单神经元电路的混沌保密通信

崔 力， 欧青立， 吴兴中

（湖南科技大学 信息与电气工程学院，湖南 湘潭 411201）

0 引言

（1）人工神经元的基本结构

人工神经网络是由大量处理单元广泛互连而成的网络,是人脑的抽象、简化、模拟,反映了人脑的基本特性。它具有一组突触或联接,或称之为权值，权值的取值可在负值与正值之间。它是输入信号的累加器，具有反映生物神经元时空整合功能。它还具有一个激励函数,用于限制神经元输出[1]。

（2）混沌保密通信

模拟混沌保密通信包括两种，混沌掩盖和混沌调制。混沌掩盖是最早研究的混沌通信方式，主要是利用加性调制使得混沌信号浮在信息之上，接收端采用差分解调得到信息。本文应用混沌掩盖系统实现混沌保密通信[2-4]。

1 单神经元电路的实现

人工神经元电路由权值生成器，加权求和器这两大部分组成。权值求和器由可变电阻组成，加权求和电路由加法器实现。本实验把输入电阻用由三极管共基极电路代替，使权值可变。

1.1 权值电路构成

权值电路由输入电阻和反馈网络组成，输入电阻用三极管共基极电路代替。共基极电路具有高频和宽频带电路作用，满足了混沌信号具有的宽带特性。

1.2 求和电路构成

求和电路由运算放大器组成的反相加法电路（见图1）组成，输入端的个数可以根据需要调整。输入电压和输出电压之间的关系:

图1 反相加法电路

由反相加法电路可知，权值的由输入电阻与反馈电阻的比值决定，改变电阻的大小就可以改变权值的大小，本文用三极管的共基极电路代替输入电阻1R,2R，使得输入电阻变小并且提供了混沌信号所需的宽频带电路，更适合加载混沌信号。反馈网络用T型网络代替可以用低值电阻实现高增益，改进后的电路如图2所示。

图2 改进后的神经元电路

2 混沌掩盖方案的实现

混沌掩盖是最早研究的混沌通信方式，它通过加性调制使得信道中传输信号的能量很小，而且混沌信号又是宽谱信号，谱密度较小而且集中，所以要传输的信源信号很容易凸在载波之上而泄密，而且此方法很容易受信道噪声的影响。

本文采用运放电路组成的加法器实现电路单元。输入电路和反馈电路组成权值，混沌信号作为驱动函数与信息信号累加，实现混沌掩盖。由改进的电路可知克服了混沌信号运算速度慢、能量小和占用频带宽等弱点，接收端差分电路进行解调。方案原理图如图3所示。

图3 混沌掩盖原理

图3中混沌信号与信源进行加性调制，采用加法神经元电路实现。接收端解调采用差分电路实现。差分电路共有四种输入输出方式，本实验采用两端输入一端输出的差分方法把混沌信号直接消除。

3 仿真实验

本文利用Lorenz信号作为混沌载波信号，使用EWB进行仿真实验。Lorenz系统也是目前研究最多的用于通信系统调制加密的混沌系统。

信源信号为频率1 kHz，幅值5 V的方波，载波信号为Lorenz信号。本实验把信源与Lorenz信号用神经元电路做加法运算和差分运算实现混沌掩盖的调制与解调。信源方波信号为5V与混沌信号的幅值差不多，但是运用改进后的神经元电路把混沌信号放大后与方波叠加使得保密性能加大。实验电路原理图如图4所示，实验结果如图5～6，下页图7所示。

图4 混沌保密通信实验电路原理

图5 Lorenz载波信号吸引子相

图6 发送端加性调制信号

图7 接收端差分解调信号

实验元器件参数如：

4 结语

本文对神经元电路进行了改进，克服了混沌信号能量小和占用频带宽等弱点，加强了通信系统的保密性能，解调方式采用差分同步解调。并在EWB上进行了电路仿真实验，实验结果说明改进的神经元电路在信源幅值较大的情况下也能实现混沌保密通信，提高了保密性能。本文设计的混沌掩盖系统的解调方式其实是通过差分方法对信号的混沌状态实现有效的抑制，使混沌状态消除，通过对系统的控制获得人们所需要的信号。

[1] 张立君,徐佳.人工神经元电路结构的研究与探讨[J].北京印刷学院学报,2006,14(04):45-47.

[2] 包浩明,朱义胜.基于多层密钥的混沌映射保密通信系统[J].电子学报,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] 邓成良,丘水生,禹思敏.混沌脉冲宽度调制技术的研究[J].通信技术,2003(12):122-124.