Yeni bir kaotik sistem ile FPGA tabanlı bir kaotik haberleşme sistemi tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of an FPGA based chaotic communication system with a new chaotic system
Yazar: SERDAR ÇİÇEK
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH FERİKOĞLU
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Doğrusal olmayan davranışlar = Nonlinear behaviors ; Doğrusal olmayan denklemler = Nonlinear equations ; Doğrusal olmayan devreler = Nonlinear circuits ; FPGA = FPGA ; Kaos koşulları = Chaos conditions ; Kaotik davranış = Chaotic behavior ; Kaotik devreler = Chaotic circuits ; Kaotik sistemler = Chaotic systems ; Şifreli haberleşme = Encoded communication

Özet:
Bu tez çalışmasında yeni bir üç boyutlu kaotik sistem elde edilerek, bu yeni kaotik sistem ile FPGA tabanlı şifreli kaotik haberleşme sisteminin tasarımı yapılmış ve gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla ilk olarak elde edilen yeni üç boyutlu kaotik sistemin, dinamik analizleri incelenerek nümerik benzetimi, analog elektronik devre ve FPGA üzerinde tasarımı gerçekleştirilmiştir. Böylece yeni kaotik sistemin analog ve sayısal tasarımlar için gerçek ortam uygulamalarında kullanılabileceği gösterilmiştir.
Tez çalışmasında daha sonra elde edilen yeni kaotik sistemin kaotik haberleşme uygulamalarındaki başarımının testi için, Matlab-Simulink programında çeşitli kaos tabanlı sayısal haberleşme uygulamalarının benzetim çalışmaları yapılmıştır. Haberleşme sisteminde şifreleme amacıyla yeni kaotik sistem kullanılarak kaotik bir gerçek rastgele sayı üretecinin benzetimi ve FPGA üzerinde tasarımı gerçekleştirilmiştir. Gerçek rastgele sayı üreteci çıkışları, FIBS 140-1 ve NIST 800-22 rastgelelik testlerine tabi tutulmuş ve testlerden başarılı olmuştur. 
Tüm bu aşamalardan sonra şifreli kaotik haberleşme sistemi verici ve alıcı birimi olmak üzere ilk önce benzetim ortamında tasarlanmış ve ardından 32 bit kayan noktalı sayı formatı kullanılarak VHDL programlama dilinde FPGA üzerinde gerçekleştirilmiştir. Gerçekleştirilen FPGA tabanlı şifreli kaotik haberleşme sistemi metin, görüntü ve ses bilgisi kullanılarak test edilmiştir. Haberleşme sisteminin 100
MHz kristal bağlı FPGA ile test çalışmalarında; veri iletim hızı 1,5 Mbps ve veri iletim gecikmesi 6,4 μs olarak verici birim tarafından gönderilen orijinal bilgi alıcı birim tarafından başarılı bir şekilde tekrar elde edilmiştir. Gönderilen orijinal bilgi ile verici birim tarafından iletim ortamına aktarılan bilgi arasındaki korelasyon katsayı değerleri metin, görüntü ve ses bilgisi için sırayla 0,0202, -0,0050, -0,0022 olarak tespit edilmiştir. Korelasyon katsayısı değerleri sıfıra çok yakın olduğundan gönderilen orijinal bilgi ile verici birim tarafından iletim ortamına gönderilen bilgi arasındaki ilişki çok çok düşüktür. Sonuç olarak gerçek ortam uygulamalarında
metin, görüntü ve ses gibi sayısal verilerin güvenli şekilde iletilmesinde kullanılabilecek bir FPGA tabanlı şifreli kaotik haberleşme sistemi tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının sonucu literatürde rastlanılan diğer çalışmalar ile karşılaştırılarak çalışmanın üstünlükleri belirtilmiştir.

Abstract:
In this thesis work, a new chaotic system is obtained and with which an FPGA based cryptic chaotic communication system is designed and implemented. With this aim, the new 3D chaotic system is first dynamically analyzed, numerically simulated using analog circuit components, and designed on FPGA. Thus, the new chaotic system is shown to be capable of usage in real environment applications for analog and digital designs.
Then, in order to test the performance of the new chaotic system in chaotic communication applications, different chaos based digital communication applications are simulated on MATLAB. In the communication system, a chaotic true random number generator for encryption is simulated and designed on FPGA, using also the new chaotic system. The outputs of the true random number generator
are subjected to FIBS 140-1 and NIST 800-22 randomness tests and proved successful.
Afterwards, the new cryptic communication system with its transmitter and receiver units, is first designed on simulation environment and then implemented on FPGA, in VHDL language using 32-bit floating point number format. The implemented FPGA based cryptic chaotic system is tested using text, image and voice information.
In the test work of the 100 MHz crystal connected FPGA based communication system; the information sent at a rate of 1,5 MHz is successfully recovered at the receiver unit with a propagation delay of 6,4 microseconds. Correlation factor between the original information and that transferred by the transmitter unit to the transmission medium are found as 0,0202, -0,0050, -0,0022 for text, image and voice information, respectively. This near-zero correlation factor reveals that the relation
between the original signal and the prepared for transmission signal is much low. In conclusion an FPGA based cryptic chaotic communication system, which is apt to secure real environment applications such as text, image and voice data communication is designed and implemented. The results are compared with the literature and its superiorities are indicated.