新型多涡卷混沌系统的电路实现及其同步研究

论文摘要

混沌作为非线性动力学系统中特有的一种运动形式,广泛存在于自然界和人类社会中。因具有非线性、内在随机性以及对初始值极其敏感等特性,混沌在保密通信和图像加密等领域有着潜在的应用。而混沌信号被证明能够由非线性电路产生,使得混沌具有实际的物理应用价值。与一般的混沌信号相比,多涡卷混沌系统生成的混沌信号在相空间中能够表现出更加复杂的动力学特性,使得多涡卷混沌系统具有更好的应用潜力。因此,关于多涡卷混沌系统的研究及其电路实现得到了大量研究者的关注。而本文中新型多涡卷混沌系统指的是能够生成更复杂拓扑结构的多涡卷混沌吸引子或具有更多其他复杂动力学特性的多涡卷混沌系统。本文在新型多涡卷混沌系统的探索与动力学分析、电路实现和同步研究（混沌同步是实现保密通信等应用的前提）方面作了一些工作,具体的内容和创新之处可归纳如下:（1）提出并设计了一种基于互补金属氧化物半导体（Complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS）工艺的第二代电流控制传输器（Second generation current-controlled conveyor,CCCII）电路,该电路具有宽动态范围、宽可调范围等优点。本文首次提出由线性电压-电流转换器、可调谐电流镜和低压共源共栅电流镜三种功能部件结合实现CMOS CCCII的创新性方案。基于这种方案设计的CMOS CCCII具有其内稟电阻与两个偏置电流的比值成比例关系,以及调节内稟电阻不影响其动态输入范围等优良特性。针对提出的CMOS CCCII进行了前后仿分析,并设计了相应的版图。此外,与相关电路的比较证明了提出的CMOS CCCII电路具有较优的性能。（2）提出了一个多吸引子周期多涡卷混沌系统,并且基于设计的CMOS CCCII构建了新提出混沌系统的相应电路。提出的混沌系统能够生成单吸引子周期、双吸引子周期、三吸引子周期甚至多吸引子周期多涡卷。由于设计的CCCII的内稟电阻可通过外部偏置电压或电流调节,基于其实现的混沌集成电路具有可调特性。值得注意的是,多吸引子周期多涡卷混沌集成电路采用电流信号而非电压信号作为状态变量,并且,它不包含任何无源电阻。本文针对所提出的混沌系统进行了数值仿真,并采用CMOS CCCII作为基本器件对混沌系统进行了集成电路实现。通过电路仿真与硬件实验验证了实现复杂多涡卷混沌集成电路的可行性。此外,将本文的混沌电路实现方案与已有的几种混沌电路进行了比较。（3）提出了一个新的多涡卷混沌系统,该系统不仅具有无限平衡点,而且能够生成多涡卷超混沌吸引子,具有复杂的动力学特性。通过系统关于参数a的Lyapunov指数谱分析,发现系统能够在不同的参数下表现出点吸引子、极限环、准周期吸引子、混沌吸引子和超混沌吸引子行为。其中一种混沌吸引子表现出特殊的拓扑结构,并具有大于3的Kaplan-Yorke分数维。此外,系统还具有多稳定性、Hopf分岔、边界危机以及依赖于初始值w（0）的持续超混沌态等其他丰富的动力学特性。硬件实验验证了提出的超混沌系统能够生成可控涡卷数量的混沌吸引子。通过对其吸引盆的分析,给出了具有特殊拓扑结构的混沌吸引子难以通过硬件实验进行复现的原因。最后,将提出的系统与相关文献中的多涡卷混沌系统进行了比较。（4）提出了基于多吸引子周期多涡卷混沌系统和具有无限平衡点的多涡卷超混沌系统的两种同步方法,并将其中一种同步方法应用于混沌保密通信中。分别设计了两种混沌同步系统对应的同步控制器,以实现其同结构同步:为多吸引子周期多涡卷混沌系统设计了一个耦合完全同步控制器,理论计算证明和同步仿真举例验证都表明了所设计控制器的有效性;为具有无限平衡点的多涡卷超混沌系统设计了一个自适应反相同步控制器并对其进行了理论证明,同步仿真举例验证了系统在该控制器的作用下能够实现反相同步（属于广义同步）,并且能够辨识系统的未知参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 混沌概述
•     1.2.1 混沌的起源和发展
•     1.2.2 混沌研究的意义
•   1.3 论文相关内容的研究进展
•     1.3.1 多涡卷混沌系统的研究进展
•     1.3.2 多涡卷混沌系统的电路实现研究进展
•     1.3.3 第二代电流控制传输器CCCII的研究进展
•     1.3.4 多涡卷混沌系统的同步研究进展
