TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 8, August 2013, pp. 45 3 0 ~4 538   e-ISSN: 2087 -278X           4530      Re cei v ed Ma rch 5, 2 013;  Re vised  Ma y 15, 2013; Accepted Ma y 27 , 2013   High-Dimensional Chaotic System and its Circuit  Simulation      Jianming Liu  Heb e i Ke y L a b  of Industrial C o mput er C ontr o l Eng i ne eri ng,  Yansha n Un iv ersit y , Qin hua n gda o, Chi n a   e-mail: ppkkkk @126.com       A b st r a ct   T he ch aotic  s ystem pl ays  a n  i m portant  ro le  in  el ectroni an d electric al eq uip m ent, compute r   cryptography, computer comm unic ation and so on. In  this paper, we established  three new six-dim e nsional  complex chaot ic system s and one new ten-dim e nsi onal com p lex chaotic system . The regularity  to  generate  high- d im ensional c h aotic system  is  also found by  overlaying a  s e ries  of low-dim e nsional chaotic   system s with Duffing chaotic system . The circ iuts of  the new  high-dimensional com p lex chaotic system  ar e   desi gne d. T h e  simulati on  ex peri m e n ts of the h i gh- di me n s ion a l co mplex  chaotic c i rcuit s  are tested.  T h e   results  of theoretical analysis  an d ex per im ent show that new high-d imensional c o m p lex  chaotic systems   and the i r circiut s  have the hy p e rcha otic char acteristics.     Ke y w ords   e lectrical e qui p m ent, cryptogra p h y, c haotic circ iut, high- di me n s ion a l cha o s         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  The cha o tic system,  the  quantum   me cha n ics  a nd  the theo ry of  relativity are thre importa nt sci entific di scov erie s in  the  20th  cent u r y  [ 1 ] .  The  cha o t i sy st em i s   wide sp rea d  in  electri c al  and  elect r oni c e quipme n ts [2] ,  commu nication [3], astro physi cs, a e ro spa c e,  weath e forecast, com puter  cryptog r aphy [4] and  powe r   net wo rk [5]. To any  chaoti c  en cryption syste m the highe r di mensi on it ha s, the better  secu rity  it has  [6]. By adding the st ate fee dba ck  co ntrol l er  on thre e-dim ensi onal  cha o tic syste m , some fi ve-di m ensi onal  ch aotic sy stem s are gen era t ed.  For exa m ple:  in 200 9, Hu aqing  Li ad d ed state  fe e dba ck  co ntrol l er on  the th ree - dime nsi o nal  Lore n cha o tic system to g enerate a five-dim en siona l Loren z ch ao tic system [7]. In 2010, Feng   Han  ad ded  st ate feed ba ck  controlle r o n   the three- dim ensi onal  Lu  chaotic sy ste m  to g ene rat e  a  five-dimen sio nal  L u  cha o tic system   [8]. In  201 1,  Lu   Hua ng  add ed  state  feed ba cks  co ntroll er on  the three - dim ensi onal  Che n  ch aotic  syst em to  gen era t e a five-dime n sio nal Chen  cha o tic  syste m   [9]. In this p aper,  we  will  study  how to ge nerate a  six-di men s io nal  chaoti c   system, a ten - dimen s ion a cha o tic  syste m  and a  cha o tic sim u latio n  circuit. The n , we will  exp l ore the  reg u l a rity  to gen erate   high-dimen s i onal  ch aotic syste m . Th re sult of  this study wi ll  ha p r a c tical   signifi can c e i n  electri c al a nd ele c troni circ uits,  chaot ic cryptograp hy and com m unication.       