（电路与系统专业论文）基于混沌的超宽带无线通信的研究.pdf

i i l l ll li iij ill1 1 1 11ii| y 19 0 9 0 9 8 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r t h er e s e a r c ho fu l t r a w i d e b a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nc h a o s c a n d i d a t e ：y u a n l i p i n g s u p e r v i s o r p r o f w a n gg u a n g y i d e c e m b e r ，2 0 1 0 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：丽诫军 日期：酗1 年1 月l1 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或 使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件， 允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其 它复制手段保存论文。( 保密论文在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 指导教师签名： 月矾车 荔荔支 日期：仂i l 年1 月j7 日 日期： 年7 月j 1 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 混沌通信是一种利用混沌的类随机和连续宽谱特性对有用信号进行加密的新概念通信技 术。混沌序列因为具有近似正交和码源众多的特点，所以相比传统的p n 序列，混沌序列有 更好的周期性和更丰富的码源。混沌产生的p n 序列性能优良，具有非线性，初值敏感性和 随机性等特性，非常适合用于保密通信以及扩频码的产生。因此混沌序列及其在d s - u w b 数 字通信中的应用具有重要的意义和良好的应用前景。 本文以混沌d s - u w b 通信为应用背景，介绍了混沌d s u w b 的研究背景及意义，以及 混沌通信的研究现状和发展趋势。作为预备知识，介绍了混沌的基本理论知识，混沌的基本 特征和描述以及u w b 通信系统的基础知识。 设计了一类基于l o r e n z 系统，通过几个非线性函数的组合成的新的切换混沌系统。对这 个切换混沌系统的基本动力学特性进行了理论分析和数值分析，利用e d a 技术，通过对切换 混沌系统进行离散化，在f p g a 上得到实现，并从串口读出p n 序列。对提取出的切换混沌 序列在l i n u x 操作系统下进行n i s t 测试，并分析了序列的性能，达到了预期结果，产生了用 于u w b 通信系统的混沌序列。 在构造的切换混沌数字序列的基础上，主要分析了加入切换混沌序列的u w b 通信系统 发射信号的形式和功率谱密度，接收机的性能等。用m a t l a b 仿真工具设计了 p a m c d s u w b 通信系统的混沌通信模型，对切换混沌数字序列在p a m c d s 。u w b 通信系 统中的性能进行了分析和仿真实验验证，并和传统的u w b 通信系统进行了比较，结果表明， 加入了切换混沌序列的u w b 系统比传统的u w b 通信系统性能更好，达到了预期的结果。 最后对全文的工作进行了总结，对混沌超宽带通信的发展进行了展望。 关键词：混沌，切换混沌序列，f p g a ，n i s t 测试，u w b 通信 、i t hs e v e r a ln o n l i n e a rf u n c t i o n s t h eb a s i cd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h es w i t c h e dc h a o t i cs y s t e m a r ea n a l y z e dw i t ht h e o r ya n dn u m e r i c a la n a l y s i s u s i n ge d at e c h n o l o g yt od i s c r e t et h es w i t c h e d c h a o t i cs y s t e ma n dt h es y s t e mw a si m p l e m e n t e do nf p g aa n dw ec a ng e tt h es e r i a lp ns e q u e n c e f r o mt h es e r i a lp o r t t h ee x t r a c t e ds w i t c h e dc h a o t i cs e q u