基于FPGA的混沌信號(hào)保密通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目的簡(jiǎn)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(huì)中普遍存在的復(fù)雜性：有序與無(wú)序的統(tǒng)一，確定性與概率性的統(tǒng)一，大大開(kāi)拓了人們的視野，加深了對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)?；煦绲陌l(fā)現(xiàn)，乃是繼二十世紀(jì)相對(duì)論與量子力學(xué)之后的第三次物理學(xué)大革命，這場(chǎng)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(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域?；煦绲膽?yīng)用可分為混沌分析與混沌綜合。混沌分析對(duì)由復(fù)雜的人工和自然系統(tǒng)中獲得的混沌信號(hào)進(jìn)行分析并尋找混沌現(xiàn)象背后的確定性規(guī)則，如混沌時(shí)間序列的預(yù)測(cè)等；混沌綜合則利用人工產(chǎn)生的混沌從混沌動(dòng)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(xiàng)目基于FPGA技術(shù)進(jìn)行混沌信號(hào)保密通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)。重點(diǎn)在于通信平臺(tái)的硬件電路設(shè)計(jì)，在軟件上采取VHDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)每一部分的功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，最后給出通信保密平臺(tái)的仿真驗(yàn)證結(jié)果。

二、項(xiàng)目的內(nèi)容

1、立項(xiàng)依據(jù)：

1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

九十年代以來(lái)的混沌控制與同步理論技術(shù)的突破性長(zhǎng)足進(jìn)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(guó)科學(xué)家首先從理論上提出混沌控制的方法，后來(lái)簡(jiǎn)稱為OGY法，同年從實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了該法的可行性和有效性。繼驅(qū)動(dòng)—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(gè)隨機(jī)系統(tǒng)，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)確定性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(huì)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(jī)性?；煦缤酵ㄐ诺幕驹硎?利用混沌控制與同步技術(shù)對(duì)收發(fā)兩端的混沌振蕩器（如Lorenz電路，以下簡(jiǎn)稱混振）實(shí)現(xiàn)同步。發(fā)端混振對(duì)信息進(jìn)行調(diào)制與擴(kuò)頻。由于混振產(chǎn)生的信號(hào)是混沌信號(hào)，它對(duì)信息進(jìn)行調(diào)制后的調(diào)制信號(hào)是隨機(jī)的。利用收端混沌對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。因?yàn)槭瞻l(fā)混振實(shí)現(xiàn)了同步，即它們之間的狀態(tài)是相對(duì)穩(wěn)定的，這體現(xiàn)出一種確定性。收發(fā)混振實(shí)現(xiàn)同步后它們之間的相位關(guān)系又是相對(duì)確定的，這也是一種確定性。因此，整個(gè)混沌同步通信系統(tǒng)是一個(gè)確定性與隨機(jī)性共存的統(tǒng)一體。混沌同步通信理論與技術(shù)是目前在國(guó)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?；煦缤酵ㄐ啪哂性S多傳統(tǒng)模擬和數(shù)字通信所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如保密性強(qiáng)，抗多徑干擾能力強(qiáng)，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(hào)對(duì)初始條件具有高度敏感性。利用這些特性可實(shí)現(xiàn)基本不受限制的大容量多址通信技術(shù)?；煦缤酵ㄐ攀嵌皇兰o(jì)通信技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向之一。國(guó)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(guó)內(nèi)在混沌同步通信理論研究、仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究等方面也取得了一些進(jìn)展。

1.2需解決的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)

1.需解決的問(wèn)題

混沌保密通信還有一些重要問(wèn)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。混沌密碼學(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(jìn)性和保密性研究而行的，也是檢驗(yàn)新混沌算法實(shí)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(shí)鐘和立即同步問(wèn)題。數(shù)字混沌保密通信研究近幾年成為熱點(diǎn)，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(wèn)題。其中之一就是通過(guò)計(jì)算機(jī)或微處理器等產(chǎn)生各類混沌信號(hào)用于保密通信。但不同混沌產(chǎn)生平臺(tái)的時(shí)鐘精度、數(shù)值精度和快速同步問(wèn)題還有待進(jìn)一步解決。

3）、多用戶通信與多路傳播技術(shù)問(wèn)題。保密通信中實(shí)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(wèn)題。雖然有一些文獻(xiàn)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(wèn)題需要解決 。

4）、利用混沌的無(wú)線數(shù)字通信問(wèn)題。

5）、混沌廣義同步通信技術(shù)的研究與應(yīng)用。

6）、實(shí)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(shì)

