现场可编程门阵列技术的混沌数字通信系统设计

尹淑娟

（包头师范学院 信息科学与技术学院，内蒙 古包头 014030）

现场可编程门阵列技术的混沌数字通信系统设计

尹淑娟

（包头师范学院 信息科学与技术学院，内蒙 古包头 014030）

研究在混沌数字通信系统设计中应用现场可编程门阵列技术的措施。在混沌数字通信系统设计中，分析设计需求，运用现场可编程门阵列技术，优化系统设计措施，有助于提升系统设计性能提升系统质量。在混沌数字通信系统设计中应用现场可编程门阵列技术，提升系统应用精确度可达到8.0%。在混沌数字通信系统设计中，运用现场可编程门阵列技术，不仅可以保证信息安全，也可以最大限度地提高系统设计的灵活性，降低系统设计成本，发挥积极影响。

系统设计；混沌数字通信；现场可编程门阵列技术；信息安全

基于当前混沌研究的发展，完善混沌数字通信系统设计工作，提升系统性能，有助于确保通信系统安全性。在混沌数字通信系统设计中，可以强化系统设计工作，这对促进计算机网络安全发展，有着很大的影响。以下对此做具体分析。

1 现场可编程门阵列技术

1.1 技术原理

现场可编程门阵列技术（FPGA），也就是一种集成形式电路封装技术，在现场可编程门阵列技术中，可以利用编程逻辑电路图以及源代码，在硬件描述语言中进行编程，从而指定硬件芯片将如何工作，应用集成电路（ASIC）实现逻辑函数，提升系统设计功能优势。FPGA的可编程逻辑元件包含所谓的“逻辑块”，并有分等级的可重新构成的连线连接，使逻辑块间“有线连在一起”，这有点像一个片上可编程板。逻辑块可以被配置以执行复杂的组合功能，也可以仅仅是简单的逻辑门和异或关系。在大多数的FPGA的逻辑块中还包括存储单元，这可以是简单的触发器或多个完整的内存块。

1.2 现场可编程门阵列结构

最常见的FPGA体系结构包括一个可配置逻辑块阵列（CLB），I/O焊盘和路由渠道。一般而言，所有的路由通道都具有相同的宽度（电线的数量）。多个输入/输出焊盘可以安装在阵列中的一行或一列上。应用电路必须被映射到一个FPGA上。而CLB数和I/O要求容易从设计确定，即使相同的逻辑设计上一些路由跟踪需要也可能有很大的不同（例如，一个交叉开关比具有相同门数的脉冲阵列需要更多的路由数）。

2 系统设计需求分析

在高速发展的信息时代，确保信息安全有重要作用，在混沌数字通信系统设计中，优化系统设计水平，改进其天然保密特性，使信息得到安全、保密的存储，发挥

了积极影响。在本次混沌数字通信系统设计中，需深入了解图像的加密算法设计，并融入现场可编程门阵列技术，构建混沌系统，以及通过Matlab平台实现混沌通信保密，使自系统可以有效确保混沌系统数字图像的保密通信，提升系统性能。在现场可编程门阵列技术应用中，包括对系统的数字信号处理，软件编程等多个方面，优化系统设计水平，以便可以提升系统性能。

3 混沌数字通信设计措施

3.1 系统应用算法

混沌数字通信系统设计中，应用混沌算法，利用不同混沌加密，使用不同的混沌系统的映射函数来生成混沌序列；然后用该混沌序列作为密钥序列，密钥序列与明文进行运算得到加密密文，密文经过传输，在接收端将隐藏在密文中的明文信息解读出来。其数学模型可用以下方法描述：

明文序列：

乱数流：

明文序列和“乱数流”能够生成密文序列：

式中Yi=Xi+Ki,i=0,1,2,…

在混沌数字通信系统设计中，混沌系统可生成数量较多、类似噪声和可以再生的混沌序列。这种序列很难重构和预测，从而使密码分析者几乎不可能破译，因此非常适合信息加密处理后再传输。混沌数字通信基本原理如图1所示。