e n c ei st e s t e di nl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mb y n i s ta n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h es e q u e n c ei sa n a l y z e d t h er e s u l ti ss h o wt h a tt h es e q u e n c ec a n s a t i s f yt h ec o m m a n d o fu w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e m o nt h eb a s i so ft h i sc o n s t r u c t e dd i g i t a ls w i t c h e dc h a o t i cs e q u e n c e s ，t h eu w bc o m m u n i c a t i o n s y s t e ms i g n a lf o r m ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t ya n dt h ep e r f o r m a n c eo f t h er e c e i v e ra l em a i n l ya n a l y z e d j o i n e ds w i t c h e dc h a o t i cs e q u e n c e s t h em o d e lo fp a m - c d s u w b i sc o n s t r u c t e dw i mm a t l a b t h ep e r f o r m a n c eo fp a m - - c d s - u w ba d d i n gs w i t c h e dc h a o t i cs e q u e n c ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e d c o m p a r e d t ot h et r a d i t i o n a lu w bc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h er e s u l ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo f t h es y s t e ma d d i n gs w i t c h e dc h a o t i cs e q u e n c ei sb e t t e rt h a nt h et r a d i t i o n a ls y s t e m f i n a l l yt h ew h o l e w o r k sh a v eb e e ns u m m a r i z e da n dt h ec h a o t i cu l t r a - w i d e b a n dc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n ti s p r o s p e c t e d k e y w o r d s ：c h a o s ，s w i t c h e dc h a o t i cs e q u e n c e ，f p g a ，n i s t , p a m - c d s u w b ，p e r f o r m a n c e i l 第1 章绪论1 1 1研究背景及意义1 1 2混沌通信的研究现状及发展趋势一2 1 3本文的主要内容与结构安排2 第2 章混沌理论与u w b 通信简介4 2 1 混沌基本概念4 2 1 1 混沌的定义4 2 1 2 混沌吸引子4 2 1 3 分岔现象5 2 1 4 普适性5 2 1 5 高度的初值敏感特性5 2 1 6 轨道不稳定性6 2 1 7 长时间不可预测性6 2 2超宽带技术6 2 2 1 超宽带无线电定义一6 2 2 2 超宽带无线电的基本原理7 2 2 3 超宽带无线通信的特点7 2 - 3混沌超宽带通信技术8 2 4本章小结8 第3 章混沌系统的设计与实现9 3 1切换混沌系统的构造9 3 2e d a 技术简介1o 3 2 1f p g a 设计方法与开发流程l o 3 2 2d s pb u i l d e r 的弓i 入。