•   1.4 论文的主要研究内容及组织结构
• 第2章 相关理论基础
•   2.1 引言
•   2.2 混沌理论基础
•     2.2.1 混沌的定义
•     2.2.2 混沌的几个主要特征
•     2.2.3 混沌动力学分析方法
•   2.3 几种电子元器件和一个基于CCII的多涡卷混沌电路
•     2.3.1 搭建混沌电路的几种典型元器件
•     2.3.2 第二代电流控制传输器CCCII
•     2.3.3 一种基于电流传输器（CCII+）的多涡卷混沌电路
•   2.4 典型混沌吸引子
•     2.4.1 几类三维典型混沌吸引子
•     2.4.2 多涡卷混沌吸引子
•     2.4.3 超混沌吸引子
•   2.5 混沌同步简介
•     2.5.1 完全同步与反相同步定义
•     2.5.2 几类混沌同步方法
•   2.6 小结
• 第3章 具有宽可调内稟电阻的高性能CMOS CCCII
•   3.1 引言
•   3.2 低电压高线性度内稟电阻宽可调CCCII
•     3.2.1 新的CMOS CCCII电路的实现方案
•     3.2.2 设计的CMOS CCCII的完整电路结构
•   3.3 性能仿真及相关电路比较
•     3.3.1 仿真结果与分析
•     3.3.2 相关电路比较
•   3.4 小结
• 第4章 基于CMOS CCCII的多吸引子周期多涡卷混沌集成电路
•   4.1 引言
•   4.2 多吸引子周期多涡卷混沌系统
•     4.2.1 系统的状态方程和在Matlab中的数值仿真
•     4.2.2 动力学行为分析
•   4.3 基于CMOS CCCII的多吸引子周期多涡卷电流模式混沌电路的设计
•     4.3.1 混沌系统的模块电路结构
•     4.3.2 基于CMOS CCCII的电流模式饱和函数电路
•   4.4 电路仿真和硬件测试结果
•     4.4.1 基于CMOS CCCII的多吸引子周期多涡卷混沌集成电路的仿真
•     4.4.2 芯片测试及本章混沌电路与相关混沌电路的比较
•   4.5 小结
• 第5章 具有无限平衡点的多涡卷超混沌系统及其电路实现
•   5.1 引言
•   5.2 混沌系统及其动力学行为仿真与分析
•     5.2.1 多涡卷吸引子的可视化
•     5.2.2 超混沌吸引子
•     5.2.3 平衡点计算和稳定性分析
•     5.2.4 对称性和耗散性
•     5.2.5 关于参数a的 Lyapunov指数谱分析
•   5.3 其他动力学特性展示
•     5.3.1 多稳定性
•     5.3.2 通向混沌的路线
•     5.3.3 持续超混沌状态
•   5.4 硬件电路实验和相关文献比较
•     5.4.1 硬件电路设计与实验结果
•     5.4.2 相关文献比较
•   5.5 小结
• 第6章 新型多涡卷混沌系统的同步研究
•   6.1 引言
•   6.2 基于多吸引子周期多涡卷混沌系统的耦合完全同步及其反馈型保密通信方案
•     6.2.1 耦合完全同步控制器设计
•     6.2.2 耦合完全同步举例验证
•     6.2.3 基于耦合完全同步的反馈型保密通信系统方案及举例验证
•   6.3 具有无限平衡点的多涡卷超混沌系统的自适应反相同步
•     6.3.1 自适应反相同步控制器设计
•     6.3.2 自适应反相同步举例验证
•   6.4 相关文献比较
•   6.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 附录 B 攻读博士学位期间参与的科研活动
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张鑫

导师: 王春华

关键词: 宽可调,混沌电路,多吸引子周期,多涡卷超混沌,混沌同步

来源: 湖南大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 湖南大学

分类号: O415.5

DOI: 10.27135/d.cnki.ghudu.2019.004209

总页数: 135

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