（电路与系统专业论文）基于混沌位置调制的超宽带脉冲无线通信系统研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

南京邮【u 大学硕二l 研究生学位论文摘要 摘要 近年来，超宽带( u w b ) 无线通信技术，特别是超宽带脉冲无线电技术( u w b i r ) 技术以 其传输速率高、功耗低、系统复杂度低、抗干扰强和抗截获能力强等优势，在通信领域中 得到了极大的重视与研究。混沌信号是一类确定性非线性系统产生的宽带类随机信号，这 为u w b 信号的产生提供了一种简单的方式：同时，两个相同的混沌系统通过耦合可以到达 同步，这为混沌系统用于u w b 通信系统提供了可能。目前，基于混沌系统的u w b 通信系统 的调制解调模式主要有混沌开关键控( c o o k ) 、差分混沌键控( d c s k ) 、混沌直扩( d c c ) 和混 沌脉冲位置调制( c p p m ) 。 本文主要研究混沌脉冲位置调制( c p p m ) 在超宽带脉冲无线系统的应用。论文首先简单 回顾u w b 技术的背景和现状，阐述u w b i r 技术的基本原理，随后对混沌系统和混沌通 信进行简要介绍。论文重点介绍混沌脉冲位置调$ ! j ( c p p m c h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 的工作原理，分析其实现方案及误码性能，并提出c p p m 混沌控制方案，以消除系统中可 能出现的发散，增强系统的稳定性。论文最后提出一种适用于超宽带通信的调制方案 定速率混沌脉冲位置调制技术( c c p p m ，c o n s t a n t b i t r a t ec h a o t i cp u l s ep o s i t i o n m o d u l a t i o n ) ，将混沌同步信息调制于脉冲序列问隔中，传输信息调制于基于同步信息的一 个新混沌脉冲间隔之中，从而使得系统的同步不受信息判决的影响。分析及仿真表明，与 c p p m 相比，该方案在不影响系统保密性的同时，获得了更好的传输性能。 关键词：超宽带混沌脉冲位置调制定速率混沌脉冲位置调制 南京邮电大学硕士研究生学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , u l t r a - w i d e b a n d w i d t h ( u w b ) t e c h n i q u eh a sr e c e i v e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n ，t h a n k s t oi t sa d v a n t a g e so v e rt r a d i t i o n a lc o m m u n i c a t i o n ，s u c ha sp o w e r f u lc a p a c i t y ，l o w e rs p e c t r a l d e n s i t y , s i m p l ea r c h i t e c t u r e ，c o m m u n i c a t i o np r i v a c ya n dd e s i r a b l em u l t i - p a t hp r o p a g a t i o n p e r f o r m a n c e m e a n w h i l e ，t h ei n t r o d u c t i o no fc h a o si n t oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m so f f e r ss e v e r a l o p p o r t u n i t i e sf o ri m p r o v e m e n t 。t h i si sp a r t l yb e c a u s eo ft h er a n d o mn a t u r eo fc h a o t i cs y s t e m s s i n c eac h a o t i cd y n a m i c a ls y s t e mi sd e t e r m i n i s t i c ，i t sr a n d o m - l i k eb e h a v i o rc a nb ev e r yh e l p f u l i nd i s g u i s i n gm o d u l a t i o n s m o r e o v e r , t h es i m p l i c i t yo fc h a o sg e n e r a t o ra n dt h er i c hs t r u c t u r eo f c h a o t i cs i g n a l sh a v ec a u s e das i g n i f i c a n ti n t e r e s ti np o s s i b l eu t i l i z a