一、 实验目的
1. 了解保密通信的重要性；
2. 掌握掩盖法实现信号保密的基本原理；
3. 掌握高阶超混沌信号产生原理；
4. 掌握DSP或FPGA上具体实现方法。
二、 实验原理
掩盖法实现信号保密原理就是将传输信号与伪随机信号相迭加，受到放将接受到的加密信号去除伪随机信号可恢复出原始信号，在通信过程需要保持信号同步，而伪随机信号采用高阶超混沌发生器产生并经过非线性转化获得。
超混沌数学模型采用4阶Matsumoto-Chua-kobayashi模型：
1010xx210.70 x30004001.5x0x11x002g(x1,x3) 0x3100x40
其中g为分段线性函数
0.23(x1x31)x1x31g(x1,x3)0.2(x1x3) 1x1x31
0.23(xx1)xx11313
有四个输出变量可供选择。
非线性变换采用函数如下：
en(t)g(z1,z2)k1z1k2z2
其中k1、k2取整数，为非线性变换参数也是本加密方法的密钥，z1、z2为超混沌电路的任意两个输出变量。经过非线性变换后的en(t)作为混沌掩盖载波，不同于任何一个超混沌电路的输出信号xi,i1,2,3,4，而是它们的非线性变换，两个非线性信号经过非线性变换后，产生了新的频率成分，显然信号复杂度更高了。
三、 实验步骤
1.构造有限长度的信号序列（如语音信号），或由图像转化所整数型信号序列；
2.通过4阶Matsumoto-Chua-kobayashi模型产生超混沌序列；
3.将超混沌序列掩盖信号序列并获得加密信号序列，然后通过信道传输出去；
4.接受方受到信号后采用超混沌信号序列去掩盖获得原信号序列；
5.将实现方案采用Matlab或C语言编程并仿真正确；
6.在瑞泰DSP开发箱或周立功EDA开发箱进行实际测试。
四、实验结果及分析
分析实验结果并提出如何改进建议，并完成实验报告。
实验一： 非线性电阻的伏安特性实验
1.实验目的：测绘非线性电阻的伏安特性曲线
2.实验装置：混沌通信实验仪。
3.实验对象：非线性电阻模块。
4.实验原理框图：
图1 非线性电阻伏安特性原理框图
5.实验方法：
第一步：在混沌通信实验仪面板上插上跳线J01、J02，并将可调电压源处电位器旋钮逆时针旋转到头，在混沌单元1中插上非线性电阻NR1。
第二步：连接混沌通讯实验仪电源，打开机箱后侧的电源开关。面板上的电流表应有电流显示，电压表也应有显示值。
第三步：按顺时针方向慢慢旋转可调电压源上电位器，并观察混沌面板上的电压表上的读数，每隔0.2V记录面板上电压表和电流表上的读数，直到旋钮顺时针旋转到头。
第四步：以电压为横坐标、电流为纵坐标用第三步所记录的数据绘制非线性电阻的伏安特性曲线如图2所示。
图2非线性电阻伏安特性曲线图
第五步：找出曲线拐点，分别计算五个区间的等效电阻值。
实验二： 混沌波形发生实验
1.实验目的：调节并观察非线性电路振荡周期分岔现象和混沌现象。
2.实验装置：混沌通信实验仪、数字示波器1台、电缆连接线2根。
3.实验原理图：
图3 混沌波形发生实验原理框图
4.实验方法：
第一步：拔除跳线J01、J02，在混沌通信实验仪面板的混沌单元1中插上电位器W1、电容C1、电容C2、非线性电阻NR1，并将电位器W1上的旋钮顺时针旋转到头。
第二步：用两根Q9线分别连接示波器的CH1和CH2端口到混沌通信实验仪面板上标号Q8和Q7处。打开机箱后侧的电源开关。
第三步： 把示波器的时基档切换到X－Y。调节示波器通道CH1和CH2的电压档位使示波器显示屏上能显示整个波形，逆时针旋转电位器W1直到示波器上的混沌波形变为一个点，然后慢慢顺时针旋转电位器W1并观察示波器，示波器上应该逐次出现单周期分岔(见图
4)、双周期分岔(见图5)、四周期分岔(见图6)、多周期分岔(见图7) 、单吸引子(见图8)、双吸引子(见图9)现象。