11 3 3混沌系统的数字化和硬件实现1 2 3 3 1 混沌系统的数字化1 2 3 3 2 切换混沌系统的硬件实现1 3 i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 4混沌p n 序列性能分析l5 3 4 1 概述1 5 3 4 2n i s t 测试16 3 5 本章小结1 8 第4 章混沌u w b 信号的发射与接收1 9 4 1 脉冲序列1 9 4 2 d s p a m 信号的发射i _ 2 0 4 2 1 直接序列扩频系统( d s s s ) 2 0 4 2 2c d s p a m ( 直接混沌序列脉冲幅度) 调制方式2 0 4 2 3c d s p a m - u w b 的功率谱密度2 l 4 3t h u w b 信号的发射2 3 4 3 1 跳时序列扩频系统( t h s s ) 2 3 4 3 2c t h 。p p m ( 混沌跳时脉冲位置) 调制方式2 3 4 3 3t h p p m 的功率谱密度2 5 4 4u w b 信号的接收一2 7 4 4 1 最佳接收机原理2 7 4 4 2c t h p p m 和c d s p a m 调制下u w b 接收机2 8 4 5室内多径信道一31 4 5 1u w b 多径信道模型31 4 5 2i e e e8 0 2 1 5 3 a 建议的超宽带信道模型3 2 4 6信号接收机性能分析3 6 4 6 1r a k e 接收机原理一3 7 4 6 2r a k e 接收机结构及性能分析3 8 第5 章a w g n 信道下的多用户混沌u w b 通信4 2 5 1多址和多用户干扰4 2 5 2a g w n 信道下多用户c d s p a m u w b 系统的性能分析4 3 第6 章总结与展望4 7 6 1工作总结4 7 6 2研究展望4 7 致谢4 9 参考文献5 0 附录5 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，由于无线网络技术的飞速发展，人们需要解决可利用的频谱资源日益紧张的问 题。超宽带技术具有传输速率高、抗多径干扰能力强等许多优势，引起了人们的广泛关注。 早期 n b 技术的发展带动了脉冲检测器等设备的开发。自2 0 0 2 年美国联邦通信委员会f c c 定 义了超宽带通信系统并规范了超宽带系统的使用以后，超宽带技术的发展进入了一个新的里 程碑【1 3 1 。 u w b 通信技术的成功发展在很大程度上依赖于多址技术的发展【4 。5 】。现有的u w b 脉冲通信 系统主要是用伪随机序列p n ( p s e u d o r a n d o n o i s e ) 来实现多址，常用的多址码有m 序列， g o l d 序列，置换序列，同余序列等，这些序列都是周期序列，码元数目很有限，难以充分体 现到u w b 通信系统的优势。随着非线性动力学的发展与进步，各种混沌、超混沌系统不断被 发现，使得用混沌系统产生非周期多址码变成可能。近年来，对混沌序列的研究为选择扩频 多址码开辟了一条新的途径。由于混沌系统对初值的高度敏感性，混沌系统生成的序列数目 非常大，且由于混沌序列具有极高的复杂度，可以提高传输的安全性。另外，混沌序列的生 成也非常简单。这些非周期编码，如混沌码、伪混沌码以及超混沌码等，通过移除传递信号 的谱特征加强了系统扩频特性，因此导致低截获率。 u w b 通信中的关键技术是扩频多址码的设计与产生，它的使用降低了信号的功率谱密度， 增强了系统抗干扰、抗敌方检测和截获的能力，同时也是u w b 通信系统实现多址通信的来源， 它的数量直接决定了系统能够容纳的用户数量。所以扩频多址码序列性能的优劣直接关系到 整个系统的性能。 因此，对u w b 通信技术的研究将具有重大意义。而随着现代通信技术的发展，可利用的 频谱资源越来越紧张，故需要复用有限的频谱资源，这就需要多址技术，寻找性能优良的多 址码是u w b 通信技术中非常值得研究的课题之一。 在扩频多址技术中，地址码的选取尤为重要，传统的扩频技术采用的都是二进制的伪随 机码( p n 序列) 作为扩频序列。m 序列，g o l d 序列和r s 码等伪随机码普遍存在复杂度低， 保密性差，码数量有限，易被截获等缺点，人们正不断寻找新的扩频序列【锚】。依据混沌序列 的白噪声统计特性，较理想的自相关和互相关特性，且产生简单、码元丰富、抗干扰能力强等 特性，极其适合作为扩频序列，本文在混沌理论的基础上，构造了切换混沌系统用来产生切 换混沌序列，非常适合用在u w b 通信系统中，提出了基于混沌扩频序列的u w b 通信系统方案， 具有非常好的抗噪声和多址干扰的能力，改善了超宽带多用户无线通信系统的性能，对研究 u w b 多址通信具有重要意义。 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 混沌通信的研究现状及发展趋势 混沌系统的模型是完全确定性方程( 不含任何不确定性因素) ，而混沌却具有不可预测性， 正因为混沌具有这样的特征，所以在信息的传输、编码和安全方面具有很大的应用价值，而 且在通信领域也有很大的应用价值。 1 9 6 3 年l o r e n z 发现了第一个混沌吸引子【 1 1 ，1 9 7 5 年马里兰大学的t y “( 李天岩) 和 j y o r k e 发表了“周期3 意味着混沌 的著名论文【1 2 1 ，提出了作为非周期行为的一个标准术语 “混沌。