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(guò)程主要包括號(hào)的發(fā)送，傳輸和接收三個(gè)階段，所有的通信技術(shù)都要解決這三個(gè)階段相應(yīng)的理論與技術(shù)問(wèn)題。保密通信廣泛地用于國(guó)家安全部門(mén)，軍事部門(mén)，以及其他的專門(mén)領(lǐng)域，當(dāng)然個(gè)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(gè)階段中采取相應(yīng)的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。我們可以利用混沌學(xué)理論在通信技術(shù)中實(shí)現(xiàn)保密通信，而傳統(tǒng)的保密通信技術(shù)的安全性是遠(yuǎn)不及混沌保密通信技術(shù)的。正因?yàn)榛煦绫Ｃ芡ㄐ诺牧己玫陌踩?，吸引了很多專家?lái)研究混沌保密通信，這又推動(dòng)了動(dòng)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(yǔ)言都是硬件描述語(yǔ)言，只能處理數(shù)字信號(hào)，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(lái)做浮點(diǎn)運(yùn)算。目前對(duì)混沌信號(hào)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(jìn)行的。而產(chǎn)生混沌信號(hào)的算法都是進(jìn)行的浮點(diǎn)運(yùn)算，所以利用FPGA技術(shù)來(lái)產(chǎn)生混沌信號(hào)并對(duì)混沌信號(hào)進(jìn)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(diǎn)，不僅大大拓展了人們的視野并加深了對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，而且由于混沌的奇異特性，還促使人們研究在現(xiàn)實(shí)生活中控制和利用混沌的方法。近年來(lái)，國(guó)際上混沌同步及混沌控制的研究己取得了一些突破性進(jìn)展，前景十分誘人。我們完全有理由相信，混沌的進(jìn)步不僅孕育著深刻的科學(xué)革命，而且一定會(huì)促進(jìn)社會(huì)生產(chǎn)力的大力發(fā)展，對(duì)人們的生活和生產(chǎn)產(chǎn)生巨大的根本性影響。

2、項(xiàng)目意義：

混沌學(xué)研究對(duì)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(jì)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(gè)學(xué)科體系。混沌學(xué)的研究揭開(kāi)了現(xiàn)代科學(xué)發(fā)展的新篇章?；煦缪芯繉?duì)于現(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(jì)學(xué)、社會(huì)學(xué)、哲學(xué)及諸多人文科學(xué)，可以說(shuō)幾乎覆蓋了一切學(xué)科領(lǐng)域。凡是涉及動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究領(lǐng)域，大多都會(huì)發(fā)現(xiàn)混沌，都需要應(yīng)用混沌動(dòng)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(diǎn)重新考察，就會(huì)發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，提出新問(wèn)題、建立新原理：而在一些非經(jīng)典科學(xué)領(lǐng)域，運(yùn)用混沌理論則可以解釋以往無(wú)法解釋的現(xiàn)象，可以處理歷來(lái)無(wú)法處理的數(shù)據(jù)，甚至形成一批新的學(xué)科分支?；煦鐚?duì)于現(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(chǎng)科學(xué)大革命?；煦鐚W(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(zhǎng)期以為確定性系統(tǒng)排斥隨機(jī)性，隨機(jī)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(jī)因素，初始條件也是確定的，但系統(tǒng)自身卻會(huì)內(nèi)在的產(chǎn)生隨機(jī)行為，而且即使是非常簡(jiǎn)單的確定系統(tǒng)同樣具有內(nèi)在隨機(jī)性?；煦缃沂镜碾S機(jī)性存在于確定性之中這一科學(xué)事實(shí)，最有力的說(shuō)明客觀實(shí)體可以兼有確定性和隨機(jī)性;從牛頓到愛(ài)因斯坦都認(rèn)為世界在本質(zhì)上是有序的，有序等于有規(guī)律，無(wú)序就是無(wú)規(guī)律，系統(tǒng)有序和無(wú)序是截然對(duì)立的。這個(gè)觀點(diǎn)幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)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(wú)序，混沌既不是具有周期性和其他明顯對(duì)稱性的有序態(tài)，也不是絕對(duì)的無(wú)序，而可以認(rèn)為是必須用奇怪吸引子來(lái)刻畫(huà)的復(fù)雜有序，是一種蘊(yùn)涵在無(wú)序中的有序。

隨著計(jì)算機(jī)和各種通信網(wǎng)絡(luò)的日益普及，保密通信已成為計(jì)算機(jī)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(diǎn)。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(jìn)入實(shí)用階段，在信息時(shí)代，對(duì)信息保密的要求越來(lái)越高。密鑰在保密通信中起到關(guān)鍵的作用。但實(shí)際上這種密鑰的長(zhǎng)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(shì)在必行，混沌保密通信由于具有優(yōu)良的保密性能應(yīng)運(yùn)而生。

