（通信与信息系统专业论文）基于dcsk调制的混沌通信体制研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 摘要 无线通信在个人工作生活中的应用越来越广泛。然而以无线电磁波为 媒介传输信号的通信系统，都不可避免地会遭受到各种衰落，尤其多径衰 落的严重损害。如何提高传输信号的抗多径衰落性能，已经成为提高无线 通信质量的关键。f m d c s k ，即调频差分混沌移相键控，它无需知道信 道参数，并采用非相干解调。为解决多径衰落问题提供了一种简单易行的 思路和方法。 混沌信号，是一种对初值敏感的伪随机信号，它有着类似于白噪声那 样很宽的频谱。混沌信号还有着良好的自相关性。混沌调制的载波，采用 非周期混沌信号，同时接收采用非相干解调，避免了混沌载波的同步问题， 使得这一技术具有现实的可能性。混沌通信，不同于传统通信的地方就在 于调制方案采用的是差分混沌调制( d c s k ) 混沌调制兼有传统扩频与调 制综合功能，从而具有潜在的抗多径衰落的能力而且混沌信号的产生简 单，使得此种新技术易于硬件实现。 本文在介绍目前发现的抗多径衰落和误码性能最好的混沌调制即 f m d c s k 原理和性能上。通过设计与仿真揭示了该技术的本质和优势。 在此基础上分析比较两种差分混沌移相键控多址接入方案：w a l s h d c s k 多址接入方案和t l m a d c s k 多址接入方案。并通过实验仿真对比这两种 方案的性能优劣，实现复杂度等。最后给出f m d c s k 混沌调制与信道 编译码技术的适配性研究成果。上述研究内容对于未来无线通信系统，有 着积极的促进作用。 关键词l 混沌通信，f m d c s k ，w a l s h d c s k ，t l m a d c s k 重庆邮电大学硕士论文 a b s t r a c t a l t h o u g hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ni sf a s td e v e l o p e di no u rs o c i e t y ，t h e y a r ei n e v i t a b l yi m p a i r e db yf a d i n ge s p e c i a l l ym u l t i p a t hf a d i n gt h r o u g hw i r e l e s s r a d i ot r a n s m i t t i n gs i g n a l s t h eq u a l i t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n c a nb e i m p r o v e dt h r o u g ht h ea n t i - m u l t i p a t hf a d i n gp e r f o r m a n c e f m - d c s kw i t hn o n e e df o rk n o w l e d g eo ft h ec h a n n e l ，a d o p tn o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o n ，c a n p r o v i d eab r a n dn e w a n ds i m p l es o l u t i o nf o rf a d i n gp r o b l e m ac h a o t i cs i g n a li sap s e u d o r a n d o ms e q u e n c es e n s i t i v et ot h ei n i t i a lv a l u e ， w h i c hh a sab r o a ds p e c t r u ml i k eaw h i t en o i s e c h a o t i cs i g n a lh a sg o o d p e r f o r m a n c eo fb o t ha u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s s - c o r r e l a t i o n an o n p e r i o d i c c h a o t i cs i g n a ls e r v e sa st h ec a r r i e r ，a n dt h ea p p l i c a t i o no fn o n - c o h e r e n t d e m o d u l a t i o nf r e ei tf r o mt h es y n c h r o n i z a t i o np r o b l e m ，m a k i n gi tp o s s i b l ef o r r e a l i z a t i o n c h a o sc o m m u n i c a t i o ni sd i f f e r e n tf r o mt h ec o n v c n t i o n a l c o m m