在7 0 年代后混沌理论有了较快的发展。r o s s l e 盱1 9 7 6 年提出- r o s s l e r 混沌系纠1 3 。5 】， 1 9 8 3 年c h u a 发现了著名的c h u a 电路【1 6 】，它显示出了非常复杂的混沌行为【1 卜1 8 】通过改变电路的 参数。 混沌调制是混沌通信中最复杂的问题。然而，混沌调制相对混沌遮掩和混沌开关技术有 几个不可比拟的优点：首先它用混沌信号谱的整个范围都用来隐藏信息；其次它增加了对参 数变化的敏感性，从而增强了保密性。而扩频通信作为混沌调制技术的一种它有一定的代表 性。这是由于混沌信号本身具有类噪声、宽带宽，易于产生却难于预测等特点，因此可以作 为扩频通信的扩频序列码。混沌系统所具有的对初始条件的敏感性的特点为多用户通信提供 了条件。正是由于这些良好的特性使得混沌在扩频通信中具有很好的保密性和抗干扰能力， 使得混沌在超宽带扩频通信中的应用成为近几年混沌在保密通信研究中的一个热点。 近年来，以混沌为基础的各种保密通信方案频频出现在电子、通信、计算机以及物理学 的相关刊物上，文酬1 9 圳1 对混沌保密通信的同步方法进行了研究，文酬2 2 】研究了利用广义混 沌同步进行信号传输的方法，文科2 强5 】提出了将混沌信号应用于超宽带通信系统中。 在超宽带无线通信系统中采用混沌扩频序列有诸多优点：理论上无限多的码源；混沌序 列可以同时完成信息信号的扩频和载波调制；合适的混沌序列可以提高数据速率，降低多址 干扰，使系统具有更大的容量。近年来国外对混沌序列作为扩频码的研究已经发展成为热点， 并且已经证明，在仅考虑多址干扰m a i 的情况下，混沌序列是最优的扩频序n t 2 6 1 。混沌通信 的诸多性能如低误码率、抗多径、抗干扰性、抗截获能力、保密性、抗多址能力等都与混沌 信号的优劣直接有关，即要求混沌信号要具有良好的随机性、接近6 函数的自相关性和接近于 零的互相关性。因此，混沌超宽带无线通信系统的关键是良好的同步以及众多良好随机混沌 信号的产生，寻找符合超宽带无线通信系统要求的混沌序列已成为使其由实验室走向实用的 关键技术之一。 1 3 本文的主要内容与结构安排 本文以混沌通信为应用背景，主要研究了一类新的切换混沌系统的构造及其切换混沌数 字序列的产生，对产生的切换混沌序列的性能在l i n u x 操作系统下进行了n i s t ( n a t i o n a l i n s t i t u t e o f s t a n d a r d s a n d t e c h n o l o g y ) 分析，分析结果表明，切换混沌序列与传统的序列相比， 可以更好地满足超宽带通信系统的需求并提高系统的性能，设计了p p m c t h - u w b 和 p a m c d s u w b 通信系统的混沌通信模型，对切换混沌数字序列在p p m c t h u w b 和 2 i 杭州电子科技大学硕士学位论文 p a m c d s u w b 通信系统中的性能进行了仿真验证，并获得了预期的结果。 本文共分六章，各章的内容和结构安排如下： 第一章，介绍了本文的研究背景及意义，以及混沌通信的研究现状和发展趋势。 第二章，作为预备知识，介绍了混沌的基本理论知识，混沌的基本特征和描述以及u w b 通信系统的基础知识。 第三章，设计了一类基于l o r e n z 系统，通过几个非线性函数的组合成的新的切换混沌系 统。对这个切换混沌系统的基本动力学特性进行了理论分析和数值分析，利用e d a 技术，通 过对切换混沌系统进行离散化，在f p g a 上得到实现，并从串口读出p n 序列。对提取出的 切换混沌序列在l i n u x 操作系统下进行n i s t 测试，并分析了序列的性能，达到了预期结果， 产生了用于u w b 通信系统的混沌序列。 第四章，在第三章构造的切换混沌数字序列的基础上，主要分析了加入切换混沌序列的 u w b 通信系统发射信号的形式和功率谱密度，接收机的性能等。用m a t l a b 仿真工具设计了 p p m c t h - u w b 和p a m c d s u w b 通信系统的混沌通信模型，对切换混沌数字序列在 p p m - c t h u w b 和p a m - c d s - u w b 通信系统中的性能进行了分析和仿真实验验证，并和传统 的u w b 通信系统进行了比较，结果表明，加入了切换混沌序列的u w b 系统比传统的u w b 通 信系统性能更好，达到了预期的结果。 第五章，构造了混沌多用户通信模型，并对切换混沌数字序列在u w b 多用户通信中的性 能进行了仿真实验验证，仿真结果与理论结果基本一致。 第六章，对全文的工作进行了总结，对混沌超宽带通信的发展进行了展望。 杭州电子科技大学硕士学位论文 第2 章混沌理论与u w b 通信简介 自从l o r e n z 在上世纪6 0 年代初发现第一个混沌吸引子以来，混沌现象作为非线性科学 的重要分支【2 7 - 2 9 在许多科学领域获得了巨大而深远的发展。