Аннотация: В статье исследуется технология гибридного моделирования хаотических систем в форме синхронизации цифровой и аналоговой моделей системы Рёсслера, взаимодействующих через тракты аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования. Рассмотрены однонаправленный и двунаправленный варианты хаотической синхронизации, проведена оценка погрешности синхронизации для каждого из указанных случаев. Для аналоговой реализации системы Рёсслера разработана схема на основе операционных усилителей, умножителей и прецизионных пассивных элементов. Цифровая модель системы основана на полунеявном аппаратно-ориентированном методе численного интегрирования второго порядка алгебраической точности. С целью обоснования выбора метода приведены графики производительности различных решателей обыкновенных дифференциальных уравнений при моделировании системы Рёсслера. Показано, что выбранный полунеявный метод численного интегрирования обладает наибольшей вычислительной эффективностью среди всех методов второго порядка. Экспериментально продемонстрирована возможность синхронизации аналоговой и цифровой моделей хаотической системы. Рассмотрена синхронизация двух и трех моделей системы Рёсслера в различных вариантах топологии соединения. Путем анализа ошибки синхронизации показано, что наибольшая точность достигается при использовании полностью связанной топологии, которая основана на двунаправленном способе синхронизации трёх моделей системы Рёсслера.

Abstract: The article explores the technology of hybrid modeling of chaotic systems in the form of synchronization of digital and analog models of the Rossler system, interacting via analog-digital and digital-analog conversion paths. The unidirectional and bidirectional variants of chaotic synchronization are considered, and the synchronization error is estimated for each of the specified cases. For the analog implementation of the Rössler system, a circuit has been developed based on operational amplifiers, multipliers, and precision passive elements. The digital model of the system is based on a semi-implicit hardware-oriented method of numerical integration of the second order of algebraic accuracy. In order to substantiate the choice of the method, graphs of the performance of various solvers of ordinary differential equations are presented when simulating the Rössler system. It is shown that the chosen semi-implicit numerical integration method has the highest computational efficiency among all second-order methods. Experimentally demonstrated the ability to synchronize analog and digital models of a chaotic system. The synchronization of two and three models of the Rossler system in various variants of the connection topology is considered. By analyzing the synchronization error, it is shown that the greatest accuracy is achieved when using a fully coupled topology, which is based on the bi-directional synchronization method of the three models of the Rössler system.

Аннотация: В работе предложен подход к выбору конечно-разностной схемы хаотического генератора псевдослучайных последовательностей, основанный на использовании шаговых диаграмм (h-диаграмм). В качестве тестовой задачи рассматривается генератор на основе хаотической системы Рёсслера, дискретизируемой явными, неявными и полуявными численными методами первого и второго порядка алгебраической точности. Порождаемые различными вариантами генератора последовательности проверяются на случайность батареей статистических тестов NIST. Показаны преимущества предлагаемого подхода при проектировании генераторов хаотических сигналов, заключающиеся в существенном (на порядок) ускорении времени проектирования устройства за счет нового способа выбора шага дискретизации и дискретного оператора. Подтверждена эффективность использования полунеявных конечно-разностных схем при генерации псевдослучайных последовательностей методом численного решения хаотических дифференциальных уравнений. Полученные результаты могут быть использованы в приложениях криптографии, при проектировании защищенных систем связи, решении задач численного моделирования динамических систем и математической статистики.

Abstract: An approach to the selection of a finite-difference scheme of a chaotic pseudo-random sequence generator based on the use of step diagrams (h-diagrams) is proposed. As a test problem, a generator is considered based on the random Rössler system discretized by explicit, implicit and semiquant numerical methods of the first and second order of algebraic accuracy. The sequences generated by different variants of the generator are randomly checked by a battery of NIST statistical tests. Advantages of the proposed approach in the design of chaotic signal generators are shown, consisting in an essential (by an order of magnitude) acceleration of the device design time due to a new method of selecting the discretization step and the discrete operator. The effectiveness of using semi-implicit finite difference schemes in the generation of pseudo-random sequences by the method of numerical solution of chaotic differential equations is confirmed. The obtained results can be used in cryptography applications, in the design of secure communication systems, in solving problems of numerical simulation of dynamical systems and mathematical statistics.