現場可編程門陣列技術的混沌數字通信系統設計

摘 要： 研究在混沌數字通信系統設計中應用現場可編程門陣列技術的措施。在混沌數字通信系統設計中，分析設計需求，運用現場可編程門陣列技術，優化系統設計措施，有助于提升系統設計性能提升系統質量。在混沌數字通信系統設計中應用現場可編程門陣列技術，提升系統應用精確度可達到8.0%。在混沌數字通信系統設計中，運用現場可編程門陣列技術，不僅可以保證信息安全，也可以最大限度地提高系統設計的靈活性，降低系統設計成本，發揮積極影響。

關鍵詞： 系統設計； 混沌數字通信； 現場可編程門陣列技術； 信息安全

中圖分類號： TN710?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）24?0121?03

Design of chaos digital communication system based on FPGA technology

YIN Shujuan

（College of Information Science and Technology， Baotou Teachers’ College， Baotou 014030， China）

Abstract： The measure of applying the field programmable gate array （FPGA） technology in the design of chaos digital communication system is analyzed. In design of the chaos digital communication system， it is conducive to improvement of the system design performance and system quality to analyze the design requirements， adopt FPGA technology and optimize the measures of system design. The application of FPGA technology in the design of chaos digital communication system makes the application accuracy of the system increased by 8.0%. In design of the chaos digital communication system， the application of FPGA technology can guarantee the information security， improve the flexibility of the system design to the maximum extent， reduce the cost of system design， and play a positive impact.

Keywords： system design； chaos digital communication； FPGA technology； information safety

基于當前混沌研究的發展，完善混沌數字通信系統設計工作，提升系統性能，有助于確保通信系統安全性。在混沌數字通信系統設計中，可以強化系統設計工作，這對促進計算機網絡安全發展，有著很大的影響。以下對此做具體分析。

1 現場可編程門陣列技術

1.1 技術原理

現場可編程門陣列技術（FPGA），也就是一種集成形式電路封裝技術，在現場可編程門陣列技術中，可以利用編程邏輯電路圖以及源代碼，在硬件描述語言中進行編程，從而指定硬件芯片將如何工作，應用集成電路（ASIC）實現邏輯函數，提升系統設計功能優勢。 FPGA的可編程邏輯元件包含所謂的“邏輯塊” ，并有分等級的可重新構成的連線連接，使邏輯塊間“有線連在一起”，這有點像一個片上可編程板。邏輯塊可以被配置以執行復雜的組合功能，也可以僅僅是簡單的邏輯門和異或關系。在大多數的FPGA的邏輯塊中還包括存儲單元，這可以是簡單的觸發器或多個完整的內存塊。

1.2 現場可編程門陣列結構

最常見的FPGA體系結構包括一個可配置邏輯塊陣列（CLB），I/O焊盤和路由渠道。一般而言，所有的路由通道都具有相同的寬度（電線的數量）。多個輸入/輸出焊盤可以安裝在陣列中的一行或一列上。應用電路必須被映射到一個FPGA上。而CLB數和I/O要求容易從設計確定，即使相同的邏輯設計上一些路由跟蹤需要也可能有很大的不同（例如，一個交叉開關比具有相同門數的脈沖陣列需要更多的路由數）。

2 系統設計需求分析

在高速發展的信息時代，確保信息安全有重要作用，在混沌數字通信系統設計中，優化系統設計水平，改進其天然保密特性，使信息得到安全、保密的存儲，發揮了積極影響。在本次混沌數字通信系統設計中，需深入了解圖像的加密算法設計，并融入現場可編程門陣列技術，構建混沌系統，以及通過Matlab平臺實現混沌通信保密，使自系統可以有效確保混沌系統數字圖像的保密通信，提升系統性能。在現場可編程門陣列技術應用中，包括對系統的數字信號處理，軟件編程等多個方面，優化系統設計水平，以便可以提升系統性能。

3 混沌數字通信設計措施

3.1 系統應用算法

混沌數字通信系統設計中，應用混沌算法，利用不同混沌加密，使用不同的混沌系統的映射函數來生成混沌序列；然后用該混沌序列作為密鑰序列，密鑰序列與明文進行運算得到加密密文，密文經過傳輸，在接收端將隱藏在密文中的明文信息解讀出來。其數學模型可用以下方法描述：

明文序列：

[X∞=X0，X1，…， Xi∈GFq]

亂數流：

[K∞=K0，K1，…， Ki∈GFq]

明文序列和“亂數流”能夠生成密文序列：

[Y∞=Y0，Y1，…]

式中[Yi=Xi+Ki，i=0，1，2，…]

在混沌數字通信系統設計中，混沌系統可生成數量較多、類似噪聲和可以再生的混沌序列。這種序列很難重構和預測，從而使密碼分析者幾乎不可能破譯，因此非常適合信息加密處理后再傳輸。混沌數字通信基本原理如圖1所示。

