（计算机应用技术专业论文）差分混沌键控通信技术的研究.pdf

南京邮电大学硕士研究生学位论文中文摘要 摘要 混沌作为一种普遍存在的非线性现象，渗透到各个科学领域，越来越引起人们的注 意。混沌对初始条件的敏感性、貌似随机的行为、连续宽带功率谱等特征，使其在通信 领域具有广泛的应用前景。2 0 世纪9 0 年代开始混沌理论与传统通信技术相结合形成了 各种通信方式及其理论与方法，从一般的c s k 和d c s k ，到c d s k 、s c s k 、q c s k 以 及从中衍生出来的各种混沌通信方式。 本文在分析了c s k 和d c s k 及其衍生方案的基础上，对现有的f m d c s k 方式提 出了改进方案。在f m 。d c s k 的调制端采用分组分帧结构，并将自适应横向滤波器( a t f ) 应用到解调端，提高传输码率，同时降低发送的功率：f m - c d s k 针对f m d c s k 中消 息信号经发射端开关切换易出现的跳变，以及重复发送降低传输码率的弱点，用c d s k 方案取代d c s k 方案，并与f m 结合，提高保密性和传输码率。理论推导和仿真表明： 改进方案在系统的保密性和传输速率方面要优于原来的f m d c s k 。 关键词：离散混沌映射、差分混沌键控、调频差分混沌键控、分组分帧调频差分混沌 键控、调频相关延迟键控 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 c h a o s ，a sa nu b i q u i t o u sn o n l i n e a rp h e n o m e n o n ，h a sb e e ni n t e g r a t e di n t ov a r i o u ss u b j e c t s ， w h i c ha t t r a c tm o r ea n dm o r er e s e a r c h e r si nt h ep a s td e c a d e s c h a o t i cs i g n a l sw i t ht h ee x t r e m e s e n s i t i v i t y t oi n i t i a lc o n d i t i o n s ，n o i s e l i k ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h ec o n t i n u o u sw i d e b a n d s p e c t r u m ，a r en a t u r a lc a n d i d a t e sf o rc a r r y i n gi n f o r m a t i o ni nt h ec o n t e m p o r a r yc o m m u n i c a t i o n e n v k o n m e n t s f r o mt h el a s td e c a d eo ft h e2 0 “c e n t u r y , t h ea p p l i c a t i o no fc h a o st o c o n v e n t i o n a lc o m m u n i c a t i o n sh a sg e n e r a t e dm a n yn o v e lc o m m u n i c a t i o ns c h e m e s ，s u c ha s g e n e r a lc s k ，d c s k ，f m - d c s k ，a n d e t c o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so fc s ka n dd c s k ，i n c l u d i n gt h e i rd e r i v a t i v e s ，s o m e i m p r o v e m e n t sh a v eb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r t h ep a c k a g e f l a m e df m - d c s k i sd e v e l o p e d i nt h em o d u l a t i o no ft h ec o m m u n i c a t i o ns c h e m e ，a n da na d a p t i v et r a n s v e r s a lf i l t e r ( a t f ) i s a p p l i e di nt h ed e m o d u l a t i o n t h i ss c h e m eh a sa m o r er a p i da t t a i n a b l ed a t ar a t ea n dl o wp o w e r t r a n s m i s s i o n f m - c d s ki sa n o t h e ri m p r o v e m e n to ff m - d c s k ，i nw h i c has w i t c hm a y p r o d u c eah o p p i n gi