图1 混沌数字通信原理图

把混沌数字通信中的数字化信息看成某种方式的编码的二进制数据流，然后可以通过混沌系统生成混沌序列，然后对该序列进行处理，将序列跟图像进行运算，传输数据。

3.2 系统现场可编程门阵列设计

在混沌数字通信系统设计中，运用现场可编程门阵列，确保信息在通信过程中的惟一性，以便提升系统安全性。在该部分设计中，将会在基带频率中由FPGA执行发送功能，且完成在DAC与ADC波形信道化的任务。并且这一过程中，还将会涉及到滤波、控制增益以及频率转换等操作。运营FPGA技术，还可以并行地处理多个信道任务。在部分设计中，运用现场可编程门阵列技术，主要可以检验混沌数字通信中基带处理任务，包括先导字段检测、排序估计、ASK调制和解调、相关器处理和信号产生等。在现场可编程门阵列中，可以将收到的混沌数字通信中标签数据，通过串口、网络接口被传送到系统服务器中，提高场可编程门阵列集成度，可显著提升系统性能，借助可编程逻辑，最大限度地提高混沌数字通信设计的灵活性，降低系统的设计成本。对于本系统设计，其源程序的代码设计过程如下：

3.3 系统构建

本文基于现场可编程门阵列技术优化设计系统。可以在Matlab矩阵实验室中，设计混沌数字通信系统。首先，在混沌数字通信系统中加密数字图像，形成Simu⁃link模型，如图2所示。

根据Logistic公式生成Logistic混沌序列，然后使用Matlab中的Simulink搭建Logistic映射函数，通过数学计算法则运算，生成混沌序列。同时，可以在生成混沌序列的基础上，然后再搭建数字混沌通信系统，其系统框图如图3所示。

图2 混沌数字通信序列Simulink模型

图3 数字通信混沌系统框图

在混沌系统构建模型中，Image From File模块是对图像数据进行采集，然后在system中导入加密算法与Logistic混沌序列运行计算，对图像信息进行加密，通过AWGN信道，进入已经导入解密算法代码的system模块，再次与Logistic序列运算最后得到解密信息，最后显示出来。

3.4 系统仿真

本次混沌系统通信传输中，仿真使用的数字图像是256×256的PNG格式图片，其原图如图4所示。

图4 原始图像

在加密过程中需要两个Logistic混沌序列，所以根据图4生成混沌序。接着，将像素的灰度值和上述计算出的混沌序列进行位异或操作计算，这时生成的加密图像在传输过程中是不完全的图像，以确保混沌数字通信系统性能。同时，在混沌数字通信系统中，对于信息的解密过程中，其实解密也就是加密的逆过程。由加密的算法可知，解密上述加密的图像只需直接将图像的灰度值再次与混沌序列进行异或运算，这样就得到解密图像，解密图像如图5所示。

图5 解密图像

由上述加密解密图像可以看出，经像素值置乱加密的图像具有原图像的细节信息，这同时也说像素值置乱加密算法算是成功的。

4 基于现场可编程门阵列技术设计混沌数字通信系统的意义

本文对以现场可编程门阵列技术为核心实现混沌数字通信系统设计，该设计可以提升系统串口通信整体结构与性能功用，较容易地实现通用异步收发器总模块。采用现场可编程门阵列技术对系统异步通信接口UART进行设计，提升系统应用精确度达到8.0%，提升了系统应用性能。混沌数字通信系统设计中，若是其发送器与接收器中的初始状态不同，则在经过短暂瞬态过程之后，系统就可以实现同步运行；若信道传输有瞬间的误差，经过短暂的瞬态过程后，系统能恢复解密。应用现场可编程门阵列技术，方便图像加密，使解密图像可以完全显现原图像。

5 结语

综上所述，将现场可编程门阵列技术应用到混沌数字通信系统设计中，可以提升系统的设计性能，确保系统运行的安全，简化系统设计步骤，降低系统设计成本，发挥积极应用价值。

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Design of chaos digital communication system based on FPGA technology

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

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 mea⁃sures of system design.The application of FPGA technology in the design of chaos digital communication system makes the appli⁃cation 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.

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

TN710⁃34

A

1004⁃373X（2015）24⁃0121⁃03

10.16652/j.issn.1004⁃373x.2015.24.035

尹淑娟（1982—），女，内蒙古包头人，讲师，硕士。主要研究方向为移动数据通信。

2015⁃07⁃23

内蒙古自然科学基金项目：服务器推送核心技术研究（2014MS0618）