图4 单周期分岔
图5双周期分岔图6四周期分岔
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图7多周期分岔图8单吸引子
图9 双吸引子
注：在调试出双吸引子图形时，注意感觉调节电位器的可变范围。即在某一范围内变化，双吸引子都会存在。最终应该将调节电位器调节到这一范围的中间点，这时双吸引子最为稳定，并易于观察清楚。
实验三 混沌电路的同步实验
1.实验目的：调试并观察混沌同步波形
2.实验装置：混沌通信实验仪、双通道示波器1台、电缆连接线2根。
3.实验原理图：
图10 混沌同步原理框图
4.工作原理：
1），由于混沌单元2与混沌单元3的电路参数基本一致，它们自身的振荡周期也具有很大的相似性，只是因为它们的相位不一致，所以看起来都杂乱无章。看不出它们的相似性。
2），如果能让它们的相位同步，将会发现它们的振荡周期非常相似。特别是将W2和W3作
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适当调整，会发现它们的振荡波形不仅周期非常相似，幅度也基本一致。整个波形具有相当大的等同性。
3），让它们相位同步的方法之一就是让其中一个单元接受另一个单元的影响，受影响大，则能较快同步。受影响小，则同步较慢，或不能同步。为此，在两个混沌单元之间加入了“信道一”。
4），“信道一”由一个射随器和一只电位器及一个信号观测口组成。
射随器的作用是单向隔离，它让前级（混沌单元2）的信号通过，再经W4后去影响后级（混沌单元3）的工作状态，而后级的信号却不能影响前级的工作状态。
混沌单元2信号经射随器后，其信号特性基本可认为没发生改变，等于原来混沌单元2的信号。即W4左方的信号为混沌单元2的信号。右方的为混沌单元3的信号。
电位器的作用：调整它的阻值可以改变混沌单元2对混沌单元3的影响程度。
5.实验方法：
第一步：插上面板上混沌单元2和混沌单元3的所有电路模块。按照实验二的方法将混
沌单元2和混沌单元3分别调节到混沌状态，即双吸引子状态。电位器调到保持双吸引子状态的中点。
调试混沌单元2时示波器接到Q5、Q6座处。
调试混沌单元3时示波器接到Q3、Q4座处。
第二步：插上“信道一”和键控器，键控器上的开关置“1”。用电缆线连接面板上的Q3和Q5到示波器上的CH1和CH2，调节示波器CH1和CH2的电压档位到0.5V。
第三步：细心微调混沌单元2的W2和混沌单元3的W3直到示波器上显示的波形成为过中点约45度的细斜线。如图11：
图11 混沌同步调节好后示波器上波形状态示意图
这幅图形表达的含义是：如果两路波形完全相等，这条线将是一条45度的非常干净的直线。45度表示两路波形的幅度基本一致。线的长度表达了波形的振幅，线的粗细代表两路波形的幅度和相位在细节上的差异。所以这条线的优劣表达出了两路波形的同步程度。所以，应尽可能的将这条线调细，但同时必须保证混沌单元2和混沌单元3处于混沌状态。
第四步：用电缆线将示波器的CH1和CH2分别连接Q6和Q5，观察示波器上是否存在混沌波形，如不存在混沌波形，调节W2使混沌单元2处于混沌状态。再用同样的方法检查混沌单元3，确保混沌单元3也处于混沌状态，显示出双吸引子。
第五步：用电缆线连接面板上的Q3和Q5到示波器上的CH1和CH2，检查示波器上显示的波形为过中点约45度的细斜线。
将示波器的CH1和CH2分别接Q3和Q6，也应显示混沌状态的双吸引子。
第六步：在使W4尽可能大的情况下调节W2，W3，使示波器上显示的斜线尽可能最细。 思考题：为什么要将W4尽可能调大呐？如果W4很小，或者为零，代表什么意思？会出现什么现象？
实验四 混沌键控实验
1.实验目的：用混沌电路方式传输键控信号
2.实验装置：混沌通信实验仪、双通道示波器1台、电缆连接线2根。
