本書在闡述混沌理論與應(yīng)用研究進(jìn)展、混沌研究分析方法和典型混沌系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上,著重研 究混沌在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用,包括混沌同步控制、混沌保密通信、混沌密碼學(xué)、混沌圖像和音視頻加 密、混沌電路等。作者還總結(jié)了分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的分析方法、仿真技術(shù)與**研究進(jìn)展。 本書是作者長(zhǎng)期從事混沌理論及其信息安全應(yīng)用研究的總結(jié),書中包含課題組多年來(lái)所做的研究 工作成果。 本書可作為電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制等專業(yè)本科生、研究生的教材或參考書,也可供理工科大 學(xué)的師生閱讀,以及自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的研究人員參考。
本書在介紹了混沌理論與應(yīng)用研究進(jìn)展、混沌研究分析方法和典型混沌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，著重闡述了混沌保密通信系統(tǒng)所涉及的基本原理、技術(shù)與方法，包括混沌同步控制技術(shù)，混沌保密通信方案，混沌加密系統(tǒng)原理與設(shè)計(jì)等。后作者還介紹了分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的研究動(dòng)態(tài)，研究方法和動(dòng)力學(xué)特性分析。
本書是作者近幾年從事混沌保密通信研究的一個(gè)總結(jié)，書中包含作者近10年來(lái)所做的研究工作成果。
本書可作為研究生的教材或參考書，也可供理工科大學(xué)的師生閱讀，也可供自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域的研究人員參考。
自從1963年氣象學(xué)家Lorenz發(fā)現(xiàn)混沌現(xiàn)象以來(lái)，混沌得到了廣泛而深入的研究，混沌理論被譽(yù)為20世紀(jì)繼相對(duì)論、量子理論后的第三大科學(xué)理論革命。特別是1990年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室的Pecora和Carroll發(fā)現(xiàn)混沌同步后，便掀起了混沌及其在信息安全領(lǐng)域研究的熱潮，經(jīng)過(guò)30多年的研究和發(fā)展，混沌保密通信、混沌密碼學(xué)正成為信息安全技術(shù)領(lǐng)域中高新技術(shù)新的生長(zhǎng)點(diǎn)。一方面，混沌的應(yīng)用將不斷促進(jìn)人們對(duì)混沌本質(zhì)的深刻認(rèn)識(shí)； 另一方面，混沌應(yīng)用中提出的新問(wèn)題也將進(jìn)一步引領(lǐng)混沌研究的深入。雖然混沌保密通信與混沌信息安全技術(shù)離實(shí)際應(yīng)用還有較長(zhǎng)的路要走，但其應(yīng)用前景廣闊。
本書在《混沌保密通信原理與技術(shù)》的基礎(chǔ)上進(jìn)行了補(bǔ)充修訂，全書共10章。第1章綜述了混沌研究的歷史，介紹了混沌發(fā)展中的重要人物與趣事，評(píng)述了混沌同步控制技術(shù)和混沌信息安全技術(shù)研究進(jìn)展； 第2章闡述了非線性系統(tǒng)的混沌特性分析方法； 第3章介紹了典型混沌動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)模型； 第4章通過(guò)實(shí)例討論了混沌系統(tǒng)的同步控制原理與方法； 第5章討論了基于混沌同步的保密通信技術(shù)與方案； 第6章討論了基于混沌序列的信息加密技術(shù)； 第7章研究了混沌數(shù)字圖像加密算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)； 第8章研究了基于混沌的音視頻實(shí)時(shí)加密通信技術(shù)； 第9章研究了分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的研究進(jìn)展、動(dòng)力學(xué)特征分析與仿真方法； 第10章研究了混沌系統(tǒng)的仿真與電路實(shí)現(xiàn)技術(shù)。為了方便讀者掌握書中的重要知識(shí)點(diǎn)，作者在每章的后列出了少量思考題，為教師安排課后訓(xùn)練提供便利。為了方便大家查找相關(guān)文獻(xiàn)和及時(shí)發(fā)表研究成果，作者將混沌及其應(yīng)用研究領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)期刊作為本書的附錄A； 為了方便讀者迅速掌握混沌研究方法，作者把課題組研究積累的有關(guān)分析算法程序進(jìn)行了整理，作為本書的附錄B。
