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混沌系统具有的许多优良特性,如：对初始条件敏感性、类随机性、不可预测性等,能够与密码设计原则中混淆和扩散相吻合,满足保密通信的基本要求,因此混沌保密通信的相关研究是一个研究的热点。不可预测性,是混沌系统的最重要的特性之一,也是保密通信中对信号基本要求,基于不可预测性的混沌系统应用于混沌保密通信的相关研究,尤其是,通过不可预测的混沌系统产生能够应用于保密通信系统信号的方法及信号特性的测试、分析以及相关系统的构建具有重要的研究意义。混沌吸引子的细胞模型的建立及周期轨道理论,进一步加深了人们对混沌机理的认识,也为混沌机理的研究给出了新的思路,为实际的工程应用提供了理论依据。目前的研究中应用于保密通信的混沌序列的产生方法可以分为两大类,即算法混沌信号和物理混沌信号。算法混沌信号用于数字计算机上实现的混沌密码系统,大多数的理论研究都是围绕算法混沌展开,其特点是可复制、类噪声、对初始状态十分敏感等。物理混沌是指实际的混沌电路或者混沌系统,由具体的硬件电路实现。物理混沌被认为是具有不可预测性的混沌系统,通过物理混沌系统产生用于保密通信的信号以及不可预测性的比较等相关方面的研究较少,但却是物理混沌系统应用于保密通信的关键,本文尝试了搭建具有不可预测性的物理混沌的保密通信硬件平台。以上研究对混沌理论的实用化发展有着重要的理论意义和应用前景。本学位论文首先介绍了混沌及密码学的相关知识以及与不可预测性相关的基础理论,然后主要进行了以下几个方面的研究：基于周期轨道理论的混沌仿真分析中的相关问题的讨论、具有不可预测性的物理混沌随机序列的产生与随机性统计测试分析、基于蔡氏电路的S盒设计与分析、一种新的基于物理混沌的保密通信系统的同步方案。本文的主要成果包括：1.进一步讨论了基于周期轨道理论的理论及仿真分析中的相关问题。主要讨论了仿真过程中所涉及到的以下问题：时间序列长度、起始点的选择、键带和涡卷的划分、e与仿真步长、基波周期等。以上问题的进一步讨论,对混沌机理,尤其是周期轨道理论的分析及其应用于实际的混沌系统的分析有着很好的理论价值和实际意义。2.将NIST测试应用于具有不可预测性的物理混沌系统产生的混沌序列的测试与比较,给出具有不可预测性的物理混沌随机序列的产生方法。在多种混沌系统以及多种混沌序列产生方法中,找出合适的混沌序列产生方法以及不可预测性较强的混沌序列,是混沌保密通信必然需要考虑的问题,NIST的统计测试被应用于算法混沌产生的混沌序列的测试与比较,本文将NIST测试应用于具有不可预测性的物理混沌系统产生的混沌序列的测试与比较,找出了比较适合混沌信号二值化方法,得出了物理混沌序列测试结果强于算法混沌结果,Chen电路产生物理混沌序列的测试结果最好,优先选择Chen电路做为混沌序列的发生器。3.提出利用蔡氏混沌电路产生的混沌序列,设计了一个新的S盒。根据DES分组加密算法的特点,线性攻击和差分攻击能够成功破解DES密码体系。而DES加密算法中的S盒是唯一的非线性部分也是抵御线性攻击和差分攻击的核心部件,针对DES算法S盒性能不足的弱点,提出利用蔡氏混沌电路产生的混沌序列,设计了一个新的S盒。S盒可以用布尔函数表示,通过用布尔函数分析DES中S盒以及混沌S盒的密码学性质,得出新的S盒在抵御差分分析与线性分析的能力有了较大的提升。4.提出了一种基于物理混沌的混沌保密通信系统的同步方案,对物理混沌应用于实际的混沌加密系统进行了讨论。实验结果表明,新的同步方案能够实现硬件电路搭建的混沌保密通信系统中的混沌电路的同步。这些结论对于混沌保密通信系统方案的选择和物理混沌信号的选择及保密通信中其他相关实际问题具有重要的理论意义和参考价值。最后总结了本文的主要工作,并对未来的研究方向进行了展望。