nt i m ed o m a i na n d t h er e p e a t e ds i g n a l sr e s u l t si nal o wd a t ar a t e i fd c s k i sr e p l a c e db yc d s k ，c o m b i n e dw i t hf m ，t h es c h e m ec a nh a v et h ea d v a n t a g e so ft h ec d s k ， a n dt h es e c u r i t ya n dt h eb i tr a t ea r ce n h a n c e d i ti ss h o w nb yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o n st h a tt h ep e r f o r m a n c e ，s u c ha st h es e c u r i t ya n dd a t ar a t eo fs u c hi m p r o v e d c o m m u n i c a t i o ns c h e m e sa r eb e t t e rt h a nf m d c s k k e y w o r d s ：d i s c r e t ec h a o t i cm a p ，d c s k ， f m d c s k ，p a c k a g e f l a m e df m d c s k ， f m c d s k i i 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学计算机应用技术 研究方向：通信系统和网络中的控制技术 作者：2 0 0 3 级研究生邓萍指导教师整国壬 题目：差分混沌键控通信技术的研究 英文题目：s t u d yo nd i f f e r e n t i a lc h a o t i cs h i f tk e y i n g c o m m u n i c a t i o n s 主题词：离散混沌映射差分混沌键控调频差分混沌键控 分组分帧调频差分混沌键控调频相关延时键控 k e y w o r d s ：d i s c r e t ec h a o t i cm a p d c s kf m - d c s k p a c k a g e - - f r a m e df m - d c s k f m - c d s k 南京邮电大学学位论文独创性声明 y 8 5 0 8 2 3 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，除了文巾特别加以标注和致谢的 地方外，论文巾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：与_ 牟il 期：! 竺丝 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：聋孽一导师签名 日期：汹，川、 南京邮电大学硕士研究生学位论文 日u百 开始于7 0 年代初的混沌学研究，以其广度和深度的磅礴气势，揭开了物理学、数学 乃至整个现代科学的新篇章。混沌学的创立，将在确定论和概率论这两大科学体系之间 架起桥梁，混沌通信、混沌控制以及混沌生命科学己经成为混沌的主要应用领域，具有 广泛的应用前景。 绝大多数的电子电路与系统本身是非线性的，但电子工程师仍然把更多的注意力投 入到线性的现象和模型研究与应用中，虽然解决了实际中的一些工程问题，但这是以忽 略非线性因素为代价的，或者仅仅考虑了弱非线性。对线性模型的进一步研究，可以发 现仅考虑线性特性有很大的局限性，尤其它将阻碍对非线性系统特性的研究，而这种非 线性系统的复杂性在信息的传输、编码、存储、安全等方面具有很大的优势。今天，世 界各国有关研究非线性的组织已经意识到开发非线性动力系统的潜力，欧洲、美国、日 本的科学家们也正进行一些相关非线性的意义重大的项目研究。 混沌信号非周期性连续宽带的频谱特性，类似于噪声，使它具有天然的隐蔽性。另 外，混沌信号对初值条件的高度敏感，即使是两个完全相同的混沌系统从几乎相同的初 始条件开始演化，它们的轨道将很快变得互不相关，这使得混沌信号具有长期不可预测 性和抗截获能力。这些特性都使得混沌在通信领域具有广泛的应用前景。国际著名刊物 i e e et r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n ds y s t e m s 已经先后出版了四期混沌方面的专辑【“】， p r o c e e d i n g so f t h ei e e e 也于2 0 0 2 年5 月出版了混沌学在电子与通信工程中应用的专辑 ”j ，显示了混沌通信研究的重大进展和潜力。 混沌研究领域涉及混沌保密通信技术、混沌调制技术、混沌扩频技术及混沌光纤技 术等，其中混沌调制技术的研究已日渐成熟。类似于传统通信，混沌通信可以按解调方 式的不同分为相干和非相干两大类；按调制方式不同分为混沌键控( c s k ：c h a o ss h i f t k e y i n g ) 、混沌扩频和混沌脉位调制三类，其中混沌键控包括一般混沌键控、混沌开关键 控( c o o k ) 、双极性混沌键控( s c s k ) 、差分混沌键控( d c s k ) 、调频差分混沌键控 ( f m d c s k ) 、相关延迟键控( c d s k ) 和正交混沌键控( q c s k ) 等。