本書是作者在總結(jié)課題組從事該領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上，參閱大量國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料編寫而成的。在作者從事該領(lǐng)域的研究過(guò)程中，先后得到了美國(guó)威斯康星大學(xué)J.C.Sprott教授，華南理工大學(xué)丘水生教授，廣東工業(yè)大學(xué)禹思敏教授，杭州電子科技大學(xué)王光義教授，湖南大學(xué)王春華教授，中南大學(xué)張?zhí)┥浇淌凇⑹⒗淌诤椭鞆男窠淌诘闹笇?dǎo)和幫助，作者對(duì)以上諸位先生的關(guān)懷和指導(dǎo)表示誠(chéng)摯的謝意！在本書的編寫過(guò)程中，還得到歷屆研究生的積極參與和大力支持，在此表示衷心的感謝！感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61161006，61573383，11747150,61901530)的資助！
由于作者水平有限，書中難免有不妥之處，敬望讀者不吝賜教。
孫克輝王會(huì)海賀少波
2021年7月于長(zhǎng)沙
孫克輝，教授，博導(dǎo)。中南大學(xué)物理與電子學(xué)院院長(zhǎng)。獲校首屆師德先進(jìn)個(gè)人，省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)教師，寶鋼優(yōu)秀教師獎(jiǎng)。已發(fā)表學(xué)術(shù)論文近200篇。主要從事混沌理論與應(yīng)用方面的研究。
第1章緒論
1.1線性、非線性與混沌
1.2混沌研究歷程
1.3混沌發(fā)展中的重要人物與趣事
1.4混沌的定義與特征
1.5混沌同步方法研究綜述
1.5.1現(xiàn)有混沌同步方法及其特點(diǎn)
1.5.2其他同步方法與問(wèn)題
1.6混沌在信息安全中的應(yīng)用研究綜述
1.6.1混沌模擬通信
1.6.2混沌數(shù)字通信
1.6.3基于混沌序列的加密通信
1.7混沌研究方法與主要研究?jī)?nèi)容
思考題
參考文獻(xiàn)
第2章非線性系統(tǒng)的混沌特性分析方法
2.1相軌線(相圖)分析法
2.2自功率譜分析法
2.3Poincaré截面法
2.4Lyapunov特征指數(shù)法
2.4.1Lyapunov指數(shù)的定義
2.4.2Lyapunov指數(shù)譜
2.4.3Lyapunov指數(shù)的物理意義
2.4.4條件Lyapunov指數(shù)
2.5分?jǐn)?shù)維分析法
2.601測(cè)試法
2.6.101測(cè)試算法
2.6.2改進(jìn)的01測(cè)試算法
2.6.301測(cè)試法應(yīng)用
2.7分頻采樣法
2.8贗相空間法
2.9復(fù)雜度測(cè)度法
2.9.1譜熵復(fù)雜度算法
2.9.2C0復(fù)雜度算法
2.9.3排列熵算法
2.9.4網(wǎng)絡(luò)排列熵算法
2.10SALI算法
思考題
參考文獻(xiàn)
第3章典型混沌動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)
3.1離散混沌映射系統(tǒng)
3.1.1Logistic映射
3.1.2Tent映射
3.1.3Hénon映射
3.1.4TDERCS映射
3.2連續(xù)混沌系統(tǒng)
3.2.1Duffing振子
3.2.2van der Pol振子
3.2.3Lorenz系統(tǒng)
3.2.4Rssler系統(tǒng)
3.2.5蔡氏電路
3.2.6Chen系統(tǒng)
3.2.7L系統(tǒng)
3.2.8統(tǒng)一混沌系統(tǒng)
3.2.9簡(jiǎn)化Lorenz系統(tǒng)
3.2.10新混沌系統(tǒng)的建議標(biāo)準(zhǔn)
3.3超混沌系統(tǒng)
3.3.1Rssler超混沌系統(tǒng)
3.3.2Chen超混沌系統(tǒng)
3.3.3折疊毛巾超混沌映射
3.3.42DSIMM超混沌映射
思考題
參考文獻(xiàn)
第4章混沌系統(tǒng)的同步原理與方法
4.1混沌同步定義
4.2混沌同步系統(tǒng)的性能指標(biāo)
4.3反饋同步控制原理與性能
4.3.1連續(xù)混沌系統(tǒng)的多變量驅(qū)動(dòng)反饋同步
4.3.2離散混沌系統(tǒng)的線性和非線性反饋同步
4.4基于PecoraCarroll同步判據(jù)的參數(shù)自適應(yīng)同步
4.4.1自適應(yīng)同步原理
4.4.2控制律與控制參數(shù)的選擇
4.4.3控制常數(shù)邊界與范圍的確定
4.4.4系統(tǒng)仿真與結(jié)果討論
4.5基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的自適應(yīng)同步
4.5.1確定參數(shù)的自適應(yīng)同步
4.5.2不確定參數(shù)的自適應(yīng)同步
4.6間歇反饋同步
4.6.1不同系統(tǒng)間的間歇同步
4.6.2同步仿真與性能分析
4.7基于狀態(tài)觀測(cè)器方法的混沌同步
4.7.1狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)原理
4.7.2統(tǒng)一混沌系統(tǒng)的狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)
4.7.3仿真與結(jié)果討論
4.8混沌觀測(cè)器同步
4.8.1混沌觀測(cè)器設(shè)計(jì)原理
4.8.2統(tǒng)一混沌系統(tǒng)的混沌觀測(cè)器設(shè)計(jì)
4.8.3同步仿真與性能分析
4.9投影同步
4.9.1比例投影同步原理與仿真
4.9.2函數(shù)投影同步原理與仿真
4.9.3自適應(yīng)函數(shù)投影同步與仿真
4.10分?jǐn)?shù)階時(shí)延Lorenz混沌系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步