u n i c a t i o ni nt h a tt h ef o r m e ra p p l i e sac h a o t i cm o d u l a t i o n c h a o t i c m o d u l a t i o nh a sah y b r i df u n c t i o no fc o n v e n t i o n a l s p r e a ds p e c t r u m a n d m o d u l a t i o n ，t h u sh a v i n g ap o t e n t i a l c a p a b i l i t y o fa n t i m u l t i p a t hf a d i n g b e c a u s eo ft h es i m p l i c i t yo fp r o p o s e ds y s t e m ，i t se a s yf o ri m p l e m e n t a t i o n 。 ， i n t h i sp a p e rp r i n c i p l e so ff m d e s ki si n t r o d u c e d ，w h i c ho f f e r st h eb e s t r o b u s t n e s s a g a i n s tm u l t i p a t hf a d i n g u n d e rc h a n n e l i m p e r f e c t i o n s t h e m u l t i p l ea c c e s sc a p a c i t i e sb e t w e e nt w ok i n d so fc h a o s - b a s e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m sa r ef u r t h e ri n v e s t i g a t e da n dc o m p a r e d ，w h i c hu s ed i f f e r e n td c s k s c h e m e s ：t h ew a l s h - d c s ka n dt h e t i m e d e l a y b a s e dm u l t i p l e a c c e s s ( t l m a ld c s k s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h em u l t i p l ea c c e s sc a p a c i t yo f t h ef o r m e ri sb e t t e rt h a nt h a to ft h el a t t e ru n d e rv a r i o u sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n e n v i r o n m e n t s i ti sf o u n dt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef o r m c ri sn o ta f f e c t e db y t h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fu s e r sw h e nt h ee m p l o y e dw a l s hs e q u e n c ei s l o n ge n o u g ha n di se a s i e rt oi m p l e m e n ta sc o m p a r e dt ot h el a t t e r f i n a l l yt h e a d a p t a b i l i t yb e t w e e nf m d c s ka n dc h a n n e lc o d i n go v e rf a d i n gc h a n n e l si s g i v e n t h e s ew o r k i n ga r eg o o df o rw i r e l e s st r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：c h a o sc o m m u n i c a t i o n ，f m d c s k ，w a l s h - d c s k ，t l m a d e s k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庆 鲣电太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：多i 劫彳 签字日期： 。7 年臼，。