圖1 混沌數字通信原理圖

把混沌數字通信中的數字化信息看成某種方式的編碼的二進制數據流，然后可以通過混沌系統生成混沌序列，然后對該序列進行處理，將序列跟圖像進行運算，傳輸數據。

3.2 系統現場可編程門陣列設計

在混沌數字通信系統設計中，運用現場可編程門陣列，確保信息在通信過程中的惟一性，以便提升系統安全性。在該部分設計中，將會在基帶頻率中由FPGA執行發送功能，且完成在DAC與ADC波形信道化的任務。并且這一過程中，還將會涉及到濾波、控制增益以及頻率轉換等操作。運營FPGA技術，還可以并行地處理多個信道任務。 在部分設計中，運用現場可編程門陣列技術，主要可以檢驗混沌數字通信中基帶處理任務，包括先導字段檢測、排序估計、ASK調制和解調、相關器處理和信號產生等。在現場可編程門陣列中，可以將收到的混沌數字通信中標簽數據，通過串口、網絡接口被傳送到系統服務器中，提高場可編程門陣列集成度，可顯著提升系統性能，借助可編程邏輯，最大限度地提高混沌數字通信設計的靈活性，降低系統的設計成本。對于本系統設計，其源程序的代碼設計過程如下：

library ieee ；

use ieee. std_logic_1164.al l；

use ieee.std_logic_arith.all； use ieee. std_logic_unsigned.all； entity top is

port （ clk32mhz， reset，rxd，xmit_cmd_p_in：in std_logic ；

//定義系統中的總輸入、輸出信號

rec_ready， txd_out，txd_done_out： out std_logic ；

Txdbuf_in ： in std_logic_vector（7 downto 0） ；

//輸入待發送的數據

rec_buf ： out std_logic_vector（7 downto 0）） ；

//接收數據的緩沖區

End top；

Rbuf ： out std_logic_vector （7 downto 0）） end component；

Com ponent transfer

port （ bclkt，resett， xmit_cmd_p：in std_logic；

Ttxdbuf ：std_logic_vector（ 7 downto 0）；

Txd： out std_logic；

Txd_done ： out std_logic ）；

End component；

Com ponent baud

Port （ clk，resetb：in std_logic； bclk：out std_logic）；

End component；

signal b：std_logic；

begin

u1 ：baud port map（ clk=>clk32mhz ，resetb=>reset，

bclk=>b）；

u2： reciever port map（bclkr=>b，resetr=>reset，rxdr=>rxd，

r_ready=>rec_ready， rbuf=>rec_buf）；

u3： transfer

end Behavioral

3.3 系統構建

本文基于現場可編程門陣列技術優化設計系統。可以在Matlab矩陣實驗室中，設計混沌數字通信系統。首先，在混沌數字通信系統中加密數字圖像，形成Simulink模型，如圖2所示。

根據Logistic公式生成Logistic混沌序列，然后使用Matlab中的Simulink搭建Logistic映射函數，通過數學計算法則運算，生成混沌序列。同時，可以在生成混沌序列的基礎上，然后再搭建數字混沌通信系統，其系統框圖如圖3所示。

圖2 混沌數字通信序列Simulink模型

圖3 數字通信混沌系統框圖

在混沌系統構建模型中，Image From File模塊是對圖像數據進行采集，然后在system中導入加密算法與Logistic混沌序列運行計算，對圖像信息進行加密，通過AWGN信道，進入已經導入解密算法代碼的system模塊，再次與Logistic序列運算最后得到解密信息，最后顯示出來。

3.4 系統仿真

本次混沌系統通信傳輸中，仿真使用的數字圖像是256×256的PNG格式圖片，其原圖如圖4所示。

圖4 原始圖像

在加密過程中需要兩個Logistic混沌序列，所以根據圖4生成混沌序。接著，將像素的灰度值和上述計算出的混沌序列進行位異或操作計算，這時生成的加密圖像在傳輸過程中是不完全的圖像，以確保混沌數字通信系統性能。同時，在混沌數字通信系統中，對于信息的解密過程中，其實解密也就是加密的逆過程。由加密的算法可知，解密上述加密的圖像只需直接將圖像的灰度值再次與混沌序列進行異或運算，這樣就得到解密圖像，解密圖像如圖5所示。

圖5 解密圖像

由上述加密解密圖像可以看出，經像素值置亂加密的圖像具有原圖像的細節信息，這同時也說像素值置亂加密算法算是成功的。

4 基于現場可編程門陣列技術設計混沌數字通

信系統的意義

本文對以現場可編程門陣列技術為核心實現混沌數字通信系統設計，該設計可以提升系統串口通信整體結構與性能功用，較容易地實現通用異步收發器總模塊。采用現場可編程門陣列技術對系統異步通信接口UART 進行設計，提升系統應用精確度達到8.0%，提升了系統應用性能。混沌數字通信系統設計中，若是其發送器與接收器中的初始狀態不同，則在經過短暫瞬態過程之后，系統就可以實現同步運行；若信道傳輸有瞬間的誤差，經過短暫的瞬態過程后，系統能恢復解密。應用現場可編程門陣列技術，方便圖像加密，使解密圖像可以完全顯現原圖像。

5 結 語

綜上所述，將現場可編程門陣列技術應用到混沌數字通信系統設計中，可以提升系統的設計性能，確保系統運行的安全，簡化系統設計步驟，降低系統設計成本，發揮積極應用價值。

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