混沌现象的发现和认识是非线性 科学最重要的成就之一。国际上已经提出了很多利用混沌来进行通信的方法，如混沌参数调 制、混沌键控、混沌扩频、混沌掩盖技术等。本章将对混沌现象的发现与认识，混沌理论的 建立和发展以及对现代科学研究的作用和影响，混沌的定义和基本特征进行介绍。混沌通信 系统作为通信的一个新的发展方向，向人们展示了诱人的前景，本章在介绍混沌理论的同时， 作为后续的铺垫，将要介绍u w b 通信的基础知识。 2 1 混沌基本概念 2 1 1 混沌的定义 迄今为止，混沌一词还没有一个公认的普遍适用的定义。大多数的学者认为，因为从事 不同领域研究的学者都是根据自己的需求来理解混沌，因此很难给出混沌的精确定义。离散 系统中常见的是d e v a n e y 和l i - y o r k e 定义： 定义2 1 设x 是紧致度量空间，厂是x 到自身的连续映射。如果下述三个条件满足：( 1 ) 厂 是对初始条件敏感依赖的；( 2 ) f 是拓扑传递的：( 3 ) f 的周期点在x 中处处稠密。则称厂在 d e v a n e y 意义下是混沌的。 上述是d e v a n e y 定义的混沌，该定义把混沌归结为三个特征：( 1 ) 不可预测性；( 2 ) 不 可分解性；( 3 ) 具有规律性行为。因为对初值具有敏感性，所以混沌的系统是不可预测的。 因为拓扑传递性，则系统不能被细分或不能被分解为两个在厂下不相互影响的子系统。 定义2 2 设x 是紧致度量空间，是x 到自身的连续映射，d 是x 上的一个度量。如果存在 不可数集合scx ，满足 ( 1 ) 存在一切周期的周期点； ( 2 )存在不可数子集jc k b 】，s 不含周期点，使得 l i m i n f l f 一( x ，名) 一f 一( y ，五) i = 0 7 x ，y s ，x y ! i m s u p l f 一( x ，名) 一，月( y ，五) l 0 r x ，y s ，x y l i m s u p l f 打( x ，名) 一，刀( 夕，名) l 0 r x s 上述是l i y o r k e 定义下的混沌。根据上述定义，我们可得到混沌存在所有阶的周期轨道。 2 1 2 混沌吸引子 混沌系统属于耗散系统的一种，他的相体积在运行变化的过程中不断地内敛到特定的范 围内，区域空间有限，该区域被称为吸引子。耗散系统的这一特性从宏观上讲就是系统整体 表现为稳定，但其内部的轨道是不稳定的，轨道在确定的相体积中以特定的模式不断拉长、 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 弯曲并折返，从而组成了不断内嵌的相似而不重复的特定相酬2 引。混沌吸引子也被称作奇异 吸引子。 2 1 3 分岔现象 分岔：分岔是指某个参数( 或某组参数) 发生变化时，长时间动力学运动的类型也发生变化。 这个参数值( 或这组参数值) 成为分岔点，在分岔点处参数的微小变化会产生不同性质的动力学 特性，故系统在分岔点处是结构不稳定的。 如果考虑含参数的非线性常微分方程系统【2 9 1 ： v 竺；= 圣= 厂( x ，口1 ( 2 1 ) d f 、7 式中工u r “，口= ( q ，) 1 j r ”，称为分岔参数，也称为控制变量。上式中， 当参数口连续变化时，系统的拓扑结构在j 处发生突变，即平衡点由混沌变为不稳定， 称系统在口= a o 处出现分岔，并称为一个分岔值。在参数口的变化中，由分岔值组成的集 合称为分岔集。另外，混沌系统具有初值敏感性，内随机性等一系列特性。 2 1 4 普适性 普适性是指在趋向混沌时所表现出来的共同的特征，它不依具体的系数以及系统的运动 方程而变。普适性有两种，即结构的普适性和测度的普适性。前者是指趋向混沌过程中轨线 的分岔情况与定量特性不依赖于该过程的具体内容，而只与它的数学结构有关；后者指同一 映射或迭代在不同测度层次之间嵌套结构的相同，结构的性态只依赖于非线性函数展开式的 幂次。著名的f e i g e n b a u m 常数就是通过对l o g i s t i c 方程的研究得到的。 2 1 5 高度的初值敏感特性 在动力学系统中，运动或者行为是由2 个条件决定的：一个是系统本身的运动演进的规 律，也就是这个系统的数学表示的方程，如l o r e n z 方程，r o s s l o r 方程等。另一个是该系统， 也就是确定的方程，的现态，即初始值。如果这两个因素都确定以后，即有一个明确的动力 学方程，还有一个特定的初值，则这个系统就是唯一的确定的。在经典力学里面，初始值是 不会显著影响系统的运行轨道的，即，当两个系统的初始值很接近时，他们的运行轨道也应 该是接近的，并一直保持下去，在相空间上表示，就是两条轨迹线接近平行地运行。假设缈 ) 表示初始值为x o 的系统的运行轨道，纽表示初值改变的一个微小的值，那么发生改变后 的轨道可表示獬卸。当厶很小时，两条轨道的偏移量i 黼曲一致拗) l 也足够小，这就 是说，在确定系统里，整个系统对初值是不敏感的。