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆韭虫太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重鏖整电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：却焉冲孳 导师签名： 签字日期： 涉此 0 7 引月i 汨钟醐2 节6 舭日 重庆邮电大学硕士论文 第一章数字通信基础 第一章数字通信基础 1 1 数字通信系统结构 数字通信系统的目标是尽量有效可靠的从一个数字信息源( 如计算 机、数字化的语音或视频) 传输信息到一个接收端。 首先将数字信息映射成一系列信码，这个过程称为编码，包括信源编 码和信道编码。信源编码是为了提高信息的传输效率而采用数据压缩编 码，同时为了增加端到端的安全性而采用数据加密编码。信道编码是在传 输的码序列中引入一定算法的冗余度，用来减小在接收端误判的概率。 经过编码的信息序列又用于改变一个模拟电磁波( 载波) 的某些特性， 如幅度、相位、频率等，这个过程称作调制。调制总是必需的，因为所有 实际的通信信道都是带限的模拟信道，不能直接传输数字信号。具体来说， 调制就是将一个信码变换成一个适于传输的模拟波形。一般的数字调制包 括幅移键控( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) ，相移键控( p h a s es h i f tk e y i n g ， p s k ) ，频移键控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) ，连续相位调制( c o n t i n u o u s p h a s em o d u l a t i o n ，c p m ) 和幅度相位键控( a m p l i t u d ep h a s ek e y i n g ，a p k ) 。 其中，信码分别和一正弦载波的幅度、相位、频率、相位和相位转变、及 幅度和相位对应l lj 。 在扩频通信中，调制后的信号还要经过一个速率更高的扩频码作用， 再送入信道传输，扩频在窄带通信中是没有的。当然，实际通信里可能有 多个用户同时发起通信，所以还要采用多址接入技术。信道是一个物理媒 体，载信模拟波形通过它从发送端到达接收端。在实际信道中，模拟信号 不可避免的会受到各种线性和非线性机制的损害：衰减、扩散、码问干扰、 互调干扰、p m a m 和a m p m 转变、噪声、干扰、多径效应等。因而接收 端从来不可能精确的接收到发送的信号。 在接收端，待接收的信号要相应做多址解复用、解扩、解调、译码， 这样信息才能恢复。接收端的多址解复用是为了把该用户的信息从多个用 户的叠加信号中分离出来解扩是为了把经展宽的信号恢复成原来的窄带 信号。解调器的作用就是从接收到的已损模拟信号中估计出一个传输码序 列。信道解码器的作用是从估计的码序列中重构原始的比特流。因为在实 重庆邮电大学硕士论文 第一章数字通信基础 际通信信道中的干扰，无差错的传输是从来不可能的。 由于实际需要传输的都是模拟信号，所以在上述数字通信系统的两端 还分别加有格式化模块，通过模数和数模转换器等实现数字和模拟信号 之间的格式转换。 混沌通信，有别于传统通信，体现在调制采用的是混沌调制方案。它 因为其具有潜在的抗多径衰落的优异能力而被提出来【2 1 。有关混沌、混沌 调制、混沌通信的概念和原理将在后续章节里详细阐述。在目前提出的所 有混沌调制方案中，f m d c s k 表现出最佳的抗噪声和抗多径衰落性能l 引， 故成为本文研究关注的重点。 由于f m d c s k 最早是作为一种能有效对抗多经衰落的调制技术提出 来的 4 1 ，所以接下来首先阐述调制解调的一般原理和方法。从后续的研究 探讨过程中，我们还将看到，f m d c s k 不是一种单纯的调制技术，而是 一种调制与扩频相结合的技术【5 1 。 1 2 调制解调原理 1 2 1 调制性能量度及因数 在数字通信系统中，主要的错误来源于模拟信道。数字通信系统的基 本问题之一是在确保相应的误码率情况下尽量减小传输一比特信息所需 要的能量。 数字通信系统的性能用误比特率( b i t e r r o r r a t e ，b e r ) 来量度，它给 出了接收到的比特流中错误比特的概率。总的来说，它取决于所采用的编 码方式、调制方式、发送功率、信道特性和解调方式等。传统用b e r - - e b n o 图形表示加性高斯白噪声( a d d i t i v ew h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 线性 信道的性能。其中，历是每比特能量，o 是信道引入的噪声功率谱密度 对于给定的背景噪声，可以通过增加每比特能量来减小b e r 。发送更大的 功率或增加每比特时问都可以增加每比特能量。数字通信的挑战就是使用 尽量小的每比特能量来达到一个特定的b e r 。更深远的要考虑频带利用 率，它定义为数据传数速率r 与信道频带宽度的比： 叩- r w 【b i t s h z l ( 1 1 ) 在调制方式的选择上，就要考虑上述两个方面的因素。 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章数字通信基础 1 2 2 基本函数法 调制是将码元映射为模拟波形 “信号集”的元素( r ) 的过程。信号 s 。