3.实验原理框图：
图12 混沌键控实验原理框图
键控器说明：键控器主要由三个部份组成：
1） 、控制信号部份：控制信号有三个来原。
A，手动按键产生的键控信号。低电平0V，高电平5V。
B，电路自身产生的方波信号，周期哟40mS。低电平0V，高电平5V。
C，外部输入的数字信号。要求最高频率小于100Hz，低电平0V，高电平5V。
2） 、控制信号选择开关：开关拨到“1”时，选择手动按键产生的键控信号。按键不按
时输出低电平，按下时输出高电平。
开关拨到“2”时，选择电路自身产生的方波信号。
开关拨到“3”时，选择外部输入的数字信号。
3） 、切换器：利用选择开关送来的信号来控制切换器的输出选通状态。当到来的控制
信号为高电平时，选通混沌单元1，低电平选通混沌单元2。
4.实验方法：
第一步：在混沌通信实验仪的面板上插上混沌单元1、2和3的所有电路模块。按照实验二的方法分别将混沌单元1、2和3调节到混沌状态。
第二步： 在面板上插上键控单元，信道一和信号处理单元。将键控器上的拨动开关拨到
一、什么是混沌伪
随机序列伪随机序列是用函数生成随机数，它并不真正是随机的，只是比较近似随机，这也是其“伪”的由来。下面我们举一类来具体说明伪随机序列：
序列α= 0110100,其中0和1的个数相差1。把α看成周期为7的无限序列，左移1位得，α1 = 1101000，把α1也看成周期为7的无限序列。α= 0110100、α1=1101000在一个周期里，α和α1的对应位置元素相同的位置有3个，元素不同的位置有4个，它们的差等于－1，这个数称为α的自相关函数在1处的值。类似地，把α左移2位，3位，…6位，可以求出α的自相关函数在2处，3处，…6处的值也等于－1。当0 < s<7时，称为α的自相关函数的旁瓣值。从刚才所求出的结果知道，α= 0110100的自相关函数的旁瓣值只有一个：－1。像这样的序列称为伪随机序列或拟完美序列，即一个周期为v的无限序列，如果在一个周期里，0和1的个数相差1，并且它的自相关函数的旁瓣值只有一个：－1，则称它为伪随机序列或拟完美序列。α的自相关函数的旁瓣值的绝对值越大，就表明与α越像。因此如果周期为v的序列α是一个伪随机序列，那么α不管左移几位(只要不是v的倍数)，得到的序列都和α很不像，这样就很难分辨出α是什么样子。这说明了用伪随机序列作为密钥序列，是比较安全的，这也是如今其在网络安全以及通信安全中广泛应用的原因。然而混沌伪随机序列是指具有对初值有高度敏感性、长期不可预测性和遍历性等特行的伪随机序列。
二、混沌密码学研究概况
20年来稳健发展的重要标志：
混沌保密密码学正在迈进实用化：
实验有效验证了混沌系统的基本特性：宽谱性、对初值和系统参数的敏感 性、有界性、遍历性、内随机性、分维性、标度性、普适性和统计特征等，这些 宝贵的特性与密码的需求相一致，引起密码学界的高度关注和重视。实际上，早 在1984年就提出了混沌加密思想，以后混沌和密码学结合使混沌加密的研究不 断深入。迄今，不仅建立l数字化混沌通信，并将混沌密码应用于信息安全与保 密通信领域。随着大规模集成电路的高速发展，计算机及可编程逻辑电路计算精 度与运算速度的不断提高，已使混沌特性退化现象大为减弱，混沌保密体制正在 走进实用化。
混沌分形与高性能混沌流密码已是当今研究重要的课题：
混沌密码研究主要包括：
1.利用单个或多个混沌系统产生伪随机序列作为密钥序列，实现对原文的加密；
2.用明文或密钥作为混沌系统的初始条件或结构参数，通过混沌系统合适的迭代 次数产生密文。
第一种方式对应于流密码，第二种方式对应于分组加密。由于混沌序列是复杂的 伪随机序列，它在构造复杂流密码极具大优势，且在保密通信中应用这种非线性 序列，结构复杂，难以分析和预测，可以满足网络上数据安全传输和数字保密通 信等领域的广泛需求.
