值。经过一定处理后的混沌信号具有非常大的周期和优良的随机性。这使混沌信号具有长期不可预测性和抗截获能力。这些特性都特别适用于保密通信，这为混沌信号保密通讯奠定了理论基础。

在混沌信号保密通讯系统的硬件设计与实现方面，基于分立元器件的混沌保密系统的电路设计与实现已有文献报道，而基于FPGA的混沌保密系统的硬件电路实现是困难的，目前的研究也很少，但随着微电子技术的发展，将混沌保密系统的数值计算程序转换成VHDL硬件描述语言，然后下载到FPGA最小系统模块上，对构建混沌保密系统并开展在保密通信中的应用，则不存在技术障碍。

综上所述，如期完成本项目的研究内容，从理论和技术上来说没有太大的困难，此外，课题组在资金不足的条件下，已取得了一些重要进展。从理论水平、研究能力和工作效率方面，课题组完全有能力承担这一项目，并取得预期的研究成果。