目前，关于混沌调制方 面的文献较多，研究工作大部分集中在时间连续的混沌信号上，也就是用微分方程表达 的混沌系统。这类混沌系统的实现是用模拟电路来完成的，对电路固有参数以及混沌再 生算法的误差很敏感，实际实现比较困难。实际上，用迭代方程( 映射) 产生的时间离 散的混沌信号( 混沌序列) 更适合于在通信中应用，特别是在扩展频谱通信中。这是因 南京邮电大学硕士研究生学位论文前言 为混沌序列数目众多，又互不相关，满足扩频多址通信中对扩频序列的要求，并且只要 一个映射公式和初始值就可以产生混沌序列，不必存储各个序列点的值。所以本文中对 采用的就是混沌映射产生的离散混沌信号。 本文主要介绍了各种基于离散混沌序列的数字调制技术以及各种方案的抗噪声性 能。具体安排如下： 第一章作为本文的开篇，介绍与通信相关的一些内容，特别对扩频通信和传统的调 制解调方式进行较为详细的分析。 第二章介绍混沌系统和混沌映射，分析混沌信号和离散混沌序列的特性，以及基于 混沌的模拟、数字调制、混沌扩频通信和混沌脉位调制通信方案。 第三章分析了混沌键控及其衍生的调制解调方案，同时对混沌领域内新的通信方案 混沌脉位调制解调做了分析。 第四章在差分混沌键控研究基础上，对f m d c s k 方式提出了两种改进方案，并做 了仿真。仿真结果表明改进方案的系统性能优于原来的f m d c s k 。 本文通过理论推导和实验仿真的比较，得到各个改进方案在不同的方面对现有的 f m d c s k 性能都有一定的改善。同时也指出了改进方案存在的不足之处，这些都是今 后继续的研究方向。限于水平，文中倘有不当之处，敬请读者不吝赐教。 2 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 , 1 通信系统简介 第一章绪论 通信的目的是传递消息，例如把地点a 的消息传输到地点b ，或者把地点a 和地点 b 的消息双向传输。实现通信的方式很多。随着现代科学技术的发展，目前使用最广泛 的方式是电通信方式即用电信号携带所要传递的消息，然后经过各种电信道进行传输， 达到通信的目的。电信号由一地向另一传输需要通过媒质，按照媒质的不同通信方式可 以分为两大类：有线通信和无线通信。无论是有线通信还是无线通信，为了实现消息的 传递和交换，都需要一定的技术设备和传输媒质。为完成通信任务所需要的切技术设 备和传输媒质所构成的总体称为通信系统。通信系统的一般模型如图1 - 1 所示闸。图中 信源即原始电信号的来源，它的作用是将原始消息转换为相应的电信号。这样的电信号 通常称为消息信号或者基带信号。 1 1 1 通信系统的分类 图1 - 1 通信系统的一般模型 通信系统的分类可表示为：模拟通信系统和数字通信系统。 模拟通信系统的模型方框图如图1 - 2 所示。发送设备一般说来包括调制、放大、天 线等，这里只画了一个调制器，目的是为了突出调制的重要性。同样接收设备只画了一 个解调器。这样，图1 - 2 就是一个最简化的模拟通信系统模型。 个解调器。这样，图l _ 2 就是一个最简化的模拟通信系统模型。 圈1 - 2 模拟通信系统模型 堕室堕皇查鲎堡主坚塑竺堂垡丝兰 墨二雯堕堡 数字通信系统模型如图1 3 。这里的发送设备包括信源编码、信道编码和调制三个 部分。信源编码是对模拟信号进行编码，得到相应的数字信号，而信道编码则是对数字 信号进行再次编码，使之具有自动检错或纠错的能力。数字信号对载波进行调制形成数 字调制信号，高质量的数字通信系统才有信道编码部分。 1 1 2 数字通信系统的优点 图1 - 3 数字通信系统模型 就目前来说，数字通信系统发展十分迅速，在整个通信领域中所占地比重日益增长， 在大多数通信系统中已经替代模拟通信，成为当代通信系统的主流。这是因为与模拟通 信相比，数字通信更能适应对通信技术越来越高的要求。数字通信的主要优点如下： 1 抗干扰能力强。在远距离传输中，各中继站可以对数字信号波形进行整形再生而 消除噪声的积累。此外，还可以采用各种差错控制编码方法迸一步改善传输质量。 2 便于加密，有利于实现保密通信。 3 易于实现集成化，通信设备的体积小、功耗低。 4 数字信号便于处理、存储、交换，便于和计算机相联，也便于用计算机进行管理。 当然，数字通信的许多优点都是用比模拟通信占据更宽的频带而换得的。以电话为 例，一般模拟电话通常只占据4 k h z 带宽，但一路数字电话却要占据2 0 6 0 k h z 的带宽。 随着信息技术的发展，有待传输的数据量急剧增加，传输可靠性和保密性要求越来越高， 所以实际工程中宁可牺牲系统频带而要采用数字通信。至于在频带富裕的场合，比如毫 米波通信、光通信等，当然都唯一的选择数字通信。 1 2 扩频通信 扩频通信，即扩展频谱通信( s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) ，它与光纤通信、卫星 通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。 所谓扩频通信技术是指用来传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种通信 方式。