t i o no fc h a o si n c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s i nt h i s p a p e r , c h a o s b a s e du w b - i rh a sb e e ns t u d i e d f i r s t l y , t h eb a c k g r o u n da n d d e v e l o p m e n to fu w bt e c h n o l o g yh a sb e e nr e v i e w e db r i e f l y s e c o n d l y ，t h ec h a o t i cs i g n a l sa n d c h a o t i cc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ei l l u s t r a t e d t h i r d l y , i m p l e m e n t a t i o na n dp e r f o r m a n c e a n a l y s i so fc h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( c p p m ) a r ed e s c r i b e da n ds i m u l a t e d ，f o l l o w e db y c h a o t i cc o n t r o ls c h e m ep r o p o s e dt oi m p r o v et h es t a b i l i t yo fc p p ms y s t e m f i n a l l y , an e w a p p r o a c hf o rc h a o s - b a s e du w b i r ，c a l l e dc o n s t a n t - b i t - r a t ec h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( c c p p m ) ，h a sb e e nf i r s t l yp r o p o s e dt oo v e r c o m et h ep o s s i b l ed i s a d v a n t a g e so fc p p m t h e p e r f o r m a n c eo ft h i ss c h e m eh a sb e e nc h a r a c t e r i z e di nt e r m so f e r r o rp r o b a b i l i t yb yn u m e r i c a l l y s i m u l a t i o ni nt h e p r e s e n c e o fn o i s ea n d f i l t e r i n g i nb o t h s i n g l e u s e r a n dm u l t i u s e r c i r c u m s t a n c e s k e yw o r d s ：u w b ，c h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ( c p p m ) ，c o n s t a n t b i t r a t ec h a o t i cp u l s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ( c c p p m ) 南京邮电大学硕士研究生学位论文 前言 扮士 刖吾 近年来，随着制造公司对u w b 不断增长的兴趣及一系列国际化标准【l l 的出现，超宽 带( u w b ) 无线通信技术，特别是超宽带冲激无线电技术( u w b i r ) 技术在通信领域中得到了 极大的重视与研究【2 】【3 】f 4 1 。u w b i r 通信技术使用基带信号直接驱动天线输出方式，发送 宽度通常在0 2 0 , - - , 1 8a s 之间的脉冲信号，以获得很宽的相对带宽，覆盖无线系统的大部 分频段。与传统的无线通信系统相比，基于超宽带的脉冲无线系统传输速率高，功耗低， 具有极强的抗干扰、抗截获特性。 混沌是确定系统产生的类随机的不规则运动，它具有非周期、连续宽频带、类噪声和 长期不可预测等特点特别适用于保密通信、扩频通信、超宽带( u w b ) 通信技术等领域。 然而在以往提出的一系列混沌通信系统【5 】【6 l 中，混沌同步所需的同步信号和有用信号的带 宽相当宽，导致带宽利用率很低，而且对失真、滤波和噪声非常敏感，这些都使混沌通信 的实际应用受到了限制。 鉴于u w b i r 系统对失真、滤波具有较强的鲁棒性，许多人考虑将其和混沌有机结合 在一起，提出了一系列基于混沌脉冲的超宽带通信方案【7 】【8 1 【9 】【1 们。