( r ) 通过模拟信道传输，那里它可能变形失真，同时还伴随有噪声存在 解调是将接收到的信号，。( f ) ( 一个受损模拟波形) 映射回码序列的过程 正交基本函数 让s m ( f ) ，m - - 1 ，2 ，m 代表信号集的元素。我们的目标是尽量减少基本函 数的数目，在接收端必须知道基本函数来实现解调。我们引入个实值正 交基本函数： 毋，j = 1 ，2 ，其中f g j ( f ) g ，( t ) d t - 怯是 ( 1 2 ) r 表示码元持续时间。信号集的每个元素都能被个基本函数的线性 组合所表示： s 。再o ) ，朋= 1 ，2 ，m 其中m 。传统的数字通信系统使用正弦基本函数， 是正弦函数积分对( 正余弦函数对) 。 信号集产生 ( 1 3 ) 最常见的情况 系数5 州可以看作是一个维信号向量的第，个元素进来的比特 流首先经编码变换成码序列；信号向量元素由码元决定。待传输的信号( f ) 通过基本函数的加权和产生。 g 。( f ) g o ) s 啉n o ) 图1 1 信号集产生的方框图 3 重庆邮电大学硕士论文 第一章数字通信基础 信号向量的相关恢复 因为基本函数是正交的，如果接收端知道每个基本函数的话，信号向 量的元素可以从信号集的元素中恢复，如从接收信号，即 一f ( f ) g j ( o d t ，m = 1 ，2 ，m ，j = x ，2 ，n ，m ( 1 4 ) 因此，解调器可以看作一组个相关器，每个相关器恢复基本函数g ( r ) 的加权晰。由于在信号向量和码元之间存在一一映射，传输的码元能够 通过相关器输出的后续处理中得以恢复，于是解调的比特流得以再生 o ) g o ) 乙1 图1 2 信号集恢复的方框图 正交基本函数的带宽效率 高的频带利用率需要大的信号集。使用正交基本函数的主要好处 是，可以通过较少的基本函数产生大量的信号集。典型地，正弦函数积 分对( 正余弦函数) 用作基本函数集由于正弦信号的积分一余弦信号 可以用一个简单的移相器产生，那么在接收端只需要知道或恢复一个正 弦信号即可。 相干和非相干接收 相干接收： 在接收端，所有的基本函数都能精确知晓的称为相干接收。实际中， 相干相关接收几乎无一例外的用于解调a s k ，p s k 和它们的特殊情况， 如四进制相移键控( q p s k ) ，多进制相移键控( m p s k ) 和多进制正交调 幅( 肘q a m ) 信号 4 重庆邮电大学硕士论文第一章数字通信基础 一般认为。相干接收优于非相干的主要在于在有加性信道噪声的情况 下性能更好。相干技术的实际好处不是更好的噪声性能，而在于较少的正 交基本函数可以产生大量的信号集。这样巨大的信号集可以带来非常好的 频带利用率。再者，接收端只需从接收到的信号中恢复一个正弦信号即可。 非相干接收： 在传输条件恶劣的应用中，基本函数g ，( f ) 不能从接收到的信号中恢 复。传统的解决办法是用多进制频移键控( 胛s k ) 调制和非相干接收。 对于非相干技术，它提供两个优于相干检波的优点： 1 ) 当传输条件恶劣，r i ( t ) 与s ，( f ) 相差太大，基本函数不能从接收到的信 号中恢复。在这种情况下，非相干接收是唯一可行的办法。 2 ) 原则上，非相干接收可以用非常简单的电路实现，因为不需要恢复 基本函数。 5 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 第二章混沌通信基础 2 1 混沌通信背景 八十年代以来，国际上混沌通信理论与技术的形成和发展主要经历了 具有历史意义的三件大事：1 9 8 3 年，蔡少棠教授首次提出了著名的蔡氏电 路，它是迄今为止在非线性电路中产生复杂动力学行为的最有效而简单的 混振电路之一。通过对蔡氏电路参数的改变，可产生从倍周期分岔、单涡 卷、周期3 到双涡卷等十分丰富的混沌现象，从而使人们能从电路的角度 较为方便地对混沌机理与特性进行研究；1 9 9 0 年，美国海军实验室研究人 员p e o o r a 和c a r r o l l 首次利用驱动响应法实现了两个混沌的同步，这一突 破性的进展，使混沌理论应用于通信领域成为可能；1 9 9 1 年以后至今，在 国际上相继提出了各种混沌通信制式及其理论与方法，由此使混沌通信成 为现代通信领域的一个新的分支，随着混沌通信的进一步完善与发展，它 将成为本世纪通信技术的一个重要方向。 按目前国际国内的研究水平，将混沌通信主要划为四大类：混沌扩频； 混沌键控；混沌参数调制；混沌掩盖。前三类属于混沌数字通信，最后一 类属于混沌模拟通信。此后，如何围绕这四大类混沌通信体制进行理论分 析、仿真和实验研究，已成为信息科学界关注的热点之一在这四大类混 沌通信体制中，c s k 等一大类混沌键控占有重要的地位，具有较大发展前 景与应用价值，主要包括有c s k ，c o o k ，d c s k 和f m d c s k 等。其中， f m d c s k 的抗多径衰落和抗干扰的优越性最为明显。 l 2 2 加载混沌信号的数字通信 在传统数字通信系统中，待传输的信息码元被调制器映射成一个简单 的模拟函数，然后经过一个模拟信道。信道中的模拟信号会遭受大量的干 扰影响包括衰减、带通滤波器和加性噪声。解调器的作用是在接收到的受 损的抽样函数的基础上判决传输的正确码元。 