Diseño e implementación de un FPGA de un sistema de transmisión de información multimedia con enmascaramiento caótico

Abstract

RESUMEN: En la actualidad se continúa explorando distintos campos en áreas científicas donde se utilizan los sistemas dinámicos basados en modelos de generación de caos. Comúnmente estos sistemas se construyen a través de modelos matemáticos conocidos como sistemas de ecuaciones de estados. Varios de estos modelos se representan a través de circuitos integrados mediante componentes electrónicos. Es posible controlar y sincronizar esta clase de sistemas caóticos los cuales pueden tener un gran impacto sobre áreas afines como matemáticas, informática, economía, anatomía, geofísica entre otras. En esta tesis se presenta la metodología utilizada para simular, diseñar, implementar y transmitir información enmascarada con veintiún osciladores caóticos diferentes basados en el circuito de Chua, series de funciones saturadas no lineales y la colección de casos de Sprott. Estos osciladores caóticos se pueden resolver de distintas maneras, sin embargo, se trabajaron en tiempo discreto usando métodos numéricos como método Euler y Runge-Kutta de 4to. Orden codificados en Matlab-Simulink. La primera aportación con resultados positivos para la investigación de osciladores caóticos es alcanzar la sincronización en cada uno de los osciladores caóticos mencionados a través de dos métodos conocidos en la literatura como Open Plus Closed Loop y Hamiltoniano Generalizado de formas canónicas. Como segunda aportación de la tesis se encuentra el diseño digital e implementación de los veintiún osciladores caóticos en Quartus II Web Edition para su implementación física en una tarjeta Cyclone IV donde se presenta resultados experimentales y un análisis de recursos lógicos en la FPGA. La última aportación del trabajo de tesis es la transmisión de enmascaramiento caótico con los veintiún osciladores caóticos mencionados anteriormente usando diferentes tipos de información multimedia como imagen, audio y video. Finalmente se realizó la implementación de la transmisión de enmascaramiento caótico de una imagen entra la PC-FPGA mediante el protocolo de comunicación serial RS232-UART. ABSTRACT: Nowadays, many areas have been explored dynamic systems in the scientific field along with different applications benefited by chaos generation models. These mathematical models are constructed by system equation states very well known in the differential equations. This types of models can be represented by integrated circuits with electronic components. Over time it has been shown that it can be possible to control and synchronize this kind of chaotic systems which promise to have a great impact on new applications in many areas where these types of behaviors are presented. This thesis presents the methodology to simulate, design, implement and transmit masked information using twenty-one different chaotic oscillators based on the Chua circuit, Series of non-linear functions, the Sprott case collection. These chaotic oscillators can be solved in many ways however every chaotic system mention above were discretized in order to use numerical methods known as Euler and Runger-Kutta of 4th order, this methods were coded in Matlab-Simulink. The first contribution of this is to achieve synchronization with every of the aforementioned chaotic oscillators with two methods known in the literature as Open Plus Closed Loop and Generalized Hamiltonian of canonical forms, this being one of the first contributions of the thesis obtaining positive results for the investigation of chaotic oscillators. As a second contribution of the thesis is the digital design and implementation of twenty-one chaotic oscillators in Quartus II Web Edition for its physical implementation in a Cyclone IV card where experimental results and analysis of logical records of the FPGA are presented. The last contribution of this work is the transmission of a chaos signal mixed with information masking different types of multimedia information such as image, audio and video with the twenty-one chaotic oscillators mentioned above. The implementation of the chaotic masking transmission of an image between the PC-FPGA was also carried out using a serial communication protocol known as RS232-UART.