目前，基于混沌系统的 u w b 通信系统的调制解调模式主要有混沌开关键控( c o o k ) 、差分混沌键控( d c s k ) 和混沌脉 冲位置调制( c p p m ) 。 本文着重分析基于离散混沌序列的超宽带脉冲通信方案混沌脉冲位置调制 【7 】【8 i ( c p p m ，c h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 。文章分析c p p m 系统的基本原理、实现方 法和抗噪声性能，并提出针对c p p m 系统的混沌控制方案，最后提出一种新型可用于超宽 带冲激无线电( u w b i r ) 的通信方案定速率混沌脉冲位置调制技术( c c p p m ， c o n s t a n t b i t r a t ec h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l m i o n ) 。仿真和分析表明，在非理想情况下， c c p p m 具有比c p p m 更好的解码性能。 本文内容具体安排如下： 第一章介绍超宽带通信的基本概念、实现原理及其关键技术，并简单回顾u w b 技术 的背景和现状。 第二章概述混沌系统及其特性，并简单介绍目前混沌系统在通信系统中的应用状况。 第三章详细分析c p p m 方案的工作原理以及其收发装置的实现，分析系统的误码性能， 对c p p m 具体实现中的混沌控制问题提出相应的解决方案，并进行了系统仿真。 南京邮电大学硕，f j 研究生学位论文前言 第四章在前一章的基础上，针对c p p m 的不足，提出一种适用于超宽带通信的定速率 混沌脉冲位置调制技术( c c p p m ，c o n s t a n t b i t r a t ec h a o t i cp u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 方法， 提出具体实现方案，并分析其在单用户和多用户通信系统中的性能。 本文提出的c c p p m 方案在保留原c p p m 通信的保密性、频谱特征的基础上，较大地 提高了实际的解码性能。而且从硬件实现的角度出发，c c p p m 并没有太大地增加设计的 复杂性和功率的消耗，具有良好的使用前景。 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，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 含为获得南京邮电大学或其它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已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：j 丑翅日期：垄翌：乞凸 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：丑强 导师签名： 日期：继 南京邮电大：擎硕j ：研究生学位论文 第一章u w b 简介 1 1u w b 的基本原理 1 1 1 概念 第一章u w b 简介 超宽带( u w b ，u l t r aw i d eb a n d ) 这一名称来源于可在非常宽的带宽上传输的信号。超宽 带无线电技术指的是具有很高带宽比( 射频宽度与其中心频率之比) 的无线电技术。 2 0 0 2 年4 月美国f c c 给出了“超宽带的定义【1 1 】： ff 生学 o 2 ( 或l o d b 带宽 - 5 0 0 m h z )( 1 1 1 ) jc 其中，( 一无) 正为信号的相对带宽，厶和以分别表示信号最大发射( 包括天线的 影i 晌j ) l o d b 处的高端和低端频率，丘= ( 厶+ 五) 2 为信号的中心频率。 图l - 1 - i 超宽带信号与窄带信号的比较 “超宽带 只是从信号带宽的角度定义无线电信号的，因此有多种不同的实现方法。 迄今为止，超宽带无线通信按实现方式大致可以分为两大类：即脉冲无线电( i r ，i m p u l s e r a d i o ) 和多频段正交频分复用( o f d m ，o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。其中， 脉冲无线电技术是传统的超宽带技术，而多频带o f d m 技术则是采用o f d m 为核心的扩 频技术。近年来，还出现了许多新的技术i 眩】构造超宽带无线系统。 本论文采用的调制技术是脉冲无线电技术。图1 1 1 所示是超宽带信号与典型的传统 南京邮电火学硕：l ：研究生学位论文第一章u w b 简介 通信信号的带宽比较。 1 1 2u w b 的特点 一、u w b 的优点 与其他传统的无线通信技术相比较，基于脉冲的超宽带无线通信系统具有以下独特的 优点【1 3 】【1 4 1 ： 1 ) 处理增益高 超宽带无线电系统的处理增益主要取决于脉冲的占空比和发送每个比特所用的脉冲 数，故可得到比目前实际扩频系统高得多的处理增益。 2 ) 多径分辨能力强 由于常规无线通信的射频信号大多为连续信号，其持续时白j 远大于多径传播时间，故 多径传播效应限制了通信质量和数据传输速率。