混沌信号，是一种对初始条件极为敏感的，看似不可预测，其实可以 被数学方式描述的伪随机信号，它具有类似高斯白噪惠的很宽的频谱，是 一种扩频宽带信号。因为它的宽带本质，采用混沌信号作为基本函数的调 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 制方式比基于正弦函数的调制方式在抗多径传输的能力上有潜在的优越 性 由于混沌波形不是周期的，持续时间r 的每个抽样函数都不相同。这 有个好处，每个传输码元用唯一的一个模拟抽样函数表示，混沌抽样函数 之间的相关性就很低。对比周期信号，混沌信号和自身的相关性迅速衰减， 而且通过不同混沌电路产生的混沌信号几乎都是正交的。这意味着两个不 同步的混沌电路( 由不同初始条件或有着不同的电路) 参数产生的混沌信号 的相关性和干扰很低。而且混沌信号的产生是非常容易的，只需要一个简 单的非线性器即可。常用的混沌发生函数有：b e r n o u l l i 映射、l o g i s t i c 映 射、c u b i c 映射等。混沌通信，是调制方案采用混沌调制的数字通信系统。 所谓混沌调制，就是载波或者说基本函数是由混沌信号来担当的调制方 案。混沌通信的提出，为无线移动通信受到多径衰落困扰的问题，提供了 新的解决思路。 2 3 混沌通信系统 混沌数字调制是将码元映射成模拟混沌波形。在混沌位移键控c h a o s s h i f tk e y i n g ( 简称c s k ) 中，信息加载于基本函数的加权组合。差分混沌 位移键控d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ( 简称d c s k ) 是c s k 的变体， 它的信息是载于基本函数不同部分的相关性上。 注意到混沌通信中每个基本函数的形状不是固定的。这就意味着，即 使传输相同码元，通过信道的信号集元素在每个码元周期r 都有不同的形 状。所以传输信号永远不是周期的，这样每比特能量就不恒定，而是随机 变化的，需要一定的时间来估算每比特能量的统计特性。 2 3 1 一个基本函数的o s k 一个基本函数c s k 的调制 在最简单的混沌位移键控的情况中，使用一个混沌基本函数晶o ) ，即 o ) - 。( f ) 7 ( 2 1 ) 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 。q 多一( f ) 3 g ，o ) 图2 1 一个基本函数的c s k 调制器 1 ) c h a o so n - o f fk e y i n g ( c o o k ) 混沌通断键控： 信码“1 ”用墨( f ) - 画。( f ) ，信码“0 ”由h ( t ) - 0出。其中，毛代 表每比特的平均能量，我们假设信码“1 ”和“0 ”是等概率的。 2 1u n i p o d a lc s k ： 信码“1 ”和“0 ”通过分别传输比特能量岛。和毛：- w 。来区分，其中 0 t 七t 1 。假设信码“1 ”和“0 ”的概率相等，每比特能量为岛。那么信码 “1 ”用毛( f ) 一日1 9 1 ( f ) 表示，信码“o ”由屯p ) 一屯p ) ，其中。一2 毛( 1 + 七) ， 3 ) a n t i p o d a lc s k ： 信码“1 ”和“0 ”分别由墨( f ) - 墨。毋o ) 和s e ( t ) 一畅g ，( f ) 表示，其中s t 。厄， 一瓦。 理论判决门限 图2 2 a n t i p o d a lc s k 调制的信号空间图 每种调制方式的噪声性能上限由信号空间图的信息点之间的间距决 定。间距越大，噪声性能越好。所以最好的噪声性能是d n t i p o d a l 调制方式。 一个基本函数c s k 的解调 在c s k 接收端，系数黾。和可以通过相干或非相干技术得以恢复。 8 重庆邮电大学硕士论文第二章混沌通信基础 相干相关接收：如图2 3 所示，在相干相关接收中，观察信号 ，- f o ) g ，( t ) d t - ，j ；爵o ) 出一， o ) g 。o ) ( 2 2 ) 图2 。3 个基本函数的c s k 信号的相干接收 如果乙，) 矗，判决电路决定信码“1 ”；反之，判决电路决定信码“0 ”。 其中，玉是这种调制方式一个适当的门限。 如果基本函数g l ( f ) 能从接收信号o ) 中恢复，这种接收结构可以用于 解调c 0 0 k ，u n i p o d a lc s k ，a n t i p o d a lc s k 。 但实际上，由于混沌信号对初值很敏感的特性，在接收端精确恢复混 沌基本函数和保持混沌基本函数的精确同步，都非常困难，所以，人们寻 求一些性能上次优但容易实现的非相干解调的方法。 非相干接收；在c o o k 和u n i p o d a lc s k 调制方式中，两个信码的比特 能量不相同。非相干解调器决定了接收信号的每比特能量。注意到解调器 包含一个相关器，不过在这种情况下，接收信号( f ) 是和它自身相关，而 不是和恢复的基本函数晶( f ) 相关。 