忆感器和忆容器混沌及其在数据信息加密中的应用研究

发布时间：2020-04-09 00:02

【摘要】：忆感器和忆容器是继忆阻器之后的新型非线性器件,其基本特征是具有记忆特性,无需外部激励就可存储信息。在许多领域,包括非易失性存储器、非线性电路、人工神经网络和数字逻辑电路等有着广阔的潜在应用前景。由于工艺的局限性,当前对忆感器和忆容器的研究仍处于初级阶段,其物理器件尚未正式实现,对其进行建模、非线性电路特性及应用基础研究将具有重要意义。本文主要研究忆感器建模、基于忆感器和忆容器的混沌电路及其在信息加密中的应用,主要研究内容如下:(1)为了研究忆感器特性,在理想记忆器件模型的基础上提出了一种与自身变量有关的新型局部有源忆感器数学模型,该非理想模型更接近实际器件特性。对忆感器模型进行了φ-i(磁通-电流)特性仿真分析,并根据忆感器数学模型设计了其等效电路,通过电路仿真分析了不同频率正弦激励信号下的滞后环变化特性。(2)为了给忆感器和忆容器混沌电路的设计及应用提供理论基础,介绍了混沌的基本概念和典型的混沌系统,包括经典的离散、连续混沌系统。在此基础上,提出一种新的四维连续混沌系统,采用吸引子相图、Poincare映射、Lyapunov维数、Lyapunov指数、二维动力学地图等方法分析了系统的动力学特性,分析结果表明其动力学特性更加复杂。并且,在DSP平台将混沌系统进行数字化处理,验证了数值分析的正确性。(3)基于新提出的磁控忆感器模型和已有的荷控忆容器模型设计了一个同时含有两类记忆器件的文氏电桥混沌振荡电路,通过理论和数值仿真分析相结合的方法,对该混沌系统的动力学特性进行了深入分析,包括平衡点及其稳定性分析,分岔特性和Lyapunov指数谱,NIST随机性能测试等。分析发现该系统具有共存分岔和共存吸引子特性,具有复杂的动力学特性和良好的随机统计特性。最后,基于DSP数字平台,数字化实现了该混沌系统,获得了数字混沌序列、时域混沌波形和模拟混沌吸引子相图的实验结果。对提取的混沌序列进行NIST随机性能测试,测试结果显示其随机性优于经典的Lorenz系统,将其应用于数据信息加密,可有效保障信息安全。(4)对新的混沌系统中提取的伪随机序列进行应用研究,将伪随机序列与国际流行的AES算法相结合,设计了一个基于局域网信道和Java平台的混沌编码的数据信息加密程序。在数据发送端使用混沌系统提取的序列代替传统AES算法中的密钥序列,对用户选择的数据信息进行加密与解密,可以提高信息的安全性。
【图文】：

基本变量,完备性,基本关系,物理量

２．邋１．１记忆器件的定义逡逑传统的电路元器件包括电阻、电感和电容三种，，属于线性器件，其具体的电阻值、电感逡逑值和电容值以相对关系的斜率表示，具体关系如图２Ｊ所示。逡逑Ｖ邋＝邋￣ｖ（ｒ）ｄｒ逦＊邋（ｐｚ＝＾￣ｙ0＝Ｊ，＾（ｒ）ｄｒ＼邋Ｊ逡逑图２．１各物理量的基本关系逡逑１９７１年Ｃｈｕａ邋（蔡少棠）教授首先根据电路的基本变量组合完备性原理预测并提出了一种逡逑新的基本电路元件逦［■乙阻器［１］。２００９年，Ｖｅｎｔｒａ与Ｃｈｕａ等研究人员对忆阻器的概念进行逡逑扩展，提出了另外两种记忆器件逦１■乙感器和忆容器［３］，而且根据电路元器件的具体关系给逡逑６逡逑

结构图,忆阻器,结构图

逦—逡逑图２．２Ｔｉ０２忆阻器结构图逡逑如图２．２所示为惠普实验室制作的Ｔｉ０２忆阻器的结构图，从图中我们可以看到两侧铂电逡逑极夹在中间的部分分为两部分，一部分是纯净的Ｔｉ0２层，称为非掺杂层，另一部分是丢失了逡逑部分氧原子的ＴｉＯ＾层，称为掺杂层，其中掺杂层的导电性较强，非掺杂层的阻抗较氋，在逡逑铀电极两端施加不同的激励时，电压或电流，掺杂层中的带电粒子会在电场作用下发生不同逡逑程度的漂移，在两部分的交界处，掺杂层的带电粒子会进入非掺杂层，导致忆阻器两端的阻逡逑值发生变化。表示忆阻器的电阻值，表达式如下所示，逡逑￣邋Ｒｃｎ—邋＋逦（２１１）逡逑＾邋＝邋／／ｖ＾－ｉ（0逦（２．１２）逡逑ａｔ邋Ｕ逡逑其中是忆阻器全部掺杂杂质时的最小电阻值，是忆阻器不掺杂任何杂质时的最大电阻逡逑值
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN60;TP309.7;O415.5

【参考文献】