由于u w b 采用持续时间极短的窄脉冲， 其时间、空间分辨能力都很强，因此系统的多径分辨能力极高( 1 n s 脉冲的多径分辨率为 3 0 c m ) ，接收机通过分集可以获得很强的抗衰落能力。 3 ) 传输速率高 数字化、综合化、宽带化、智能化和个人化是通信发展的主要趋势。为确保提供高质 量多媒体业务的无线网络，要求系统信息速率不能低于5 0 m b i t s 。长期以来，人们花费了 大量的人力和财力用于研究信道容量的提高，但常规无线电的数据传输速率仍不能令人满 意。然而，超宽带无线电由于多径影响的消除使之可以传输高速率数据。 u w b 系统使用上吉赫兹的超宽频带，所以即使把发送信号功率谱密度控制得很低， 也可实现高达几十m b i t s 到几百m b i t s 的数据速率，能够适应趋势的发展。 4 ) 功率低，功耗小。 由于超宽带信号具有极低的辐射功率，且其频带极宽，故其功率谱密度极低，甚至低 于环境噪声电平，这使得超宽带通信系统具有低截获f 氐检测特性，也不会对现有的常规通 信系统产生不良的干扰和影响，可同与之共享频带的系统实现共存，从而使频；蒂资源得到 充分利用。低功率又意味着低功耗，非常适合移动通信设备的应用，也大大降低了对人体 的有害辐射。 5 ) 隐蔽性好 无线电波空间传播的“公开性”是无线电通信较之有线通信的固有不足。超宽带无线 通信发射的是占空比很低的窄脉冲信号，脉冲宽度通常在i n s 以下，射频带宽可达1 g h z 2 南京邮电人学硕士研究生学位论文第一辛u w b 简介 以上，且所需平均功率很小，信号被隐藏在环境噪声和其它信号中，难以被敌方检测。这 是超宽带无限通信较之常规无线通信最突出的特点之一。 6 ) 空问容量大 采用脉冲发送方式的超宽带无线电系统发送占空比极低的脉冲，采用跳时地址码调 制，便于组成类似于c d m a 系统的移动网络，且系统处理增益高，多径分辨能力强，这 使其用户数量可以大大高于c d m a 移动网络。 7 ) 穿透能力强。 在具有相同绝对带宽的无线信号中，u w b 脉冲的频率最低，因此它比毫米波信号具 有更强的穿透能力。实验系统证明，超宽带无线电具有很强的穿透树叶和障碍物的能力， 有希望填补常规超短波信号在丛林中不能有效传播的空白。 8 ) 结构简单，成本低。 在超宽带脉冲无线通信系统中，不存在基于正弦载波调制的无线通信系统所需的上、 下变频电路、中频电路和各种滤波器，实现比较简单，易于全数字化，因而成本低。 目前u w b 样品已经能够达n - 3 米范围内4 8 0 m b p s 传输速率、5 米内8 0 m b p s 传输速 率、1 0 米内1 1 m b p s 传输速率，而功耗仅仅只有7 5 n w 。这一功耗仅仅相当于普通无线设 备的背景噪声的水平。u w b 技术有望取代u s b 电缆，通过无线方式连接手持设备、数码 相机、摄像机、可拍照手机、消费电器、p c 机及周边设备和家庭娱乐设备等，可以下载照 片、音乐、视频，以及进行较大数据量的快速传输和交换工作。 二、u w b 的局限性 u w b 通信的应用存在着一定的局限性，主要体现在以下方面【1 3 】： 1 ) 干扰问题 u w b 使用的一个非常实际的问题就是干扰。直到目前为止，u w b 用非常宽的带宽来 收发无线电信号，而实际上并不存在如此之宽的空闲频带，总要有部分频带与现有无线系 统，如航空、军事、安全、天文等领域的无线系统使用的频带相互重叠，甚至会对g p s 等 其他窄带无线通信形成干扰。因此，目前u w b 只能得到有限的应用。 可以说，u w b 不是一项进行频带分配的无线技术，而是一项以共享其它无线技术使 用频带为前提的无线技术。u w b 对于窄带系统的严重潜在干扰仍在进一步研究之中。 2 ) 其他方面 u w b 由于脉冲持续时问短，故作为相关检测的接收脉冲需要精确的定位。另外，来 自板载的微控制器产生的噪声也是一个严重的问题，因为如果是传统的收发信机，只要抑 南京邮电大学硕：f - 研究生学位论文第一荤u w b 简介 制带外噪声就可以了，但对u w b 来说，这是不可行的。而且，与常规的无线通信系统 样，u w b 系统也需要在带宽效率，发送峰值功率、复杂度、灵活支持多速率和b e r 性能 之间取得平衡。 需要指出的是，u w b 并不是适用于所有应用的最佳设计。实际上，u w b 技术最适合 于拥挤的室内应用。 1 2 脉冲u w b 的实现 由于本论文中将分析的是基于脉冲无线电方式的超宽带混沌调制。故在此先对脉冲 u w b 无线电的实现作简单分析f 1 3 。 脉冲u w b 无线电是指采用脉冲作为信息载体的无线电技术，它通过对占空比很低的 窄脉冲( n s 级宽) 进行直接调制，以获得非常宽的带宽来传输数据。 1 ) 脉冲波形及其产生 从本质上讲，产生纳秒极( 1 0 9s ) 短脉冲的信号源是脉冲u w b 技术的前提条件。单个 无载波的窄脉冲信号必须具备两个特点：一是信号的波形为具有陡峭前后沿的单个短脉 冲，即具有很陡的上升和下降时间，二是信号包括从直流到微波的很宽的频谱。同时为了 使天线能将信号有效地辐射出去，所用的脉冲的频谱特性必须满足一定的要求不含直 流分量，低频分量少，信号能量主要集中在射频部分。 ( 1 ) 脉冲波形选择 目前，脉冲无线电采用的发射脉冲波形由很多种，从单高斯脉冲到其各次微分形式， 从单频段单脉冲形式到双频段、多频段多脉冲形式。这里简单介绍最简单、最通用的单周 期脉冲波形高斯脉冲信号。 基本高斯脉冲时域函数p ( t ) 表达式为： 1一上 p ( ，) = 焉二p 2 a 2 ( 1 - 2 1 1 ) z 7 c j 其中盯是表示形状的参数，和脉冲宽度有关。 考虑到去直流分量以及收发天线对超宽带信号的微分作用，在实际应用中，常使用高 斯脉冲的微分形式。图1 2 1 所示是基本高斯脉冲和各次高斯微分信号的时域波形。表l 。2 1 中列出了0 - - 3 次微分的高斯脉冲波形和功率谱密度的表达式。 南京邮电火学硕二i j 研究生学位论文第一章u w b 简介 1 厂r 1 _ 一一一一 0 5 _ 。l 一 2 j 1012 高斯脉冲l x1 0 9 、 卜_ 2 阶高斯脉冲，l 1 0 0 5 0 旬5 - 1 l 2j 一一一j- 1012 1 阶高斯脉冲，。x10 9 1 一一一 o 5 ； 0 卜 旬5 1 一+ 一一一。； 42024 3 阶高斯脉冲，t 1 0 9 图1 2 1 归一化的基本高斯脉冲和各次高斯微分信号的时域波形 表1 2 1 高斯脉冲的各次微分形式及其功率谱密度 上述脉冲时i 日j 是无限的，实际上不可能直接应用，必须截短。如何确定脉冲的宽度， 在不同的场合有不同的要求，一般进行理论分析时，使用含有9 9 9 脉冲能量的区间作为 脉冲宽度。定义脉冲宽度：f = k w o - ，_ r 满足： - 5 南京邮电火学硕士研究生学位论文 第一章u w b 简介 r 1 2 j p ：( t ) d t 二兰l 一9 9 9 ( 1 2 2 ) 、， f p ；( t ) d t ( 2 ) 脉冲的产生， 目前产生脉冲源的两类方法为： l 、光电方法：其基本原理是利用光导开关的陡峭上升下降沿获得脉冲信号。由激光 脉冲信号激发得到的脉冲宽度可达到皮秒( 1 0 2s ) 量级，是最有发展6 订景的一种方法。 2 、电子方法：其基本原理是利用晶体管p n 结反向加电，在雪崩状态的导通瞬间获得 陡峭上升沿，整形后获得极短脉冲，这是目前应用最广泛的方案。受晶体管耐压特性的限 制，这种方法一般只能产生几十伏到上百伏的脉冲，脉冲的宽度可以达到i n s 以下。 2 ) 调制方式 脉冲调制方式从携带的信息来看，可以分为数据信息调制和多址调制。基本的调制方 法有脉冲幅度调甫i j ( p a m ，p u l s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) ，开关键控( o o k ，o no f f k e y i n g ) ，二 进制相位调制( b i p h a s em o d u l a t i o n ) ，脉冲位置调韦1 ( p p m ，p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ) ，数字 脉冲间隔调带j ( d p i m ，d i g i t a lp u l s ei n t e r v a lm o d u l a t i o n ) ，脉冲波形调制( p s m ，p u l s es h a p e m o d u l a t i o n ) ，多位双正交键控( m b o k ，m u l t i p l eb i - o r t h o g o n a lk e y i n g ) ，以及以上调制方式 的组合。多址一般有两种典型的方式：跳时( t h ，t i m eh o p p i n g ) 年f l 直扩( d s ，d i r e c ts e q u e n c e s p r e a d ) 。在多用户中，调制方式多是多址调制和信息调制的组合，虫n ( t h p p m ，d s p a m ) 。 3 ) 天线 能够有效辐射时域短脉冲的天线是u w b 研究的另个重要方面。作为u w b 的天线， 应该保证能够达到以下要求： ( 1 ) 输入阻抗具有超宽带特性，即要求天线的输入阻抗在脉冲能量分布的主要频带上保 持一致，以保证信号能量能够有效地辐射出去且不引起脉冲特性的改变或下降。 ( 2 ) 相位中心具有超宽频带不变特性，即要求天线相位中心在脉冲能量分布的主要频带 上保持一致。 对于时域短脉冲辐射技术，早期采用双锥天线、v - 锥天线、扇形偶极子天线，这几种 天线存在馈电难、辐射效率低、收发耦合强、无法测量时域目标的特性，只能用作单收发 用途。随着微波集成电路的发展，研制出超宽带平面槽天线，它的特点是能产生对称波束、 平衡的超宽带馈电、具有超宽带特性。由于利用光刻技术，可以制成毫米、亚毫米波段的 集成天线。 6 南京邮电大学硕七研究生学位论文 第一章u w b 简介 4 ) 收发机结构 脉冲无线电形象地说明了u w b 直接发射窄带脉冲进行通信的特点。