观察信号由下式给出： ”辱丽- 腼制历丙一i s ，卜3 ， 其中晴g ；( f ) 叫1 1 艺o ) 图2 4 个基本函数的c s k 的非相干接收 这种接收结构也适用于c o o k 和u n i p o d a l c s k ，但因为i i 函数，它不 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 能用于恢复l 的反，因此不适用于解调a n t i p o d a lc s k 2 3 2 两个基本函数的c s k 两个基本函数c s k 的调制 因为独立调制接收端混沌基本函数的精确恢复和同步的困难，人们提 出了另一个采用两个基本函数的相干二进制c s k 通信方式。 在这种情况下，信号集的两个元素由下式给出： ( f ) 一。g 。o ) + 据：( f ) ( 2 4 ) 翰( f ) 图2 5 两个基本函数的c s k 调制器 有种c s k 的特殊情况叫混沌交换( c h a o t i cs w i t c h i n g ) ，信号集元素是 基本函数的加权。传输的抽样函数墨o ) - & ，g 。o ) 和s 2 0 ) - 9 2 ( f ) ( 分别代表 信码“1 ”和“0 ”) 是两个自激混沌信号发生器的输出，混沌信号发生器 产生基本函数9 1 0 ) 和9 2 0 ) ，且满足： 自相关：e 顷爵( f 冲卜1 ，占听g ；o ) 州- 1 ， ( 2 5 ) 互相关：e f og 。( t ) g ：( o d t 一0 。 ( 2 6 ) 信号向量瓴。) 一( 瓦o ) 和o ：。屯) 一( o 厄) ，其中，毛表示平均 比特能量。 1 0 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 i m i z 理论判决门 信息“0 ” 爵， 7 压 ，信息“1 ” 乙】 图2 6 相干混沌交换的信号空间图 注意到两个信息点的几何距离是芝i ，比一个基本函数的a n t i p o d a l c s k 的距离小。这表示在同样条件下，相干混沌交换的噪声性能比 a n t i p o d a l 调制方式差大约3 d b 。 两个基本函数c s k 的解调 艺( f ) 9 2 ( f ) 图2 7 两个基本函数的c s k 信号的相干接收 相关接收用于恢复信号向量的元素$ m t 在这种情况下， 乙- 。- = ( f ) g t ( f ) d f j ：【- g l o ) + 2 9 2 ( t ) l g - ( t ) e t s , , l f og z ( t ) d t + g l ( f 括2 ( t ) d t 气2 一f os ( t ) 9 2 ( t ) e t 。j = i s 1 毋( f ) + 2 9 2 ( f ) 】9 2 ( f 一 ( 2 7 ) - - j ：g l ( t ) 9 2 ( ，) 出+ t ；( t ) d t 由于两式都包含基本函数的互相关和自相关，估算问题也将出现在两 1 1 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 个基本函数的c s k 的相干解调上。考虑到基本函数在均值上正交，则有 l 。l 2 。$ m 2 。 如果传输的是“1 ”： ”毛g ；( f ) d f - 厄，z 1 2m s l 2 f g 。( f ) d f - 0 ； 如果传输的是“0 ”： j ：晶( f ) g ：( 0 0 r - 0 ，一s 彳g ；o ) 出- 再。 假设基本函数在间隔【0 ，明上基本正交。 如果每个g j o ) 在每个码元间隔丁的自相关都比与另一基本函数的互相 关大，那么相关接收可用于确认信号集的元素。特别的，如果乙。，：， 判决电路判“1 ”，反之判“0 ”。 2 3 3 差分混沌位移键控d c s k 差分混沌位移键控( d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ，d c s k ) 是两个 基本函数的c s k 的一个变体。它的重要特点是基本函数由重复或相反的混 沌波形组成。这个特性意味着，除了相干相关接收外，简单的差分相干技 术能用于解调。 d c s k 调制 在二进制d c s k 中，和两个基本函数的c s k 最简单的形式一样，信 号集的两个元素同样可以由下式给出： ( f ) 。g l ( t ) + 2 9 2 0 ) ， 其中，。一( s l 。) 一“毛0 ) 和5 m i - ) - ( o 扭) ( 2 8 ) 在d c s k 中，基本函数有专门的形式： g 。( f ) + 去c 骱 吣“州2 + 击c ，2 ) ，t 2 t t 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 g ：o ) l 0 t t 2 r 2 t t ( 2 9 ) 其中，c ( t ) 是某种混沌波形。很容易验证式( 2 9 ) 给出的两个基本函 数满足式( 2 6 ) ，或者说9 1 ( f ) 和g ：( f ) 在周期t 内是互相正交的。要注意的 是，这种正交性并不是由混沌信号保证的，而是由w a l s h 函数保证的。因 此，d c s k 基本函数总是正交的。