扩频系统具有如下两大特点： 4 塑塞塑皇奎兰堡主竺茎竺兰垡堡奎 墨二至望 笙 1 系统占用的频带宽度远远大于要传输的原始信号带宽( 或者信息比特速率) ，且 系统占有带宽与原始信号带宽( 或者比特速率) 无关。 2 。解调过程是由接收信号和一个与发送端扩频码同步的信号进行相关处理来完成 的。 1 2 1 理论基础 扩频通信的基本特点7 ，钔，是传输信号所占用的频带宽度( 形) 远大于原始信息本身实 际所需的最小( 有效) 带宽( a a ) ，其比值称为处理增益g 。： g ，= 卷( 1 - 0 众所周知，任何信息的有效传输都需要一定的频率宽度，为了充分利用有限的频率 资源，增加通路数目，人们广泛选择不同调制方式，采用宽频信道( 同轴电缆、微波和光 纤等) 和压缩频带等措施，同时力求使传输的媒介中传输的信号占用尽量窄的带宽。因现 今使用的电话、广播系统中，无论是采用调幅、调频或脉冲编码调制方式，g 。值一般都 在十多倍范围内，统称为“窄带通信”。而扩频通信的g 。值，高达数百上千，称为“宽 带通信”。 扩频通信的可行性，是从信息论和抗干扰理论的基本公式中引伸而来的。 香农( s h a n n o n ) 公式证明了发送机的功率限制、带宽限制和加性噪声的影响可以和信 道联系起来。在加性高斯白噪声干扰情况下，一个带宽为矿的理想带限信道所具有的容 量即香农公式为【9 】： c = 形1 。9 2 ( 1 + 赢) b i “8 ( 1 - 2 ) 式中，c ：信道容量( 用传输速率度量) ； ：信号频带宽度； ，：平均发送功率： k ：加性噪声的功率密度谱。 式( 1 2 ) 也说明，在给定的传输速率c 不变的条件下，频带宽度矽和信噪比( s n r ) 是 可以互换的，即可通过增加频带宽度的方法，在较低的信噪比情况下，传输信息。 扩展频谱换取信噪比要求的降低，正是扩频通信的重要特点，并由此为扩频通信的 应用奠定了基础。我们用信息带宽的1 0 0 倍，甚至1 0 0 0 倍以上的宽带信号来传输信息， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 就是为了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全地通信。这就是扩展 频谱通信的基本思想和理论依据。 1 2 2 工作原理 扩频通信的基本组成框图如图1 - 4 所示。这里发送端简化为调制和扩频，收端简化 为解扩和解调。此外，收发两侧还有两个完全相同的扩频序列发生器。正常工作时，要 求接收两端产生的扩频序列必须和接收信号中包含的解扩序列精确同步。为此，通常在 传输信息之前，发送一个固定的伪随机比特图案来达到同步，该图案即使存在干扰，接 收机也能以很高的概率辨识出来。当收发两端扩频序列发生器在时间上建立同步之后， 信息传输即可开始【7 】。 息 图1 _ 4 扩频通信的一般原理图 在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，然后由扩频码发生器产生的扩频码 序列去调制数字信号以展宽信号的频谱。展宽后的信号再调制到射频发送出去。在接收 端收到的宽带射频信号，变频至中频，然后由本地产生的与发端相同的扩频码序列去相 关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息输出。 这里需要指出，为了突出主要功能，图中只画出了扩频通信系统的主要部分。实际 上它代表了最简化的扩频通信系统模型。 1 2 3 扩频通信的几种工作方式 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频通信系统可以分为： 1 ) 直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ) i 作方式，简称直扩( d s ) 方式 所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的 频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原来的 信号。 6 p匡 卜 网工煮一 卜厂，il苗字堕卜厂l；il丽工l | | |卜厂，il 一息制一一信调一 吨 掘一 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 2 ) 跳变频率( f r e q u e n c yh o p p i n g ) i 作方式，简称跳频( f 哪方式 所谓跳频，用一定码序列进行选择的多频率频移键控。也就是说，用扩频码序 列去进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变，所以称为跳频。简单的频移键控如 2 f s k ，只有两个频率，分别代表“1 ”和“0 ”。而跳频系统则有若干个、甚至上千个 频率，由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。但是跳频系统占用了 比原来信息带宽要宽得多的频带。 3 ) 跳变时间( t i m eh o p p i n g ) i 作方式，简称跳时( t d 方式 与跳频相似，跳时是使发射信号在时间轴上跳变。