与传统的窄带通 信系统的收发信机相比，超宽带在实现方式上与之有明显的差异：窄带通信系统一般采用 正弦载波调制实现频谱搬移，信道上传送的是射频已调信号，接收机需要经过逐级下变频 之后再进行解调，以恢复原始信息；脉冲无线电则是直接将经过频谱成形之后的宽带窄脉 冲发射出去，信道上传输的是基带信号，接收机主要由一个相关检测器构成，结构比传统 的窄带通信系统简单，和传统的无线通信系统相比，其结构也相对简单。 图1 2 2 和图1 2 3 分别是传统的收发信机结构和u w b 收发信机结构。通过比较发现， 超宽带结构中没有振荡器、锁相环、功放等器件，这样就使得系统的成本与功耗更低。采 用这种结构可以很方便地在传输距离、功耗、传输速率之间进行选择。例如，想增加传输 距离，则可以利用多个脉冲传输相同的信息，以增加信噪比。 振荡器 图1 2 - 2 传统的收发信机结构 发送 图1 - 2 3u w b 收发信机结构 5 ) 功率谱密度 信号的功率谱密度特性也是决定发送方案的个重要因素。理想的u w b 信号应该近 一7 南京邮电入学硕j ：研究生学位论义 第一苹u w b 简介 似于白噪声，即功率谱密度( p s d ) 应该为平坦的且幅度越低越好，这样才不会对现有的窄 带系统造成明显的干扰。周期性窄脉冲的p s d 由离散谱线构成，加上p p m 调制之后，功 率谱得到一定的平滑，不过更强的平滑作用是通过伪随机跳时码实现的，且平滑特性的好 坏与伪随机码的选择密切相关。 1 。3u w b 的发展 1 3 1u w b 的历史及现状 u w b 并不是一件新兴的技术，它的历史渊源与无线电一样，可以追溯到一百年前波 波夫、马可尼发明越洋无线电报的时期，但因当时技术有限没有能得到广泛的应用。一直 到2 0 世纪6 0 年代，出现了测量电子设备和纳秒级的基带脉冲产生技术，以及建立了基 带信号传输的概念以后，才真正有了模拟、观察和计算脉冲激励的方法，这才发现了这类 “无载波脉冲在雷达和通信中的应用潜能。7 0 年代，各种脉冲相关技术( 脉冲训练发生 器，脉冲训练调制器，交换脉冲训练发生器，敏感短脉冲接收器，宽带天线等等) 的出现及 其在“时域电磁学”工程领域的应用，加速了超宽带系统的发展。到了2 0 世纪8 0 年代， 超宽带技术实现了军事上的低功率截获和监听( l p i d ) 无线电波，重新设计了通信系统，之 后，超宽带的理论、技术和许多相关设备的研究得到了迅速的发展。 然而在1 9 8 9 年之前，“超宽带”这一术语并不常用，各种名称( 如基带、无载波或脉 冲技术) 等均有使用。直到8 9 年，美国政府组织的专家组正式将这项技术命名为“超宽带”， 这一术语才被业界沿用了下来。之后，各种专利也相继被授予。9 0 年代，出现了用低功 率设备实现超宽带信号的技术，同时，美国政府取消了超宽带技术只在军方研究的限制。 到2 0 0 2 年2 月1 4 日，超宽带技术首次获得美国联邦通信委员会( f c c ) 的批准用于民用 通信，从而引起了世界各国及各大知名公司的广泛关注，也为短距离无线通信系统的发展 注入了新的活力【2 1 。 美国f c c 已经批准了超宽带技术的部分应用领域和相应的频段划分见表1 3 - l ，各频 段的有效全向发射功率( e i i 冲) 限制如图卜3 1 所示。 自2 0 0 2 年以后，新技术和系统方案不断涌现，出现了基于载波的多带脉冲无线电超 宽带( i r u w b ) 系统、基于直接序列扩频码分多址( d s c d m a ) 的超宽带系统、基于多带正 交频分复用( o f d m ) 的超宽带系统等。 南京邮电大学硕。l 研究生学位论文 第一章u w b 简介 应用领域使用频段 透地雷达成像系统 9 6 0 m h z 以下，( 3 1 1 0 6 ) g h z 墙内成像系统9 6 0 m h z 以下，( 3 1 1 0 6 ) g h z 穿墙成像系统 9 6 0 m h z 以下，( 1 9 9 1 0 6 ) g h z 医疗系统 ( 3 1 1 0 6 ) g h z 监视系统 ( 1 9 9 1 0 6 ) g h z 汽车雷达系统 2 4 0 7 5g h z 以上 通信与测量系统 ( 3 1 1 0 6 ) g h z 表l - 3 1f c c 授权的超宽带技术的应用领域和使用频段 图1 - 3 1f c c 和e t s i 所提出的室内u w b 设备的工作频段1 2 1 2 0 0 3 年1 2 月，在美国新墨西哥州的阿尔布克尔市举行了i e e e 有关u w b 标准的大 讨论会议1 2 j 。当时关于u w b 技术有两种相互竞争的标准，一方是以i n t e l 与德州仪器为首 支持的m b o a 标准，一方是以摩托罗拉为首的d s u w b 标准，双方在这场讨论中各不相 让，两者的分歧体现在u w b 技术的实现方式上，前者采用多频带方式，后者为单频带方 式。目前，这两个阵营均表示将单独推动各自的技术。虽然标准尘埃未定，但摩托罗拉已 有了追随者，三星在今年国际消费电子展上展示了全球第一套可同时播放三个不同的 h s d t v 视频流的无线广播系统，就采用了摩托罗拉公司的x t r e m es p e c t r u m 芯片，该芯片 组是摩托罗拉的第二代产品，目前已有样品提供，其数据传输速度最高可达l1 4 m b p s ，而 功耗不超过2 0 0 r o w 。