單神經(jīng)元電路的混沌保密通信

崔 力， 歐青立， 吳興中

（湖南科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

（1）人工神經(jīng)元的基本結(jié)構(gòu)

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量處理單元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò),是人腦的抽象、簡(jiǎn)化、模擬,反映了人腦的基本特性。它具有一組突觸或聯(lián)接,或稱之為權(quán)值，權(quán)值的取值可在負(fù)值與正值之間。它是輸入信號(hào)的累加器，具有反映生物神經(jīng)元時(shí)空整合功能。它還具有一個(gè)激勵(lì)函數(shù),用于限制神經(jīng)元輸出[1]。

（2）混沌保密通信

模擬混沌保密通信包括兩種，混沌掩蓋和混沌調(diào)制。混沌掩蓋是最早研究的混沌通信方式，主要是利用加性調(diào)制使得混沌信號(hào)浮在信息之上，接收端采用差分解調(diào)得到信息。本文應(yīng)用混沌掩蓋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)混沌保密通信[2-4]。

1 單神經(jīng)元電路的實(shí)現(xiàn)

人工神經(jīng)元電路由權(quán)值生成器，加權(quán)求和器這兩大部分組成。權(quán)值求和器由可變電阻組成，加權(quán)求和電路由加法器實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)把輸入電阻用由三極管共基極電路代替，使權(quán)值可變。

1.1 權(quán)值電路構(gòu)成

權(quán)值電路由輸入電阻和反饋網(wǎng)絡(luò)組成，輸入電阻用三極管共基極電路代替。共基極電路具有高頻和寬頻帶電路作用，滿足了混沌信號(hào)具有的寬帶特性。

1.2 求和電路構(gòu)成

求和電路由運(yùn)算放大器組成的反相加法電路（見圖1）組成，輸入端的個(gè)數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)整。輸入電壓和輸出電壓之間的關(guān)系:

圖1 反相加法電路

由反相加法電路可知，權(quán)值的由輸入電阻與反饋電阻的比值決定，改變電阻的大小就可以改變權(quán)值的大小，本文用三極管的共基極電路代替輸入電阻1R,2R，使得輸入電阻變小并且提供了混沌信號(hào)所需的寬頻帶電路，更適合加載混沌信號(hào)。反饋網(wǎng)絡(luò)用T型網(wǎng)絡(luò)代替可以用低值電阻實(shí)現(xiàn)高增益，改進(jìn)后的電路如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的神經(jīng)元電路

2 混沌掩蓋方案的實(shí)現(xiàn)

混沌掩蓋是最早研究的混沌通信方式，它通過加性調(diào)制使得信道中傳輸信號(hào)的能量很小，而且混沌信號(hào)又是寬譜信號(hào)，譜密度較小而且集中，所以要傳輸?shù)男旁葱盘?hào)很容易凸在載波之上而泄密，而且此方法很容易受信道噪聲的影響。

本文采用運(yùn)放電路組成的加法器實(shí)現(xiàn)電路單元。輸入電路和反饋電路組成權(quán)值，混沌信號(hào)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)與信息信號(hào)累加，實(shí)現(xiàn)混沌掩蓋。由改進(jìn)的電路可知克服了混沌信號(hào)運(yùn)算速度慢、能量小和占用頻帶寬等弱點(diǎn)，接收端差分電路進(jìn)行解調(diào)。方案原理圖如圖3所示。

圖3 混沌掩蓋原理

圖3中混沌信號(hào)與信源進(jìn)行加性調(diào)制，采用加法神經(jīng)元電路實(shí)現(xiàn)。接收端解調(diào)采用差分電路實(shí)現(xiàn)。差分電路共有四種輸入輸出方式，本實(shí)驗(yàn)采用兩端輸入一端輸出的差分方法把混沌信號(hào)直接消除。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本文利用Lorenz信號(hào)作為混沌載波信號(hào)，使用EWB進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。Lorenz系統(tǒng)也是目前研究最多的用于通信系統(tǒng)調(diào)制加密的混沌系統(tǒng)。

信源信號(hào)為頻率1 kHz，幅值5 V的方波，載波信號(hào)為L(zhǎng)orenz信號(hào)。本實(shí)驗(yàn)把信源與Lorenz信號(hào)用神經(jīng)元電路做加法運(yùn)算和差分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)混沌掩蓋的調(diào)制與解調(diào)。信源方波信號(hào)為5V與混沌信號(hào)的幅值差不多，但是運(yùn)用改進(jìn)后的神經(jīng)元電路把混沌信號(hào)放大后與方波疊加使得保密性能加大。實(shí)驗(yàn)電路原理圖如圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5～6，下頁圖7所示。

圖4 混沌保密通信實(shí)驗(yàn)電路原理

圖5 Lorenz載波信號(hào)吸引子相

圖6 發(fā)送端加性調(diào)制信號(hào)

圖7 接收端差分解調(diào)信號(hào)

實(shí)驗(yàn)元器件參數(shù)如：

4 結(jié)語

本文對(duì)神經(jīng)元電路進(jìn)行了改進(jìn)，克服了混沌信號(hào)能量小和占用頻帶寬等弱點(diǎn)，加強(qiáng)了通信系統(tǒng)的保密性能，解調(diào)方式采用差分同步解調(diào)。并在EWB上進(jìn)行了電路仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明改進(jìn)的神經(jīng)元電路在信源幅值較大的情況下也能實(shí)現(xiàn)混沌保密通信，提高了保密性能。本文設(shè)計(jì)的混沌掩蓋系統(tǒng)的解調(diào)方式其實(shí)是通過差分方法對(duì)信號(hào)的混沌狀態(tài)實(shí)現(xiàn)有效的抑制，使混沌狀態(tài)消除，通過對(duì)系統(tǒng)的控制獲得人們所需要的信號(hào)。

[1] 張立君,徐佳.人工神經(jīng)元電路結(jié)構(gòu)的研究與探討[J].北京印刷學(xué)院學(xué)報(bào),2006,14(04):45-47.

[2] 包浩明,朱義勝.基于多層密鑰的混沌映射保密通信系統(tǒng)[J].電子學(xué)報(bào),2009,37(06):1222-1225.

[3] Bao Haoming, Zhu Yi-sheng, Member S.A Chaotic Masking Communication System With Better Performance[J].IEEE,2006(02):1487-1490.

[4] 鄧成良,丘水生,禹思敏.混沌脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的研究[J].通信技術(shù),2003(12):122-124.