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基于忆阻器的混沌电路研究及应用

发布时间:2020-04-02 21:21
【摘要】:忆阻作为除了电阻、电容和电感以外新定义的基本电路元器件,它的出现填补了电荷和磁通关系的空白。忆阻是具有非线性和记忆功能的电阻,因其具有速度快、低功耗、纳米结构、可扩展性、非易失性等特性,它在非易失性存储、智能计算机系统、人工神经网络、非线性电路与系统等领域有着潜在的应用。在非线性电路与系统领域,动力学特征复杂的混沌(超混沌)吸引子的产生一直是研究的热点。忆阻器为混沌系统设计开辟了一扇新的大门,作为一种具有非线性特性的纳米器件,忆阻将其非线性特性应用于电路设计中,有利于生成具有复杂动力学特性的混沌信号。而具有复杂动力学特性的混沌信号在保密通信和图像加密领域有着潜在的应用价值,因此基于忆阻器的混沌系统电路设计及其特性分析得到了学者们的广泛关注。本文将研究忆阻在混沌电路中的应用,并完成了相应的数值仿真与硬件设计。本文的主要研究工作和创新之处可概括如下:(1)为了获得更复杂的动力学特性,提出了一个构建基于忆阻的多翼超混沌吸引子的方法。该方法实现较简单,且通用性强。只需采用一个磁控忆阻替换具有非线性分段函数的多翼混沌电路(以改进的多翼Lü系统混沌电路为例)中的电阻,得到的基于忆阻的混沌电路具有良好的超混沌和多翼特性。针对其它可能被替换电阻的位置,采用相图、Lyapunov(李雅普诺夫)指数、庞加莱截面和分岔图分析了新系统的动力学行为,并通过上述分析总结了构建忆阻多翼超混沌系统的步骤。最后,利用分立元件完成了硬件设计与实验,实验结果与仿真结果基本一致,进一步证明了提出系统的正确性及动力学复杂性。(2)具有隐藏吸引子的混沌系统因其更好的隐藏性和随机性在保密通信和图像加密领域有一定的优势,因此,提出了构建具有隐藏吸引子的忆阻多翼超混沌系统的方法。在多翼混沌电路基础上,增加一个磁控忆阻,新系统不仅具有隐藏吸引子(无平衡点的吸引子是隐藏吸引子的特例),而且展现出超混沌现象。针对引入忆阻的不同连接方式,采用Lyapunov指数和相图分别对新的忆阻混沌系统的超混沌和多翼特性进行了刻画。最后,从硬件上进一步证实所提出的无平衡点忆阻多翼超混沌系统存在的正确性。(3)提出了一个基于忆阻的四翼混沌电路,该电路不仅能产生超混沌吸引子,而且呈现出翼可变的特性。仅仅调整系统方程中包含忆阻项的系数,提出的忆阻四翼混沌电路就能产生两翼、三翼和四翼混沌吸引子,并且具有复杂的动力学特性,如共存的多个混沌吸引子、瞬态混沌以及状态变换等。最后,分别通过理论分析、数值仿真以及硬件实验验证提出系统的正确性。(4)提出了一个结构简单但动力学特性复杂的四阶忆阻Twin-T混沌振荡电路。该电路最显著的特点是仅仅改变电阻R_2(参数b),忆阻Twin-T振荡电路就展现出多种不同的周期吸引子和混沌吸引子。同时,还观察到共存吸引子、筛形域(Riddled basin)、反单调性(特别是在自治混沌系统中存在两个完全的费根鲍姆树串联现象),并通过相图、Lyapunov指数、分岔图和吸引盆对其动力学特性进行了分析。硬件实验测量结果与仿真结果一致。最后,设计了一个多通道随机比特位生成器,并利用生成的随机序列进行简单的图像加密。数值结果表明了随机比特位信号发生器的实用性。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN60;O415.5

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