在另一阵营中，i n t e l 公司近期在其丌发商论坛上展示了该公司第一个 9 塑室塑皇查兰堡：! 婴壅生兰垡笙苎笙二里望里里箜坌 采用9 0 n m 技术工艺处理的u w b 芯片。同时，该公司还首次展示了多家公司联合支持 的、采用u w b 芯片的、应用范围超过1 0 米的4 8 0 m b p s 无线u s b 技术。在2 0 0 6 年5 月 中旬由i e e e 8 0 2 1 5 3 a 工作组主持召开的标准大讨论会议上对这种技术进行投票选举u w b 标准，m b o a 获得6 0 的支持，d s u w b 获取4 0 的支持，两者都没有达到成为标准必 须达到7 5 选票的要求。因此标准之争还要持续下去。 尽管标准之争未决，但国际产业界对这一商机已经迅速做出了反应。当初f c c 不顾军 方与航天局的反对，对u w b 的民用管制解禁，从而掀起了美国国内科学界对u w b 的研 究热潮，到今天，美国已经有u w b 产品合法上市了。欧盟和同本受美国影响，也纷纷开 展研究计划( 】。w i s a i r 、p h i l i p s 等六家公司和团体成立了u l t r a w a v e s 组织，研究家庭内u w b 在a v 设备高速传输的可行性。位于以色列的w i s a i r 多次发表所开发的u w b 芯片组。 s t m i c r o 、t h a l e s 集团和摩托罗拉等1 0 家公司和团体则成立了u c a n 组织，利用u w b 达 成p w a n 的技术，包括实体层、m a c 层、路由与硬件技术等。由i b m 研究公司、英国 的p h i l i p s 研究组织等4 5 家以上的研究团体组成的位于瑞士的p u l s e r s ，主要研究u w b 的近距离无线界面技术和位置测量技术。日本在2 0 0 3 年元月成立了u w b 研究开发协会， 共有4 0 家以上的业者和大学参加，并在同年3 月构筑了u w b 通信试验设备。u w b 的专 业i c 设计公司已有数家，如x t r e m es p e c t r u m 、t i m ed o m a i n 、w i s a i r 和d i s c r e t et i m e c o m m u n i c a t i o n s 。最具代表性的x t r e m es p e c t r u m 在2 0 0 3 年夏天被摩托罗拉并购，该公司 在2 0 0 2 年7 月推出芯片组t r i n i t y 及其参考用电路板，芯片组由m a c 、l n a 、r f 、b a s e b a n d 所组成，耗电量为2 0 0 m w ，使用3 1 g 至7 5 g h z 频段，速度为l o o m b p s 。为了争夺未 来的家庭无线网络市场，许多厂商都已推出了自己的网络产品【l 引，如i m e l 的d i g i t a lm e d i a a d a p t e r ，s o n y 的r o o m l i n k ( 这两种适配器应用的是8 0 2 1 1 ) ，x t r e m es p e c t r u m 则推出了 基于u w b 技术的t r i n i t y 芯片组和一些消费电子产品，而m i c r o s o f t 推出了w i n d o w sx p m e d i ac e n t e re d i t i o n 以确保p c 成为智能网络的枢纽。 我国在2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”国家8 6 3 计划通信技术主题研究项目中，首次 将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新技术的 研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。至于产品方面，由于u w b 标准迟迟未 定，同时，我国政府还未对u w b 的频谱做出规划，因此，国内厂商还都处于观望阶段， 技术上保持跟踪，生产则尚未启动，仅有海尔等少数厂商与国外公司合作，开发一些样品。 在2 0 0 5 年全国u w b 通信技术学术会议上，来自i n t e l 、f r e e s c a l e 等多家企业的代表一致认 为，目前厂商对u w b 投入太少，不敢注入资金。但是，各企业也表达了对u w b 前景的 南京邮电人学帧一t ：自j f 究生学位论文 第一荦u w b 简介 信心和投入的决心。会上f r e e s c a l e 公司表示，愿免费开放i p ，与中国企业共享技术，共同 努力推进u w b 迈向市场的步伐。而学术界则呼吁，一方面厂家应该积极加入标准制定的 商讨过程，用技术创新来促进规则更新。另一方面，政府应该尽快做出频谱规划，并尽可 能对研发提供资金援助。 1 3 2u w b 的发展前景 超宽带u w b 技术潜力还很大。由于使用极窄的脉冲通信，其传输速率在理论上可以 达到数g b p s 的水平，与当前流行的短距离无线通信技术相比，u w b 具有巨大的数据传输 速率优势。