首先把时间轴分成许多时隙。 在某一帧内哪个时隙发射信号由扩频码序列去进行控制。可以把跳时理解为：用一定 码序列进行选择的多时隙的时移键控。由于简单的跳时抗干扰性不强，很少单独使用。 跳时通常都与其他方式结合使用，组成各种混合方式。 4 ) 宽带线性调频( c h i r pm o d u l a t i o n ) 工作方式，简称c h i r p 方式 如果发射的射频脉冲信号在一个周期内，其载频的频率作线性变化，则称为线 性调频。因为其频率在较宽的频带内变化，信号的频带也被展宽了。 实际的扩频通信系统，前两种使用得较多。上述4 种方法的某种组合，如d s f h 、 d s ，m 、d s 厂r h 等等混合系统也常被采用。 1 2 4 扩频通信的优点 由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，从而降低对通信信号的信噪比的要求；发端 用扩频码序列进行扩频调制，以及在收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难于 替代的优良性能，能迅速推广到各种公用和专用通信网络之中。扩频通信主要特点总结 如下： 1 ) 抗干扰能力强： 2 ) 信号功率密度低，有利于信号屏蔽： 3 ) 信息隐蔽，有利于防止窃听； 4 ) 具有选择地址额能力； 5 ) 可以采用码分复用实现多址通信； 6 ) 抗衰落能力强，信息传输可靠性高； 7 ) 可进行高分辨率测距： 8 ) 能与传统的调制方式共用频段； 7 壹塞坚皇查兰堡主竺塞竺兰些丝苎苎= 兰堕丝 9 ) 频带容易监控。 总之，扩频系统具有系列其他系统无法比拟的优点。它合理的解决了由于无线信 道使开放信道而造成的变参、干扰强、保密差等弱点，一直受到世界各国的关注，尤其 是近年来，随着大规模、超大规模集成电路的发展，微处理机的广泛应用，以及一些新 兴器件的出现，扩频技术获得了及其迅速的发展。目前它已经广泛应用于通信、导航、 跟踪、测距、遥控、测量等各种领域，并有更快发展的趋势。 1 3 调制技术 由于从消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱分量，这种信号在许多信道中 不适合直接进行传输。因此，在通信系统的发送短通常需要有调制过程，而在接收端则 需要有反调制过程解调过程。 调制是将源信息肌( f ) 加载到载波s ( r ) 上去的过程，它在通信系统中具有十分重要的作 用。通过调制，不仅可以进行频谱搬移，把调制信号的频谱搬移到所希望的位置，从而 将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号，而且它对系统的传 输有效性和可靠性有着很大的影响。调制方式往往决定了一个通信系统的性能。 下面将从模拟调制方式开始，对各种传统的调制方式做个简单的回顾。最常用和最 重要的模拟调制方式是用正弦波作为载波的幅度调制和角度调制。 1 3 1 幅度调制 幅度调s o ( a m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 是正弦载波的幅度随调制信号作线性变化的过程。 这一类调制方法由双边带幅度调制( d s b a m ) 、常规幅度调制( a m ) 、单边带幅度调制 ( s s b a m ) 和残留边带幅度调制( v s b a m ) 等组成。调制信号和已调载波幅度之间的依赖 关系可以很简单，如d s b a m ，也可以很复杂，如s s b a m 或者v s b a m 。与角度调制 相比，幅度调制的通常特点是带宽要求相对比较低，并且功率效率不高。a m 系统的带 宽要求在矿和2 w 之间变化，这里的是消息信号的带宽。对于s s b a m ，带宽是缈； 对于d s b a m 和常规a m ，带宽都是2 w ；对于v s b - a m ，带宽则位于和2 w 之间。 这些系统广泛用于广播( a m 无线电广播和t v 视频广播) 、点对点通信( s s b ) 和多路复 用( 如很多电话信道在微波链路上传播) 等系统中。 选用正弦信号作为载波： c ( t ) = a 。c o s 2 矾r( 1 - 3 ) 8 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪 论 式中正：载波教频率，4 ：载波的幅度。假设调制信号m ( r ) 及其频谱m ( ，) 如图 1 5 所示： ( a ) 调制信号对域图 ( b ) 调制信号频域图 图1 - 5 调制信号时域及其频谱图 那么，a m 信号一般可以表示成 u ( t ) = a 。【1 + m ( t ) c o s ( 2 z f j )( 1 4 ) 频域表达式： u ( 砌= 拿【巧( 厂一工) + m ( f 一正) + 8 ( f + 正) + m ( f + 正) 】( 1 - 5 ) 式中，m ( t ) 、m ( f ) 分别是基带信号和它的频谱，a m 信号的频谱如图1 - 6 所示。 由以上表达式可见，幅度已调信号，在波形上，它的幅度随基带信号变化而呈现正 比地变化；在频谱结构上，它的频谱就是调制信号的平移加上代表载波线谱成分的函数， 其带宽是调制信号带宽的两倍。由于这种搬移是线性的，因此幅度调制通常又称为线性 调制。