综合式( 2 8 ) 和( 2 9 ) 可以看出，已调 信号由两部分组成：混沌参考载波码片，和紧随其后的该混沌参考载波的 重复码片或相反，分别对应于待调制的数字信号为“1 ”或为“0 ”。由此， 我们可以看到，d c s k 调制，其实是把数字信号映射到了混沌载波前后码 片的关系上。调制过程的框图如下图所示。 待传输的数字信号6 m 图2 8d c s k 的调制框图 调信号 这里有一个多路开关，在前半个比特周期【0 ，2 2 】内，开关拨到最上 面，接通最上面的支路，让混沌载波直接通过。后半个比特周期i t 2 ，刀， 开关拨向哪里，取决于刀2 时刻传输的数字信号6 晨：如果屯为。1 ”，则开 关拨到中间；如果6 正为“0 ”，则开关拨向最下面，从而实现d c s k 调制。 d c s k 解调 像其他调制信号一样，d c s k 信号可以通过相干相关接收解调。d c s k 独有的信息映射于参考码片和载信码片间的相关性的特性，使得用差分相 干接收解调信号成为可能。这就避免了在接收端精确恢复和同步混沌基本 函数的困难。d c s k 的差分相干解调如下。 现 x o o 上厄上厄 + 一 重庆邮电大学硕士论文 第二章混沌通信基础 ；i 谳乏编i 图2 9 差分相干d c s k 接收的方框图 接收信号延迟半个比特时间，接收信号与延迟后的信号的相关性可以 决定在这种情况下， z _ - f ，2 s q ) s q t 2 ) d f 。f ，2 毛g 。( f ) g 。( f t 2 ) d f ( 2 1 0 ) 由于研c ，g ：( f ) 出】- 1 2 ( t 足够长) ，于是我们有毛一+ 毛2 和乞- 一毛2 。 判决传输的是哪个信码只要通过一个门限为0 的简单比较器即可实现。 理论判决门限 图2 1 0 差分相干d c s k 的信号空间图 d c s k 相对于c s k 的优点 d c s k 的优点源于它的信息载于参考码片和载信码片的相关性上所 以对信道失真不敏感，同时可用于时变信道，只要信道参数在比特持续时 间内恒定。还有，差分相干d c s k 在有噪信道中的性能对传输抽样函数的 确切波形不敏感，因为解调只与参考和载信码片间的相关性有关 1 4 重庆邮电大学硕士论文 第三章f m - d c s k 原理与性能 第三章f m - d c s k 原理与性能 f m d c s k 可以应用在如无限局域网、室内无线电和移动通信的特定 环境。在这些环境下，传输信号的功率谱密度要求足够低以避免与其他无 线电系统互相干扰，多径传播中的频率选择性衰落严重限制了远程通信系 统的性能。混沌通信则以非周期的混沌波形作为载波，大大降低了码元之 间的相关性，从而提高了信号抗干扰的能力，降低了误码率。而且，由于 混沌载波本身固有的宽带特性，在实际的应用中不需要附加的扩频技术， 这不仅大大提高了信号抗多径的能力，还减少了复杂度。随着无线通信对 传输环境的自适应要求的增高，f m d c s k ( f r e q u e n c ym o d u l a t i o n d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ) 作为一种扩频调制相结合技术，由于其抗 多径衰落的能力，在移动通信中占有日益重要的位置。 3 1f m d c s k 的现状及未来发展 3 。1 1f m d c s k 的现状 自从c s k ( c h a o ss h i f tk e y ) 提出之后，同步用于精确地再生混沌信 号。国际上提出了若干适应于通信领域的一致性同步的方法。主要有：驱 动一响应式( 主一从式) 同步、误差一反馈式同步、双向耦合同步又称相 互耦合同步) 、单向耦合同步( 又称连续控制同步) 和自适应同步等方法， 但是实现都比较复杂。为了解决混沌相移键控系统在接受端需要恢复出混 沌波形的困难，于是提出了d c s k ( d i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y ) ，但是由 于它每比特的能量不恒定，于是传输速率较慢，不能满足高速传输的要求， 于是，产生了f m d c s k ：这种系统每比特能量恒定，采用差分相干解调 使得接收端只需要分析收到的数据，就可以恢复发送端的发送信息，而不 需要恢复混沌载波波形。 3 1 2f m d c s k 的未来发展 f m d c s k 经过一段时间的发展，已经相对完善，台不但具有良好的抗 多径性能，而且在实现方面也颇为简单。然而现代通信对传输速率要求越 重庆邮电大学硕士论文第三章f m - d c s k 原理与性能 来越高的今天，f m d c s k 也要提高数据的传输速率来满足通信要求的需 要，基于c d m a 的f m d c s k 多址接入方式已经提出，在不增加f m d c s k 占用带宽的基础上，实现了该技术的多址接入方案。 3 2f m d c s k 原理 3 2 1f m d c s k 调制原理 在二进制d c s k 中，如两个基本函数的c s k 最简单的形式，信号集 的两个元素由下式给出； p ) - s m 。( f ) g 。1 0 ) + 。( f ) g 。