未来预计在2 0 0 7 年以后，超宽带u w b 设备甚至可以用来直接传输视频信号， 这可以让众多的视频显示系统，摆脱线缆限制，届时整个电子产品业内面貌将会随之而产 生巨大改变。 其次，我们面对的是频谱“匮乏的问题，因为频谱是有限的，而商用无线服务的发 展又很快，他们都需要工作在一定范围的频段，甚至已经发展到获得频谱使用权的团体不 得不开始保卫自己的频段，以使其不被商业用户或政府用户所侵占。超宽带凭借其宽频带 扩展特性为我们展示了难以置信的频谱利用率。超宽带技术代表了一个双赢的解决方案， 它可以更有效地使用和重新利用面向政府、公众安全、商业用户的频段。面向商用的超宽 带产品将利用收发信机设计中的技术优势，并将具有极低的能耗。超宽带技术可以使通信 设备、跟踪定位设备等具有的超乎寻常的性能表现出来。融合了跟踪定位和高速数据传输 能力的技术向我们展示出令人激动的应用前景。 此外，超宽带u w b 技术由于脉冲发生的电路结构简单，可以用单一芯片实现全部功 能，这样更容易在笔记本电脑、p d a 等便携设备中集成，为未来个人无线传输打下基础， 达到无线无处不在的境地。 还有，未来人们对于健康越来越重视，更加青睐“低功耗、低辐射”类型的产品，而 超宽带u w b 技术先天的低功耗特点，将会使其成为家庭、办公环境的首选，甚至未来将 可以达到在家庭、办公环境内，仅仅采用超宽带u w b 技术，而其他无线技术都被驱赶到 室外的景象。 总之，超宽带系统具有广泛的应用前景和研究价值，是一个非常有潜力的领域。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一二章混沌及混沌通信简介 2 1 混沌概述 第二章混沌及混沌通信简介 混沌被认为是2 0 世纪继相对论、量子力学之后的又一重大科学发现。混沌现象的发 现及其研究，使本来完全不相关和不同性质的学科( 如气象、化学、生物、医学等等) 能用 相同的数学工具和物理语言找出混沌运动的共同特征和规律，结果引起了一场影响许多学 科领域的革命。混沌现在已经渗透于各门学科之中，成为当今国际上非线性研究领域最为 活跃的部分。混沌研究取得的众多研究成果在许多潜在的领域中都有着不可估量的应用前 景f l 引。其中，混沌通信则是最具吸引力的研究应用方向之一。 2 1 1 混沌的定义及其特性 所谓的混沌，粗略地说是一种在确定性系统中所出现的类似随机无规则运动的动力学 行为。 尽管科学界对于混沌已经认真地研究了近半个世纪，至今尚无一个公认的非常严格的 标准数学定义，这是因为混沌系统的确非常复杂，从不同的角度理解会有不同的内涵。常 用的混沌定义包括：“蝴蝶效应”意义下的混沌、离散动力系统( 映射) 的l i y o r k e 意义下的 混沌、d e v a n e y 意义下的混沌和连续动力系统( 流) 的s m a l e 马蹄意义下的混沌等等。作为一 种自然界与人类社会中普遍存在的运动形念，它在不同学科范畴和领域中有各自适合的定 义和内涵，且既有共性又有特殊性。概括地 兑，混沌系统的复杂动力学具有如下基本特征 【1 8 】： 1 ) 敏感性 混沌系统对初始条件的微小变化具有高度的敏感依赖性。 2 1 有界性 混沌系统在相空间内整体上是有界的，它的运动轨线始终局限于一个确定的区域 混沌吸引域。无论混沌系统内部多么不稳定，它的轨线都不会走出混沌吸引域。所以从整 体上来说混沌系统是稳定的。 3 ) 遍历性 混沌运动在其吸引域内具有遍历性，即在有限时| 日j 内混沌轨道经过混沌区内每一个状 南京邮电大学硕：i 二研究生学位论文 第二蕈混沌及混沌通儒丽介 态点。 4 1 连续的功率谱 混沌信号介于周期或准周期信号和完全不可预测的随机信号之问。其频谱占据了很宽 的带宽，分布较均匀，整个频谱由很多比较窄的尖峰构成。 5 ) j 下的最大李雅普诺夫指数 对于混沌系统而言，正的最大李雅普诺夫指数表明轨线在每个局部都是不稳定的，相 邻轨道按指数分离；但是由于吸引子的有界性，轨道不能分离到无穷远，所以混沌轨道只 能在一个局部区域内反复折叠，但又永远互不相交，形成了混沌吸引子的特殊结构。同时 正的李雅普诺夫指数也表明相邻点信息量的丢失，其值越大，信息量丢失越严重，混沌程 度越高。系统只要李雅普诺夫指数有一个为正，则是混沌：有两个或两个以上为正，则是 超混沌。 6 ) 混沌吸引子的几何特征是具有分形( 分数维数) 和自相似嵌套结构；具有有限值的拓 扑熵与测度熵。 7 ) 经常与分岔、分形和多种奇怪吸引子甚至排斥子等复杂动力现象共存。 物理和工程上常用的混沌判掘是系统有界并存在正的李雅普诺夫指数或正的信息熵。 2 1 2 几种常见的离散混沌系统 所有的一维映射( 包括混沌映射) 都可以写成下面的一般形式1 1 9 】： x ”+ l2 ( ，x 一) ，刀= 0 ，l ， ( 2 。1 1 ) 其中x 。在某个固定的区间，内取值，代表一组控制参数的集合，( ) 为非线性函数。 若从某次迭代开始，z 。在p ( p 1 ) 个状态上周而复始地无限重复运动，则( x ，石：，x 口) 就 称为系统的一个周期p 轨道。其中周期1