2. Ne w   Duffing-Lor en z Chaotic Sy stem  2.1. The Desi gn of Du ffin g -Lor enz  Ch aotic Sy stem  Duffing  ch aot ic  system  is o ne of th co mmonl y u s e d  model s i n   si gnal tran smi s sion  and   freque ncy tra n sform field [10]. The form  of the Duffing cha o tic sy stem is:     wt e x dy y y x cos 3                                                                                                                 (1)    D a nd e  a r real  co nsta nts. The  cha r a c teri st ic  prop erties of the   Lore n z sy ste m  as the  first di scovered p h ysi c al  chaotic  sy ste m   are  fo und  in  mo re and  more   field s . The  fo rm of the   three - dime nsi on Loren z ch aotic sy stem i s  as the follo wing:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       High -Dim en si onal Chaoti c  System  and it s Circuit Sim u lation (Jian m ing Liu)  4531  cz xy z y xz bx y x y a x                                                                                                                                    (2)     The pa ramet e rs of  a~c a r e re al con s t ants.  The external ex citation part of the origin al   Duffing  syste m  is repla c e d  by an aut onomo u part. By the bridge of the a u tonomo u p a rt,  Equation  (1 ) and  Equ a tion  (2) a r e  combine d  into  a  ne six-dimen s ion a compl e cha o tic  sy st em.     fxv w w e u dv v v u cz xy z w y xz bx y gv x y a x ) cos( ) ( 3                                                                (3)     The pa ramet e rs of  a ~ g are real con s ta nts.    2.2. L y apuno v  Exponent Analy s is   Whe n  the initi a l co ndition are a = 1 0 , b=55, c=8/ 3, d = 0.6, e=-3, f=1 ,   x=1, y=1, z=1, w=1  and dt =0.00 5 ,  the Lyapu n o v expone nts are  1.399,  0 . 852, 0.039,  -0.097,  -1.45 3  and  -1 4.97 7.  Since the r e a r e thre e po sitive Lyapunov  expone nts,  the system i s  in  the hypercha o tic state [11]     3.  Ne w  Duffing-Chen Ch aotic  Sy stem  3.1. The Desi gn of Du ffin g -Chen Cha o tic Sy stem  The form of Chen chaoti c  system is:     bz xy z cy xz x a c y x y a x ) ( ) (                                                                                                                       (4)    Equation  (1 and E quation  (4 are  ove r laid  into  a  n e six-dimen s ion a Duffin g -Chen   compl e x hyperchaoti c  syst em:    fxv w w e u dv v v u cz xy z w hy xz x a b y gv x y a x ) cos( ) ( ) ( 3                                                                                                              (5)    The pa ramet e rs of a ~ h a r e real con s ta nts.      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4530 –  4538   4532 3.2. L y apuno v  Exponent Analy s is   Whe n   the pa rameters are  a=1 0 b = 55, c=8/3,  d = 0.6,  e=-3, f=1, g = 3, h=1, x=1, y = 1,  z=1 ,   u=1, v = 1,  w=1 an d dt =0.0 05, t he  Lyap unov exp one nts a r e  0.97 0 ,   3.108,  -1.46 8 , -0.4 61, -3.574   and  -10.8 29.  Since  the r e are two  positive  Lya punov  expo nents, th system is in  th e   hypercha o tic state.      4. The Exploration of  Re gularit y   By the an alysis of the  ab ove mentio ne d tw o  ki nd s o f  the ne six-dimen s ion a compl e x   hypercha o tic system s, the regul arity to gene rate  the high -dim e n sio nal comp lex hypercha o tic  system s is di scovere d . The exte rnal excitation pa rt of the Du ffing system is  repla c e d  by an  autonom ou s part. The p o sitive feedback is ad ded. T hen, by the b r idge of the a u tonomo u s p a rt,   the Duffing chaotic  syste m  and the lo wer-dim e n s io nal ch aotic  system are  co mbined into a  new  six - dim e n s ion a l compl e x  hy per cha o t i c  sy st em.   Th e new ove r l a ying reg u la rity of comp lex  hypercha o tic  system i s  sh o w n in Figu re  1.    