基于VHDL的混沌及超混沌系统的FPGA实现

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混沌信号是一种非周期的、类随机并且有界的信号,其非周期性连续宽带频谱具有类似噪声的特性,使它们具有天然的隐蔽性。此外混沌信号对初始值的高度敏感性,使得混沌信号具有长期不可预测性和抗截获能力,所以它可以作为保密通讯系统中加密信号。   在国内外的许多文献中提出了采用模拟器件设计电路进而产生混沌序列信号的方法。由于模拟器件容易受到环境温度和湿度以及器件老化的影响,采用现在数字信号处理技术实现连续混沌系统可以保证混沌吸引子的稳定可靠。现场可编程逻辑门电路(Field Programmable Gate Array,FPGA)以其丰富的硬件资源和强大的可编程能力能够满足实现混沌系统的要求。   由于现代数字信号处理技术是针对离散化的数字系统的,该文中采用数值分析中的欧拉法(Euler)和经典龙格库塔法(Runge-Kutta)分别对连续三维混沌系统以及连续四维超混沌系统进行离散化处理。离散化的混沌系统和超混沌系统再经过变量比例变换,从而能够便于其在FPGA中的实现。三维混沌系统与四维超混沌系统的FPGA实现均采用基于状态机模式的超高速集成电路硬件描述语言(Very High Speed Integration Circuit HDL,VHDL)设计,而不是由仿真软件直接生成VHDL代码。通过运算获得的数字混沌序列输出到数模转换电路模块转换为模拟信号,最后在示波器上显示混沌相平面吸引子图。   本文的主要创新点总结如下:   (1)提出了一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)的混沌系统的实现。数字混沌系统可以克服模拟器件的参数不一致以及容易受到外界干扰的缺点并能够在一定精度范围内产生两个完全相同的混沌系统。   (2)数字混沌系统的产生是基于有限状态机的VHDL语言而不是由其他DSP软件生成,这种方法可以从根本上解决时序控制问题,更利于混沌同步的实现。   (3)在离散化过程中,采用欧拉法和龙格库塔法两种方法。这两种方法代表两种不同的精度和复杂度。两种离散化方法可以根据硬件资源和精度进行选择。
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