FPGA implementation of a chaotic attractor based on the structure with negative resistance using a modified ANISHCHENKO-ASTAKHOV model
DOI:
https://doi.org/10.31649/1681-7893-2025-50-2-311-321Keywords:
FPGA, chaotic attractor, negative differential resistance, modified Anishchenko-Astakhov model, Verilog, Euler methodAbstract
The article presents a simple and reproducible hardware implementation of a chaotic attractor based on a structure with negative resistance implemented using a modified Anishchenko–Astakhov model on an FPGA with single-cycle integration by the Euler method. At the preparation stage, Python modeling was performed to select parameters and an integration step that ensure a stable chaotic regime. Nonlinearities of the model of a chaotic attractor based on a structure with negative resistance were hardware-accounted for. The system clock of 50 MHz is divided into working 5 MHz, which corresponds to the long critical path of the combinatorial circuit and simplifies timing-closure for educational and demonstration purposes. Comparison of hardware samples with the reference software model confirmed characteristic phase portraits, stable update latency, and preservation of chaotic properties at the declared frequencies. The proposed architecture serves as a “baseline” for further acceleration: partial pipeline of individual operations, increasing bit depth and transition to higher-order methods, as well as for integration with real-time data acquisition interfaces.
References
Migwi, D.; Romaniuk, R.S. Lightweight and Scalable Security for Wireless IoT Systems: Challenges and Research Directions. Int. J. Electron. Telecommun. 2025, 71, 1–8.
Ullah, S.; Radzi, R.Z.; Yazdani, T.M.; Alshehri, A.; Khan, I. Types of Lightweight Cryptographies in Current Developments for Resource Constrained Machine Type Communication Devices: Challenges and Opportunities. IEEE Access 2022, 10, 35589–35604.
Babajans, R.; Cirjulina, D.; Kolosovs, D. Field-Programmable Gate Array-Based Chaos Oscillator Implementation for Analog–Discrete and Discrete–Analog Chaotic Synchronization Applications. Entropy 2025, 27, 334. https://doi.org/10.3390/e27040334
Kennedy, M. Chaos in the Colpitts oscillator. IEEE Trans. Circuits Syst. I Fundam. Theory Appl. 1994, 41, 771–774.
Hussain F., Hussain R., Hassan S.A., Hossain E. Machine Learning in IoT Security: Current Solutions and Future Challenges. IEEE Commun. Surv. Tutorials 2020, 22, 1686–1721.
Fu, Y.; Yu, Q.; Li, H. Design of a Differential Chaotic Shift Keying Communication System Based on Noise Reduction with Orthogonal Double Bit Rate. Appl. Sci. 2024, 14, 10723. https://doi.org/10.3390/app142210723
Ma, X., Lin, F. & Yao, B. Fast parallel algorithm for slicing STL based on pipeline. Chin. J. Mech. Eng. 29, 549–555 (2016). https://doi.org/10.3901/CJME.2016.0309.028
Orlandić M, Fjeldtvedt J, Johansen TA. A Parallel FPGA Implementation of the CCSDS-123 Compression Algorithm. Remote Sensing. 2019; 11(6):673. https://doi.org/10.3390/rs11060673
Capligins F, Litvinenko A, Kolosovs D, Terauds M, Zeltins M, Pikulins D. FPGA-Based Antipodal Chaotic Shift Keying Communication System. Electronics. 2022; 11(12):1870. https://doi.org/10.3390/electronics11121870
Çiçek, S.; Kocamaz, U.E.; Uyaroğlu, Y. Secure Chaotic Communication with Jerk Chaotic System Using Sliding Mode Control Method and Its Real Circuit Implementation. Iran. J. Sci. Technol. Trans. Electr. Eng. 2019, 43, 687–698.
Elsayed G. F. N. et al., FPGA design and implementation for adaptive digital chaotic key generator, Bull. Nat. Res. Centre, 47(1):122, 2023. DOI: https:’//doi.org/10.1186/s42269-023-01096-9
Beshaj L. et al., From Chaos to Security: A Comparative Study of Lorenz and Rössler Systems in Cryptography, Cryptography, 7(4):58, 2023. DOI: https://doi.org/10.3390/cryptography7040058
Choi, S.; Yang, H.; Noh, Y.; Kim, G.; Kwon, E.; Yoo, H. FPGA-Based Multi-Channel Real-Time Data Acquisition System. Electronics 2024, 13, 2950. https://doi.org/10.3390/electronics13152950
Muthuswamy, B.; Banerjee, S. A Route to Chaos Using FPGAs; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, 2015; Volume 16, ISBN 978-3-319-18104-2.
Damaj I, Zaher A, Lawand W (2024) Optimizing FPGA implementation of high-precision chaotic systems for improved performance. PLoS ONE 19(4): e0299021. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0299021
Semenov, A. Osadchuk, O. Semenova, O. Baraban, S. Voznyak, O. Rudyk, A. Koval, K. (2021). Research of Dynamic Processes in the Deterministic Chaos Oscillator Based on the Colpitts Scheme and Optimization of Its Self-oscillatory System Parameters. In: Radivilova, T., Ageyev, D., Kryvinska, N. (eds) Data-Centric Business and Applications. Lecture Notes on Data Engineering and Communications Technologies, vol 48. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-43070-2_10
Semenov, A. Semenova, O. Osadchuk, O. Osadchuk, I. Baraban, S. Koval, K. Baraban, M. (2021). Pulse and Multifrequency Van der Pol Generators Based on Transistor Structures with Negative Differential Resistance for Infocommunication System Facilities. In: Ageyev, D., Radivilova, T., Kryvinska, N. (eds) Data-Centric Business and Applications. Lecture Notes on Data Engineering and Communications Technologies, vol 69. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-71892-3_6
Osadchuk O.V., Osadchuk I.O., Skoshchuk V.K., Petrenko V.I. Deterministic chaos generator based on a bipolar field-effect transistor structure with negative differential resistance. Measuring and computing equipment in technological processes. 2025, No. 2. –P.240-249. https://doi.org/10.31891/2219-9365-2025-82-33
Downloads
-
PDF (Українська)
Downloads: 0
Published
How to Cite
Issue
Section
License
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