2 0 ) ( 3 1 ) ( $ 1 1 8 1 2 ) = ( 历o ) 和( s 2 1 8 2 2 ) = ( 0 万) 。s m ( t ) 是调制后传输信号。 在d c s k 中，基本函数有专门的形式： 岛( t ) 一 9 2 ( t ) 一 + 去c ( t ) ， 州2 + 面1 c ( t - t 2 ) , t 2 t t + 去c ( t ) ， + 面。【2 ) - 7 嚣1 c ( t - t 2 ) ， 一面。 0 s t s t 2 t 2 s t 皇t ( 3 2 ) ( 3 3 ) 其中c ( t ) 是从混沌波形中得到的。前半个周期是载波波形，即是混沌载波 中截的波形，后半个周期是信息波形，即根据输入的信息对前半个周期的 波形进行变换后的波形。这就是d c s k 调制。由于可以从每个码片中直接 得到所承载的信息，所以我们可以采用非相干解调处理获得的波形信号。 e f o9 2 ( t ) d t - 1 ，e 听9 2 ( t ) d t 一1 ( 3 4 ) 和互相关( 正交性) ； e 晴g 。( f ) g ：( o u t = 0 ( 3 5 ) 满足时，就可以得到最佳的调制性能式( 3 5 ) 是容易满足的，这是由 w a l s h 序列保证的。但式( 3 4 ) 却因为混沌信号的非周期性和随机性难以 估计和保证，带来了每比特能量的估算问题。为解决估算问题，我们引入 重庆邮电大学硕士论文第三章f m - d c s k 原理与性能 f m d c s k 调制，即先对混沌信号进行模拟调频，再将调频后的混沌信号 作为载波进行数字调制。由于周期的正余弦信号的每比特能量容易估计， 所以f m d c s k 可以保证每比特能量恒定，式( 3 4 ) 得以满足。这样的调 制方式就是f m d c s k 调制。 已调信号 h - 特传输的萎字信息 图3 1f m d c s k 的调制原理框图 混沌发生器用来产生混沌信号。混沌信号将被f m 调制器处理之后， 作为信息码元的载波波形。 f m 调制器是把混沌发生器产生的混沌信号搬移到高频上以利于无线 传播，以及保证每个比特码元的能量恒定。 从延时t 2 直到调制完成，属于d c s k 调制，其作用是把要传输的数 字信息b 。调制成为可以发射的信号。其原理为：调制的时候，每个码片 的前半个周期接收经过f m 调制出来的信号，后半个周期，则根据进入调 制的信息是“0 ”或者1 而接入经过延时后反向或原向的信号。 3 2 2f m d c s k 解调原理 f m d c s k 将数字信号影射到每个比特周期前后两个半周期的相关性 上，于是可以采用差分相干解调，从而避免了同步问题。 其中，差分相干解调的原理为： z 。一2 【瓦( f ) + t i ( t ) l i m ( t t 2 ) + 】；i ( 卜t 2 ) d t - ( 一1 ) “+ t 2 毒2 ( f t 2 ) d f + 鼻2 五( f ) 6 0 t 2 ) d f + ( 3 6 ) ( 一1 ) 4 + 1 鼻2 6 ( f _ t 2 ) 疗( 卜r 2 ) d t + 2 疗( f ) 瘴( f t 2 ) d f 其中，z 。为接受到的信号，可以分解为四项之和。信号信息是第一项， 1 7 重庆邮电大学硕士论文 第三章f m - d c s k 原理与性能 第二、三、四项是干扰，但是第四项可以通过滤波器消除。因为 e 【c ，g ：( f ) 以】一1 2 ，于是有z 1 一十砀研眩一汤2 。于是可以简单地通过 其结果和0 的比较恢复出所传输的信号。 差分相干f m d c s k 的理论噪声性能【6 】： 燃一专唰一丽e 易，b 刍t - 1 掣蔷；( ，篇。1 ) 7 ， 噪声性能依赖于r f 带宽b r f ( 是信道滤波器带宽b 的两倍) 和比特 持续时间t 。t 越小，b 越小，噪声性能越好。当b t = i 时，它的噪声性能 达到最佳。 使用f m 混沌信号作为基本函数在改善混沌通信系统上还有重要影响： 当其被应用于无线通信时，接收端无需额外的r f 调制解调器。我们知道， 无线通信的电信号一定要先调制到射频( r f ) 段才能通过天线发射出去， 同样在接收端要先把接收到的r f 信号解调到中频或低频，再作其他处理。 而当采用f m d c s k 方案时，发射端可以在对混沌信号调频时就直接采用 频率在r f 段的正余弦信号，这样，f m d c s k 调制后的信号无需再刻意进 行r f 调制就可以直接通过天线发射到空中。从前面的叙述中可以看到， f m d c s k 的解调只需采用和d c s k 一样的差分相干检测就可以解调出原 始发送信号，而无需对f m 解调。这就意味着，f m d c s k 应用在无线通 信时，尽管空中传输的是r f 电信号，接收端根本无需额外的r f 解调器， 就可以恢复出发送的数字信号。这无疑将大大减少无线通信硬件实现的复 杂度。 图3 2f m d c s k 解调原理框图 信道滤波器把接收到的信号r m ( t ) f l 除一部分干扰噪声，以便更容易地 进行解调。后面部分是d c s k 解调部分，通过每个比特码元信号的前后半 个周期的相关性进行解调，即把前后半个周期的信号对应相乘，然后把各 重庆邮电大学硕