事实上，任何一种调制都是一种非线性的变换过程。 由0 - 4 ) 式还可以看出线性调制信号的一般产生方法。线性调制器的一般模型如图1 - 7 所示。它是由一个乘法器和一个冲击响应为 ( f ) 的带通滤波器组成。该模型输出信号的 时域和频域表示式为： “搿a ce o s 坼2 z f 砌j i ，：h ( r ) m ：纛篡m 眦叫咖2 矾衙r ， 2 l( f f ) c o s 2 矾耐f + s i n 2 矾上二 ( r ) m ( f f ) s i n 2 矾谢 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 u ( ，) = 鲁阻i ( ，一丘) + m u + 正) 坤( ，) 其中，u ( f ) 是 ( r ) 的傅立叶变换。 绌q 掣 c o s 2 n f 。r ( 1 7 ) 图1 7 线性调制器的一般模型 上述模型之所以称之为调制器的一般模型，是因为在该模型中，适当选择带通滤波 器的冲击响应a ( f ) ，便可以得到各种幅度调制信号。从各种形式的已调幅度信号的频谱 也可以很直观地看出各种幅度调制的不同之处。 1 ) 抑制载波的双边带调制 抑制载波双边带信号( d s b s c ) 是抑制了离散载波的a m 信号。图l - 7 中如果输入的 基带信号没有直流分量，且 ( f ) 是理想带通滤波器，则得到的输出信号就是d s b - s c 调 制信号。d s b s c 信号就是： “( f ) = a 。m ( t ) c o s 2 矾f( 1 8 ) 其频谱是： 嘲：二 附一丘) + m ( f + 正) 】( 1 - 9 ) 如图1 - 8 所示。 图1 - 8d s b - a m 倍号的频谱 2 ) 单边带调制 除掉d s b a m 的一个边带就可以得到s s b a m ，因此s s b a m 占有d s b a m 一半 的带宽。依据所保留的边带是上边带还是下边带，就有两种类型的s s b a m ：u s s b - a m 和l s s b a l v l 。这些信号的时域表示为： “( f ) ：! b ( f ) c 。s ( 2 矾f ) 千南o ) s i n ( 2 n f o ) 0 - 1 0 ) 1 0 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章结论 其中减号对应于u s s b a m ，加号对应于l s s b a m ，南( f ) 是胂( r ) 的希尔伯特变换，定义 为，；l ( f ) = m ( f ) 土，在频域中则是厨( 厂) = 一j s g n ( f ) m ( f ) 。换句话说，一个信号的希尔 伯特变换代表全部信号分量上进行兰的相移。这样，在频域中有 ( ，) - a c 阱盯。h 坝，+ 妇l l 其- 余 f l ( 1 - 1 1 ) 和 u ，) - p 盯_ 卜州，+ 舶l 其i f 余l - o 。这里乘积向量u 。e ( 九) 相对于抽头输入向量u 的平方欧氏范数进行了归一化， 加上是为了克服抽头输入向量u 。较小时数值计算上的困难。 4 1 2 2 解调端 发送端调制后的信号经过信道传输后，造成的失真在解调时会导致出现误码。这里 考虑一种通信系统中常见的干扰噪声：加性高斯白噪声，即信号经过加性高斯白噪声信 道传输。假设噪声均值为0 ，功率谱密度为j v ：_ o ，接收到的某一帧信号的第渐个时隙的矢 上 量表示为： r = h ) ，“1 ，_ 1 ) ，+ 2 j - y 。+ m 。 ( 4 - 7 ) 其中，中。= 陂。_ 1 ) 川最。协：f 叩j r ，表示噪声信号。 训练信号和信息信号在传输过程中都受到了噪声的干扰。训练信号经过a t f 后运用 归一化l m s 算法调节权向量在解调信息信号时可以降低噪声的影响。接收端解调结构 图如图4 - 4 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第四章调频差分混沌键控改进方案 圈4 - 4 分组分帧f m d c s k 解调结构图 假设a t f 的抽头权向量为： w 。= h ，2 一w i n ，口r ， 1 m - 0 若s m 0 ( 4 1 7 ) 混沌映射具有类似于随机噪声的相关性。这里选用l o g i s t i c 映射： x = 1 - 2 x ： ( 4 1 8 ) 经过f m c d s k 调制后的信号j ，( 见式( 4 1 5 ) ) 的相关性如4 - 7 图所示。可见，s 。也具有 良好的类随机性。 4 2 2 1 保密性分析 图4 7 发送端信号的自相关性 f m - d c s k 在调制端消息信号紧随着参考信号发送，当发送的是全相同的数字信号 时，会造成重复的时域信号，降低了系统的保密性。f m c d s k 和f m d c s k 系统在相 5 l 赢增吼吼 瞄 薹宝 吼巧 瞄矗 珞 也舞 即噱 | ； 巩 “嘶珥赢哦如 铲也 艮哦 宝 c f 巩蠊乒栌 中其 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章诚频差分混沌键控改进方案 同的条件下，发送端信号及其相关性如图4 8 所示。 