4.10.1分?jǐn)?shù)階時(shí)延混沌系統(tǒng)環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)同步算法
4.10.2分?jǐn)?shù)階時(shí)延Lorenz混沌系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步求解
4.10.3分?jǐn)?shù)階時(shí)延Lorenz混沌系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)同步仿真
4.11混沌同步存在的問(wèn)題與研究熱點(diǎn)
思考題
參考文獻(xiàn)
第5章基于混沌同步的保密通信技術(shù)
5.1混沌掩蓋通信
5.2混沌鍵控通信
5.2.1COOK
5.2.2CSK
5.2.3DCSK
5.2.4FMDCSK
5.2.5QCSK
5.3混沌調(diào)制通信
5.4混沌擴(kuò)頻通信
5.4.1混沌直接序列擴(kuò)頻通信原理
5.4.2混沌擴(kuò)頻碼的產(chǎn)生
5.4.3多用戶混沌擴(kuò)頻系統(tǒng)仿真模塊設(shè)計(jì)
5.4.4基于Rake接收的多用戶混沌擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真
5.4.5基于Rake接收的多用戶混沌擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能分析
思考題
參考文獻(xiàn)
第6章基于混沌序列的信息加密技術(shù)
6.1混沌密碼學(xué)
6.1.1傳統(tǒng)密碼體制
6.1.2混沌密碼與傳統(tǒng)密碼的關(guān)系
6.1.3混沌序列加密原理
6.2基于混沌序列的信息加密算法
6.2.1混沌加密算法的基本要求
6.2.2Logistic混沌系統(tǒng)及其統(tǒng)計(jì)特性
6.2.3混沌序列加密模型與算法
6.2.4基于混沌序列的數(shù)據(jù)加密算法實(shí)現(xiàn)
6.2.5系統(tǒng)調(diào)試與性能分析
6.3基于混沌映射的二值水印圖像加密算法
6.3.1混沌偽隨機(jī)序列發(fā)生器的改進(jìn)
6.3.2基于TDERCS混沌映射的二值水印圖像加密算法
6.3.3加密算法的性能分析
6.4基于混沌映射和小波變換的彩色圖像水印算法
6.4.1小波變換算法及其應(yīng)用
6.4.2水印嵌入與提取算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
6.4.3數(shù)值仿真與性能分析
思考題
參考文獻(xiàn)
第7章混沌圖像加密算法原理與設(shè)計(jì)
7.1混沌圖像加密理論基礎(chǔ)
7.1.1混沌圖像加密算法基本原理
7.1.2混沌系統(tǒng)的選擇
7.1.3圖像加密算法的性能評(píng)估
7.2基于循環(huán)移位的混沌圖像快速加密算法
7.2.1圖像加解密算法設(shè)計(jì)
7.2.2安全性與時(shí)間復(fù)雜度分析
7.2.3彩色圖像拓展算法及其性能分析
7.3基于DNA和混沌的圖像加密算法
7.3.1DNA運(yùn)算規(guī)則
7.3.2DNA加密算法設(shè)計(jì)
7.3.3圖像加解密實(shí)驗(yàn)結(jié)果
7.4基于位水平的混沌圖像加密算法
7.4.1圖像加解密算法設(shè)計(jì)
7.4.2算法的安全性分析
7.4.3算法的位水平方面分析
7.4.4計(jì)算復(fù)雜度分析
7.5基于混沌和壓縮感知的圖像加密算法
7.5.1圖像壓縮與加密算法
7.5.2算法壓縮性能分析
7.5.3算法安全性分析
7.5.4算法實(shí)用性分析
思考題
參考文獻(xiàn)
第8章音視頻混沌加密通信技術(shù)
8.1實(shí)時(shí)語(yǔ)音加密通信原理
8.1.1數(shù)字加密通信系統(tǒng)原理
8.1.2實(shí)時(shí)語(yǔ)音加密通信系統(tǒng)
8.1.3密碼同步技術(shù)
8.2實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流加密算法
8.2.13DES加密算法
8.2.23DES與混沌映射相結(jié)合的加密算法
8.2.3網(wǎng)絡(luò)同步方法研究
8.2.4實(shí)時(shí)語(yǔ)音加密通信系統(tǒng)的安全性能分析
8.3實(shí)時(shí)語(yǔ)音加密通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
8.3.1實(shí)時(shí)語(yǔ)音加密通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
8.3.2實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議及其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
8.3.3基于自適應(yīng)通信環(huán)境的RTP實(shí)現(xiàn)
8.3.4系統(tǒng)調(diào)試與性能測(cè)試
8.4基于混沌序列的MPEG視頻加密算法
8.4.1混沌加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則
8.4.2MPEG視頻數(shù)據(jù)加密原理與步驟
8.4.3基于混沌的流密碼設(shè)計(jì)
8.4.4基于混沌的置亂算法設(shè)計(jì)