由于混沌信號(hào)具有隨機(jī)性、對(duì)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(hào)很難被破譯，即使竊聽(tīng)者知道是混沌信號(hào)，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(wú)法破譯。此外，利用混沌電路實(shí)現(xiàn)混沌保密通信，可用簡(jiǎn)單的電路完成基本的加密功能的同時(shí)還使得信號(hào)的頻譜得以擴(kuò)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(lái)信息戰(zhàn)的需要，是一個(gè)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(xiàng)目的內(nèi)容及目標(biāo)：

3.1項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

• 搜集混沌通訊保密相關(guān)資料，如混沌的定義、動(dòng)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(jì)方法與硬件實(shí)現(xiàn)。

• 了解可編程門(mén)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(tái)的Lorenz混沌吸引子的產(chǎn)生

在FPGA平臺(tái)上實(shí)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(hào)，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(tái)的混沌有線語(yǔ)音保密通信的實(shí)現(xiàn)

由于之前的FPGA開(kāi)發(fā)板是“裸板”，只有電源和JTAG下載口，沒(méi)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(lái)，還要增加外圍D/A、A/D等設(shè)備。如何利用語(yǔ)音芯片內(nèi)部的D/A把混沌吸引子在示波器上顯示出來(lái)是本文的一個(gè)重點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)通信，那么通訊接口的代碼編寫(xiě)也是本項(xiàng)目的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。

本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)基于FPGA平臺(tái)和EDA開(kāi)發(fā)工具來(lái)產(chǎn)生混沌吸引子的新方法，并完成了語(yǔ)音保密通信的軟硬件設(shè)計(jì)。

3.2研究目標(biāo)

本項(xiàng)目的主要研究目標(biāo)是構(gòu)建基于FPGA的混沌信號(hào)保密通訊平臺(tái)，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(shí)驗(yàn)依據(jù)。

4、項(xiàng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)方面做了必要的前期研究工作。采用分立元件，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化統(tǒng)一混沌系統(tǒng)電路。通過(guò)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(jìn)入混沌的道路等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。電路實(shí)現(xiàn)研究表明，簡(jiǎn)化統(tǒng)一混沌系統(tǒng)具有物理可實(shí)現(xiàn)性，豐富的動(dòng)力學(xué)特性和理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性。在硬件電路的制作過(guò)程中，掌握了印刷電路板的畫(huà)圖技巧，了解了實(shí)驗(yàn)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(yàn)。

4.2現(xiàn)有條件

課題組擁有75m²專用研究室1間，中檔微機(jī)12臺(tái)，并經(jīng)專線與Internet連接，備有仿真軟件多套。邏輯分析儀（15萬(wàn)）和頻譜分析儀（17萬(wàn)）各一臺(tái)，可以開(kāi)展相關(guān)科學(xué)研究的實(shí)驗(yàn)室多個(gè)：（1）一個(gè)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，投資10萬(wàn)，可進(jìn)行FPGA 的實(shí)驗(yàn)與開(kāi)發(fā)研究。（2） 一個(gè)通信原理與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，投資20萬(wàn)，可進(jìn)行混沌系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)與性能測(cè)試。

4.3存在問(wèn)題及解決方法

1. 從混沌保密通訊的研究來(lái)看，其根本的問(wèn)題就是采用什么樣的方法將混沌信號(hào)應(yīng)用于保密通訊中?；煦缧盘?hào)的非周期性連續(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(duì)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(gè)混沌系統(tǒng)經(jīng)歷較短時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生兩組完全不同的、互不相關(guān)的混沌序列值。經(jīng)過(guò)一定處理后的混沌信號(hào)具有非常大的周期和優(yōu)良的隨機(jī)性。這使混沌信號(hào)具有長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)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(hào)保密通訊奠定了理論基礎(chǔ)。

2. 在混沌信號(hào)保密通訊系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)與實(shí)現(xiàn)已有文獻(xiàn)報(bào)道，而基于FPGA的混沌保密系統(tǒng)的硬件電路實(shí)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(jì)算程序轉(zhuǎn)換成VHDL硬件描述語(yǔ)言，然后下載到FPGA最小系統(tǒng)模塊上，對(duì)構(gòu)建混沌保密系統(tǒng)并開(kāi)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(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容，從理論和技術(shù)上來(lái)說(shuō)沒(méi)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(jìn)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(xiàng)目，并取得預(yù)期的研究成果。