混沌流密码:
当前主要加密方法
对称分组密码算法：DES和AES
公钥分组密码算法：RSA
序列密码算法：流密码，反馈移位寄存器LSFR或NLSFR
单向散列算法：不可逆Hash函数，MD5和SHA-1、-2，用来身份识别或完整性鉴定。
混沌加密是新的有效方法与传统方法结合，妙用无穷！
1976年美国学者提出的公钥密码体制克服了网络信息系统密钥管理的困难, 同时解决了数字签名问题,又可用于身份认证。基于混沌-分形的密码理论的研 究成为当前混沌通信研究的另一个重要课题。
流密码是单钥加密体制中对应于分组密码的一种重要加密技术，由于其软硬 件可实现性好、易于实现同步通信及加密速度快，从一开始提出便受到了广泛的 关注，并相继制定了多种国际标准( A5/2、RC4、MUG1、SEAL、SNOW及SOBER
等)。流密码除具有普适的对称加密应用外，目前广泛应用于GSM移动通信、码 分多址通信(CDMA)、GPS卫星定位系统等通信系统中。流密码系统的核心设计 部分是伪随机数发生器（PRNG）:它决定了一个流密码系统的安全性。流密 码强度完全依赖于PRNG所生成密钥流的随机性和不可预测性。混沌理论的发展 为流密码加密提供了新思路，混沌是非线性确定性系统产生的内在随机行为，在 理想条件下时序具有无限大的周期，具有类似高斯白噪声的统计特性。更重要的 是，混沌系统具有对初始值和参数极端敏感，长期行为的不可预测性，可提供巨 大的密钥空间，混沌映射的特点很好地满足加密系统的要求。从而混沌伪随机序 列正蓬勃发展。
三、混沌伪随机序列的产生技术与应用实例
鉴于混沌伪随机序列良好的安全性，近些年来，混沌伪随机序列已经引起了研究人员的极大兴趣。各种伪随机序列产生算法也层出不穷，目前市面上流行的主要有下面几类伪随机序列：
1.基于Logistic 映射产生混沌二值序列，然后将所得序列进行函数运算得到最终的伪随机序列；
2.利用时空混沌系统生成实值序列，二进制化序列的小数部分生成二值序列；
3.基于三维Liu 系统生成混沌序列，然后对序列进行改进从而生成所需序列；
4.利用Logistic 映射生成两个混沌实值序列，通过比较两序列值的大小生成二值序列；
5.最近刚刚提出的一种基于超混沌系统生成伪随机序列，超混沌是一种特殊的混沌系统，具有两个或两个以上正的Lyapunov 指数。这是一种新的基于掺铒光纤激光器超混沌特性的伪随机二值序列。算法首先多位量化混沌实值生成多个二值
序列，然后对序列进行异或运算从而生成最终的混沌序列，有效避免了计算机有限精度效应引起的序列短周期问题。
前四种方法都是使用单一低维的混沌系统，保密系统来说并不总是安全的，而且其中有些序列已经被成功的分析和破译了。然而对于第五类密码，就目前而言是比较安全的，因为对混沌系统而言，正的Lyapunov 指数越多，表示系统的轨道不稳定的方向越多，其随机性就越强，因而基于该系统生成的序列的安全性能就越强，就目前计算机的计算水平，想要破译是相当困难的。具体的超混沌随机序列的产生算法可以见文献【2】。
有研究者使用这样的加密技术进行了图像的加密，其加密效果如下：