2 1 ；0 1 - 2 连发+ 1 时发送端信号连发1 时发送端信号 o 2 0 4 06 08 01 0 0 连发+ 1 。时发送端信号的相关性 1 05 釜 0 旬5 o2 04 06 08 01 0 0 2 1 ；0 1 - 2 02 04 06 08 01 0 0 连发1 。时发送端信号的相关性 图4 - 8 相同条件下，f m c d s k 和f m 。d c s k 发送端的信号及其相关性 ( 实线表示f m c d s k 方案，虚线表示f m ，d c s k 方案) 从图中可以看出，发送全1 时，f m d c s k 发送信号会有时域上的跳变，并且发送 信号的相关性很差，呈现周期变化。而f m c d s k 发送端信号即使在发送相同的数字符 号的时候也是类似于随机噪声的，大大提高了保密性。 4 2 3 2 传输速率分析 比较f m c d s k 和f m d c s k 两种方案，当扩频因子2 卢相同时，由于f m - d c s k 发送端需要发送参考信号，且发送参考信号的时间和消息信号的时间是等长的，所以在 相同的时间( r ) 内，假设f m - c d s k 发送的信息符号是吖位，即：t = f l x m a t ，那么 f m d c s k 发送的信息符号位数只有一半，即m 2 ，所以 v 。一心一= 滢) 降) = z 南京邮电大学硕士研究生学位论文第四章调频差分程淹键控改进方案 即f m c d s k 是f m d c s k 速率的两倍。 4 2 3 3 误码性能分析 从式( 4 - 1 6 ) 可以看出，由于在调制端采用了混沌信号和延迟信号之和作为发送的信 号，同f m d c s k 相比较【4 2 1 ，除了噪声干扰项r t # l ，在接收端判决时增加了符号间干扰 f ，所以其误码率要比f m d c s k 差。 e b n 0 ( d b ) 图4 - 9f m c d s k 和f m d c s k 误码性能比较 图中所示的仿真结果表明，f m - c d s k 要比f m 。d c s k 误码性能要差，可以说是用 误码性能换取传输速率和保密性能。这里仅是用c d s k 代替d c s k ，今后的研究重点将 会围绕如何提高f m c d s k 的误码性能而展开。 4 3 小结 分组分帧f m d c s k 的核心是对一般的f m d c s k 通信方案的调制端进行分组分帧 的改进，并在接收端运用自适应横向滤波器( a t f ) 进行解调。经过理论推导和系统仿真， 证明了这种改进的f m d c s k 系统的性能要比普通的d c s k 性能优越，而且对比于d c s k 系统调制部分使用频率调制，解调时不是通过简单的相关运算，取而代之以a t f 采用 l m s 算法得到的权向量来解调含噪声的信息信号这些都提高了整个系统的抗干扰性 能。 5 3 壹室塑皇盔兰堡主塑塞皇兰垡笙塞 蔓塑童塑墅茎坌塑鎏堡丝墼堂塑墨 f m d c s k 方案的调制信号包含参考信号和消息信号，无噪声时在每比特时间的前 后两部分时间内产生的是相同的或者反向的信号，保密性和传输速率也随之降低。这是 d c s k 方案本身固有的问题，f m c d s k 的核心就是用保密性和传输速率优于d c s k 方 案的c d s k 方案代替，并把频率调带i j ( f m ) 和c d s k 方案相结合，提高了抗破译性能，也 把传输速率提高了一倍。但是从式( 4 一1 6 ) 可以看出，由于在调制端采用了混沌信号和延迟 信号之和作为发送的信号，同f m d c s k 相比较，除了噪声干扰项玎外，在接收端判决 时增加了符号间干扰f ，所以其误码率要高于f m d c s k 。 南京邮电大学硕士研究生学位论文结束语 结束语 本论文的主要工作有以下几个方面： 首先，介绍了扩频通信原理以及传统通信技术中的调制技术。这些原理和方案在现 代通信领域以及基于混沌的通信方案中都有着广泛的应用。 其次，介绍了混沌系统以及混沌映射，分析了离散混沌序列的特性。这些为分析基 于混沌的通信方案的性能奠定基础。 再次，分析了混沌键控( c s k ) 和差分混沌键控( d c s k ) 的性能，并介绍了衍生的调制 方案，如c o o k 、s c s k 、q c s k 、f m d c s k 等，同时还对混沌脉位调错i ( c p p m ) 原理和 性能进行了分析。 最后，针对现有的基于混沌的数字调制方案提出了部分的改进方案：分组分帧 f m d c s k 和f m c d s k ，前者可以提高f m d c s k 的误码性能，后者可以提高f m d c s k 的保密性和传输速率，在不同的方面改善了原来的f m - d c s k 方案。 总之，本文在分析了c s k 和d c s k 及其衍生方案的基础上，提出了改进方案。通 过理论推导和仿真实验表明：分组分帧的f m d c s k 在误码性能上要优于一般的 f m d c s k ；f m c d s k 保密性和传输速率方面要优于一般的f m d c s k 。 但是从式( 4 1 6 ) 可以看出，由于f m c d s k 在调制端同f m d c s k 相比较，在接收端 判决时增加了符号间干扰，所以其误码率要高于f m d c s k 。如何进一步提高误码性能 将是今后的研究的重点。