8.4.5加密實(shí)驗(yàn)與效果分析
8.4.6MPEG視頻加密系統(tǒng)性能分析
8.5基于混沌的H.264視頻加密算法
8.5.1基于TDERCS的混沌流密碼的構(gòu)造
8.5.2H.264視頻加密方案
8.5.3視頻加密性能分析
思考題
參考文獻(xiàn)
第9章分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的分析與仿真
9.1分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
9.2分?jǐn)?shù)階微積分定義及其物理意義
9.3分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的求解方法
9.3.1分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的頻域近似求解方法
9.3.2分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的時(shí)域近似求解方法
9.4分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)仿真方法
9.4.1分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真方法
9.4.2分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)電路仿真方法
9.4.3分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)數(shù)值仿真方法
9.4.4仿真方法對(duì)比與特點(diǎn)分析
9.5基于頻域法的分?jǐn)?shù)階統(tǒng)一系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析
9.5.1分?jǐn)?shù)階統(tǒng)一混沌系統(tǒng)模型
9.5.2分?jǐn)?shù)階統(tǒng)一混沌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真
9.5.3參數(shù)固定時(shí)分?jǐn)?shù)階統(tǒng)一系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性
9.5.4參數(shù)變化時(shí)分?jǐn)?shù)階統(tǒng)一系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性分析
9.6基于時(shí)域法的分?jǐn)?shù)階非耗散Lorenz系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性
9.6.1分?jǐn)?shù)階非耗散Lorenz系統(tǒng)模型
9.6.2分?jǐn)?shù)階非耗散Lorenz系統(tǒng)的混沌特性
9.6.3系統(tǒng)控制參數(shù)R不同時(shí)的分岔特性分析
9.6.4分?jǐn)?shù)階階數(shù)不同時(shí)的分岔特性
9.6.5方程微分階數(shù)不同時(shí)的分岔特性
思考題
參考文獻(xiàn)
第10章混沌系統(tǒng)的仿真與電路實(shí)現(xiàn)
10.1混沌系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真
10.1.1Simulink動(dòng)態(tài)仿真步驟
10.1.2仿真結(jié)果分析與性能改善
10.2混沌系統(tǒng)的電路仿真
10.3混沌模擬電路設(shè)計(jì)
10.3.1混沌模擬電路設(shè)計(jì)步驟
10.3.2混沌電路模塊化設(shè)計(jì)
10.3.3混沌電路的基本組成及元器件選型
10.4混沌電路的改進(jìn)型模塊化設(shè)計(jì)
10.4.1基于OA器件的多渦卷Jerk電路設(shè)計(jì)
10.4.2基于CC器件的多渦卷Jerk電路設(shè)計(jì)
10.4.3多渦卷Jerk電路實(shí)現(xiàn)
10.5混沌系統(tǒng)的DSP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
10.5.1混沌系統(tǒng)的DSP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
10.5.2整數(shù)階混沌系統(tǒng)的DSP實(shí)現(xiàn)
10.5.3分?jǐn)?shù)階混沌系統(tǒng)的DSP實(shí)現(xiàn)
10.5.4離散混沌系統(tǒng)的DSP實(shí)現(xiàn)
10.6混沌系統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
10.6.1電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化
10.6.2分?jǐn)?shù)階簡(jiǎn)化Lorenz系統(tǒng)混沌信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)
10.6.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
思考題
參考文獻(xiàn)
附錄A混沌及其應(yīng)用研究領(lǐng)域的主要學(xué)術(shù)期刊
附錄B混沌特性分析MATLAB源程序
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