2 : 3 : 2 1 ) ( : 1 Feedback part system chaotic Duffing part Feedback system chaotic Another or Lorenz part     Figure 1. The  Overlaying Regula r ity      The ab ove proce s s can be  sub d ivided i n to three  ste p s: (1 ) Th e p a ram e ters   of positive   feedba ck an d the form of  feedba ck  are asce rtai ne d; (2) T he a u tonomo u p a rt of the Du ffing  cha o tic syst e m  is ascertai ned; (3) T h e  two c haoti c  systems a r e  combin ed in to a new hig h - dimen s ion a l complex hype rcha otic sy ste m     5. The Verif y  of Regula r ity   and its Circuit Simulation  5.1. The Desi gn of Du ffin g -Lu Comple x Chao tic Sy stem   Lu ch aotic  system is a s  th e followin g   dz xy z cy xz y x y a x ) (                                                                                                                                         (6)     Be based o n  the reg u larit y  to generate  high- dimen s i onal compl e cha o tic syst em,  the   Duffing ch aot ic system   of Equation   (1 ) and  th e Lu  chaotic sy ste m  of Eq uatio n (6) are  com b ined   into a new  six-dime nsi onal  Duffi ng-Lu co mplex hyperchaotic  system   gyz w w f u ev v v u dz x z cy xz y bw x y a x ) cos( ) ( 3 2                                                                    (7)     The pa ramet e rs of  a ~ g are real con s ta nts.    5.2. L y apuno v  Exponent Analy s is     When the ini t ial conditio n s  are  a=3 6 , b=1, c=2 0 , d=3, e=0.6, f=3, g= 1, x=1, y=1, z=1,   u=1, v=1,  w=1 and dt =0.0 05, the  Lyap unov expon e n t are 1.22,  0.16,  -0.38, -0.54, -1.17 a nd - Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TEL K   18.8 5 hype r   5.3.  T                   K OM NIKA    5 . Since  the r r cha o t i c st at e T he Circ uit  S   Be base d SC2 is  o p Figure  The outp 1  V/ V 0   V   Y X V =0 . 3 * c o s V(1 ) V(2 ) V(3 ) V(4 ) I( V 5 I( V 6 High -Di m r e are two   p e S imulation  d  on Multisi m p po sition cir c (a)     3. The Inter n ut s o f  the si m 1  V/V 0  V  Y X s ( 1 0* V ( 1) + p i ) ) ) ) ) 5 ) 6 ) e-I m en si onal  C p ositive Lya p m  7, the sim u Figure 2.  c uit. SC1 is  p n al Co n necti o m ulation circ u 1  V/V  Y X 1  V/V  Y X 16 6. 7k¦ ¸ 1k ¦ ¸ 10 0k ¦ ¸ V Y X SSN: 2087 - 2 C haoti c  Syst e p unov expon u l a tion  circui t   The  Simula t p rop o rti on a m   o n Pictures  o u it ar e   s h ow n 2. 8k ¦ ¸ 2. 8k ¦ ¸ 10 0k¦ ¸ 10 ¸ 5k ¦ ¸ 0 V   10 ¸ R1 7 33 . 3 k ¦ ¸ 0 V   R 10 0 10k ¦ ¸ V /V  0   V   2 78 X e m  and its C i ent s,  t h e sy t  of Equatio n t ion Circuit    m plification  c o f the Sub-c i n  in Figure  4 X1 SC1 IO 1 IO 1 IO X3 SC 1 IO 1 IO 1 X 5 S C 1 IO1 IO1 X 7 S C 1 IO1 IO1 R 24 0 ¸ X 9 S C 1 IO1 IO1 X 1 S C 1 IO1 IO1 i rc uit Simula t st em of Eq u n  (7 ) is s h ow n c ir cuit . T h e  ci r (b)   i rcuit.(a)S C 1 4 IO 1 IO 1 IO 1 IO 1 I O IO 1 O 2 IO2 IO 2 IO 2 1 IO 2 IO 2 1 IO 2 IO 2 IO 1 1 IO 2 IO 2 I O 1 1 IO 2 IO 2 I O   t ion (Jianm i n u ation (7) i s   n  in Figure 2 r cuit  pict u r e s .(b)S C 2   X2 SC2 IO2 IO2 X4 SC2 IO2 IO2 X6 SC2 O 1I O 2 IO2 X8 SC 2 IO 1 I O 2 IO 2 X10 SC 2 IO1 O 1 IO 2 IO 2 X12 SC 2 IO1 O 1 IO 2 IO 2 n g Liu)  4533 in the    s  are:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4530 –  4538   4534        (a)                                                                                          (b)       (c)                                                                                          (d)        (e)      Figure 4. The  Outputs of the Simulation  Circ uit (a )x -y , (b)x - z ,( c)x - u, (d)x -v ,(e ) x - w       6. Anoth e r Verif y  of Regularit y  and its Circuit Simulation   6.1. The Desi gn of Du ffin g -Lor enz-Sp rott J  Compl ex Cha o tic S y stem  The form of the three - dim ensi onal Sp ro tt J chaotic  system is:     2 y y x z z by y az x                                                                                                                               (8)    The pa ramet e rs a a nd b a r e re al co nsta nts.  