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 致谢 致谢 在南京邮电学院学习近三年，尤其是在论文选题、提纲拟定、资料收集整理、论文 撰写等过程中，恩师蒋国平教授自始至终给了我精心的指导，为此倾注了大量的心血。 蒋老师敏捷的学术思想、严谨的治学态度、诲人不倦的育人精神，将永远铭记在我心中， 谨此表示衷心感谢! 在此，要特别感谢电路与系统硕士点其他导师，他们不顾工作繁忙、教学辛苦，认真 耐心细致地审阅了我的论文，并提出了很多宝贵修改意见。感谢答辩委员会的各位专家和 老师，感谢他- f c j 在百忙中对我的论文进行审阅，出席答辩并提出宝贵的意见。 感谢江苏省高校“青蓝工程”计划项目( j s 2 0 0 4 0 7 ) 和江苏省高校自然科学基金重点 项目( 0 4 k j a 5 1 7 0 9 2 ) 的资助。 感谢同门师兄弟宋永胜、刘永平、杨华、万冬东、薛龙和陈科的帮助。感谢在教研室 里和我朝夕相处的所有同学，感谢你们在这几年中带给我的快乐时光和无私帮助，你们的 友好情谊将让我永难忘记。 感谢我的父母、朋友给我的关心和帮助，使我能够顺利完成学业，没有后顾之忧，他 们的恩情我将永生难忘。 堕室塑皇查兰堡主堕塞圭兰垡兰壅童耋塑 参考文献 1 】c h u a l 0e t s p e c i a l i s s u eo nc h a o s 【j i e e e t r a n sc i r c u i t s s y s t e m s ，1 9 9 3 ，4 0 ( 1 0 ，1 1 ) 2 1k e n n e d ym o g o r z a l e r kme t s p e c i a li s s u eo nc h a o s ：s y n c h r o n i z a t i o na n de o n 仃o l 【j 】i e e et r a n s - c i r c u i t s s y s t e m sl ，1 9 9 7 ，4 4 ( 1 0 ) 3 】k e n n e d ym ，k o l u m b a n ge t s p e c i a li s s u eo nn o n - c o h e r e n tc h a o t i cc o m m u n i c a t i o n 【j 】i e e et r a n s c i r c u i t s & s y s t e m si ，2 0 0 0 ，4 7 ( 1 2 ) 4 1 k o c a r e vl m a g g i ogo g o r z a l e r kme t s p e c i a li s s u eo na p p l i c a t i o n so fc h a o s i nm o d e m c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s 【j 】i e e et r a o s c i r c u i t s s y s t e m sl2 0 0 1 ，4 8 ( 1 2 ) - 5 】h a s l e rm ，m a z z i n igo g o r z a l e km ，r o v a t t ir ，s e t t igs c a n n i n gt h es p e c i a li s s u e s p e c i a li s s u eo n a p p l i c a t i o n so fn o n l i n e a rd y n a m i c st oe l e c t r o n i ca n di n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g a 】i np r o c e e d i n g so f t h e i e e e c ，2 0 0 2 ，9 0 ( 5 ) ：6 3 1 - 6 4 0 【6 】樊昌信，詹道庸，徐炳祥，吴成柯通信原理( 第四版) 【m 】北京：国防工业出版社，1 9 9 5 【7 】王秉钧，居谧，孙学军，沈保锁。扩频通信【m 】天津：天津大学出版社，1 9 9 3 8 8 李承恕，赵容黎扩展频谱通信 m 】人民有点出版社- 1 9 9 3 5 【9 】p r o a k i sjg 著，张力军等译数字通信( 第三版) m 北京：电子工业出版社t 2 0 0 1 1 1 0 1c h u a lo k o m u r om ，m a t s u m o t ot t h ed o u b l es c r o l lf a m i l y j ，i e e et r a n s ，c i r c u i t s s y s t e m s ， 1 9 8 6 ，3 3 ( 1 1 ) ：1 0 7 3 - 1 1 1 8 1 1 吕敏杰l o r e n z 混沌电路之间断同步研究【d 】国立中山大学物理研究所硕士论文，2 0 0 1 6 【1 2 】关新平，范正平，陈彩莲，华长春混沌控制及其在保密通信中的应用【m 】北京：国防工业出版社， 2 0 0 2 1 3 1 程艳云混沌系统同步中的若干问题研究【d 硕士学位论文南京邮电大学，2 0 0 3 【l4 】z h o n ggq ，t a n gw ks c i r c u i t