Be ba sed  on   the me ntione d regula r ity of   the  high -dim ensi onal  com p lex chaoti c   system,  the extern al  excitation p a rt of the ori g i nal Du ffing  system is  re pl ace d  by a n  a u tonomo u s p a rt.  The p o sitive  feedba ck is  adde d. By the bri dge  of the auto nom o u part i n  th e Duffing ch aotic  system, Equ a t ion (2 ), Equa tion (1 ) an d   Equati on  (8)  are  com b ine d  into a n e w t en-di men s ion a Duffing-Lo ren z -Sp r ott J co mp lex hyperchaotic  system Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       High -Dim en si onal Chaoti c  System  and it s Circuit Sim u lation (Jian m ing Liu)  4535      p s pr s q q p r kpr r jq q hr p gx w w f u ev v v u bz xy z y xz cx y w dzs x y a x 2 3 cos                                                                                                           (9)    The pa ramet e rs a ~ j a r e re al con s tant s.    6.2. L y apuno v  Exponent Analy s is   Whe n  the init ial co ndition s are a = 1 0 , b = 8/3, c=2 8 , d = -2.5, e = 0.6,  f=-8, g = 28, h = 2, j=2,  k=-2, x=1, y=1, z=1, u=1, v= 1, w=1, p=1, q=2,  r=1, s=1 and dt=0 .005,  the Lyapunov expon ent  are 0.622, 0.366,  0.1 16,  0 . 033 -0.3 64,  -1.02 6 , -0.92 6 , -1.84 6 , -2.727  and  -1 1.107. Sin c e th ere   are fou r  po sitive Lyapunov  expone nts, the  system i s  in  the hypercha o tic state.     6.3. The Circ uit Simulation   Becau s of the limit of si mulation exp e rime n t, the output of the  simulatio n  circuit i s   diminished 1 0  times. The  circuit of SC2 is oppo si tio n  circuit. The  circuit of SC1 is prop ortio n   amplificatio n circuit  an integral circuit. The  ci rcuits o f  SC2 and S C 1 a r sho w n in Figu re 5 ( a)- (b).         (a)       (b)   Figure 5. The  Internal Co n nectio n  Pict ure of the Sub-circuit. (a )SC1,(b)S C 2       W i s  dimi nish ed 2 0  time s.  P, q and  r  are en han ced   2 times. B a sed o n  the  Mu ltisim 7,  the simulatio n  circuit of Equation (9 ) is  shown in Figu re 6.    50k 33. 33n F 100k IO1 IO 2 100k 100 k IO1 IO2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4530 –  4538   4536     Figure 6. The  Simulation Circuit   sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 50 k 10 k 80 k 10k Y X 13 k 1 0k¦ ¸ Y X 100 ¸ V = co s ( 20 * V (1)) V(1 ) V(2 ) V(3 ) V(4 ) I(V5) I(V6) 7. 14 ¸ Y X Y X 10 0k ¦ ¸ 100 k 1 00k 1 0k¦ ¸ 37 . 5 k Y X sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc1 IO1 IO 1 IO2 IO2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 sc2 IO1 IO 2 5 0k¦ ¸ 1 00k ¦ ¸ 1 00k 50 k 1 00k ¦ ¸ 2 00k 1 00k ¦ ¸ 10 0k ¦ ¸ 2 00k 1 00k ¦ ¸ Y X Y X 12 . 5 ¸ x y z u v w p q r s Y X Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TEL K         6.4.  T   K OM NIKA    The outp Figure 7.  T T he Time-d o The time - (a)   High -Di m ut s o f  the si m (a)    (c )    T he  Outputs  o main Test  - d o m ain wa v Figure  e-I m en si onal  C m ulation circ u                                                     of the Simul v efo r ms of t h   8. System  T SSN: 2087 - 2 C haoti c  Syst e u it ar e   s h ow n                                                                             (e)   ation Circuit h e sim u lation     (b)   T ime-d o m ain s   2 78 X e m  and its C i n  in Figure  7                                                       (a ) x - y , (b) z -  ci rcuit are  s s  (a)t -x (b)t - i rc uit Simula t 7 ( a )- (e) .              (b)          (d)    - u,(c) p-q,(d ) s ho wn in  Fig u u, (c )t-p     t ion (Jianm i n )  r- s,(e v - w   u re 8( a) -(c) .   (c )     n g Liu)  4537     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4530 –  4538   4538 7. Conclusio n   No w, the p opula r   re se a r chi ng di re ction of ch aoti c  syst em is to desig n highe r- dimen s ion a l hypercha o tic system. Th e five-dim en sion al co mpl e x hypercha o tic syst ems have   been b u ilt by adding  state feedba ck controller.  I n  this pa per, there are three n e six- dimen s ion a compl e x hyp e rchaoti c  sy stems a nd  a new  te n-di me nsio nal comp lex  hypercha o tic  system to b e  found.  Wh en combini n g the lo w- di mensi onal chaotic syste m   and  the Duffing   cha o tic  syste m  to ge nerate high -dim en sion al  compl e x hyperch ao tic sy stem, th e ne combi n ing   regul arity is found. T he  re sult of thi s  stu d y w ill lay the  foundatio n to  desi gn  a vari ety of new  hi gh- dimen s ion a l complex hype rcha otic sy ste m s in the futu re.   The exp e rim ents of th e si mulation  circuits  a r e d e si g ned a nd te sted. The  outp u ts of the   simulatio n  ex perim ents  co nfirmed the  perfo rman ce  and effective ness of the  desi gne d hig h - dimen s ion a l compl e hyp e rchaoti c  system s.  The   resea r ch o n  high -dim en sion al  compl e hyperchaotic system  and its  circuit i m plementa tion will  have i m portant si gnificance for the   desi gn of communi catio n  equip m ent , electro n ic   equipm ent, electri c al  system and ch aotic  encryption sy stem in the fu ture.       Ackn o w l e dg ments   The autho rs wish to thank  the engin eers of  the Key L aboratory of Indu strial Co mputer  Control Engin eerin g of Heb e i Province. This  work wa sup porte d by the 2012  Nat u ral Sci e n c Found ation of  the Hebei Province, China .  ( F2012 20 3 088 ).       Referen ces   [1]    W e ijia n R en,  Cha oha i K ang,  Yin g y in Li, L i ying  Gon g . C haotic  Immune  Genetic  H y br i d  Al gorith m s   and Its Applic a t ion.  TELKOMNIKA.  2013; 11 (2): 975-9 84.   [2]    Wu Zhu, Qi  Ding, Weiy Ma, Y Gui,  Huaf u  Z han g.  Rese arch  on  Hig h F r e que nc y Ampl itud e   Attenuatio n of Electric F a st T r ansi ent  Gener ator.  TEL K OMNIKA . 2013; 11 (1): 97-10 2.  [3]    T edd y  Ma ntor o, Andri  Z a ka ri ya. Secur i n g  E-mail  Com m unic a tion  Us ing  H y bri d  Cr ypt o s y stem o n   Andro i d-b a se d Mobil e  Dev i ces .   TEL K OMNIK A . 2012; 10( 4): 827-8 34.   [4]    Gao Qian g, Yan H ua, Ya ng  Hon g y e. T he Rese arch of C haos- base d  M - ar y  S p re adi ng  Sequ enc es .   TEL K OMNIKA . 2012; 1 0 (8): 2 151- 215 8.   [5]    Z hang W e i. T he Electrom ag netic Interfere n ce  Mod e l An al ysis of the Po w e r S w itch i ng Devic e s.   TEL K OMNIKA . 2013; 1 1 (1): 1 67-1 72.   [6]    Jinh ui S un, Ge ng Z h ao,  Xufe i  Li. An  Improv ed P ubl ic Ke Encr yptio n  Al g o rithm Bas e d  o n  Ch eb ys hev   Po ly no mi al s.  TEL K OMNIKA . 201 3; 11(2): 86 4-87 0.  [7]    Li Hu aqi ng, Lu o Xi ao hu a, Da i Xi an ggu an g. A h y perch aotic  s y stem an d its s y nc hron ism  projecti on .   Acta Electronic a  Sinic a . 200 9; 37(3): 654- 65 7.  [8]    Han F e n g , T a n g  Jiash i . D y na mical Be havi o r s   of F i ve dimensio nal C ontrol l ed C haotic S ystem.  Journ a l   of dyna mics a n d  control . 20 10 ; 8(3): 250-25 3 .   [9]    Hua ng  Lu, T ang Jias hi. A nal ysis of C i rcuit R ea liz atio n a n d   Contro lli ng M e thod  of the  F i fth Dim ensi o n   Chen Sy stem.  Journ a l of Hai n an Nor m al Un i v ersity . 2011; 2 4 (3): 283- 28 7.  [10] Nie Ch un yan. Cha o  s y st e m  and  w e ak si gna l check. Bei jing: Qin g h ua  Press. 2009: 9- 21.   [11] Yu W B . Experime n t an d Anal ysis  of Cha o tic  Comp utati on. Beij ing: Sc i ence Press. 2 0 08: 26-3 9 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.