但是混沌系统则不是这样的，它的轨道 与初始值密切相关。如果两条轨道的初始值非常接近，仅差一个很小的增量，那么这个系统 在较短时间内这两条轨道还是较为接近的，但当足够长时间后，这两条轨道就显著分离，也 就是说，当时间足够长时，混沌系统微小的初始值的增量在运行中不变增大，直至轨道产生 重大偏移。这就是混沌系统长期运行时对初值的高度敏感性 2 9 - 3 0 。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1 6 轨道不稳定性 当系统在较长时间上运行时，其参数的变化会引起系统的动力学特性发生变化【3 。但并 不是说参数在任意节点的变化都会引起动力学特性变化，那些引起变化的参数就叫分岔点， 在分岔点上参数的很小的变化都会得到特性不同的动力学状态，也就是说，混沌系统在分岔 点具有不稳定的结构。 2 1 7 长时间不可预测性 因为混沌具有高度的初值敏感性，即若两条轨道的初始值非常接近，那么这个系统在较 短时间内这两条轨道还是接近的，但当足够长时间后，这两条轨道就显著分离，可见在足够 长时间后，就无法对其在该时刻的动力学特性进行有效的预测【3 2 1 。 对这一特性的最好说明便是蝴蝶效应与天气预报。l o r e n z 系统的方程最初是用来模拟实 现气候的变化特性的，该系统是混沌系统，假设有两地仅有非常小的气候差异，但在长时间 后可能会出现截然不同的气候。就像南美洲的蝴蝶动一下翅膀，因为扩散开去就影响到了北 美洲的巨大风暴。 2 2 超宽带技术 2 2 1 超宽带无线电定义 “超宽带( u w b ，u l t r aw i d eb a n d ) 的定义来源于u w b 雷达系统，是指电磁波波形的 相对能量带宽大于0 2 0 - 0 2 5 。超宽带技术是一种无线载波通信技术，它利用纳秒至皮秒级的 非正弦波脉冲传输数据，其所占的频谱范围很宽，可以从数至数g h z 。美国军方于1 9 9 0 年首 先提出了超宽带的概念，其定义的特征是信号的相对带宽大于2 5 的任何波形，这里的相对 带宽是指2 ( ，：i 一以) ( 五+ 五) ，其中，五表示信号低端频率，厶表示信号高端频率，瓴一五) 表示信号带宽。表达式如下： 相对带宽：骐1 0 0 2 5 ( 2 2 ) t j 七j l 上式中，z = ( ，：l + 五) 2 为信号的中心频率。 若一个信号的中心频率低于1 0 m h z ，能量带宽为2 m h z ，我们就认为该信号是一个u w b 信号。u w b 信号下限频率是5 0 0 m h z ，由下限频率我们得到信号的阀值为0 2 h z 。中心频率 在阀值以下的信号，当其相对带宽超过o 2 0 时是u w b 信号；而中心频率在阀值以上的信号， 当其带宽超过5 0 0 m h z 时可以认为是u w b 信号。 2 0 0 2 年4 月，美国f c c 给出了u w b 的两种定义。第一种是信号的相对带宽大于等于o 2 ； 第二种定义是信号的1 0 d b 带宽大于或等于5 0 0 m h z 。即有： 相对橼黜枷毗揸 ( 2 3 ) 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 兀一f 5 0 0 m h z ( 2 4 ) 超宽带只是从信号的带宽方面定义无线电信号的，所以它有多种实现形式，其中最典型 的是冲激无线电( p u l s er a d i o ) ，它是以占空比很低的脉冲作为信息载体的无线电技术，本文 所采用的即是这种超宽带技术。 2 2 2 超宽带无线电的基本原理 根据香农信道公式 c = b l o g ，( 1 + 【_ ) ( 2 5 ) 。 b n o 式中b 为信道带宽，n o 为高斯白噪声功率谱密度，p 为信号功率。可得增大通信容量有 两种实现方法，一是增加信号功率p ，二是增大传输带宽。u w b 技术就是通过后者来获得非 常高的传输速率。由式( 2 5 ) ，信道容量c 与信道带宽呈线性增长，与信号功率p 呈较为缓 慢的对数增长，因此增加信号的带宽比增加信号的功率更为有效。u w b 信号频带极宽，一般 在几百m h z 以上甚至更高，利用如此高的频带，可以实现数据的高速传输。 处理增益( d b ) 1 0 1 0 9 ( 壶) + 1 0 1 0 9 ( 燃) ( 2 6 ) 其中，占空比( d u t yc y c l e ) = 脉冲持续时间( d u r a t i o n ) 脉冲重复周期，脉冲重复速率的 单位为脉冲秒( p u l s e s s ) ，信息传输速率的单位为比特秒( b i t s ) ，因此，脉冲重复速率厂信息 传输速率的单位为脉冲比特( p u l s e b i t ) 。从这个表达式中可以看出，脉冲占空比小，或每比 特时间里发射的脉冲数多，都可以使系统的处理增益得到提高。而u w b 信号恰好具有低占 空比，每比特数据中含有多个脉冲的特点。u w b 系统就可以工作在低信噪比的环境下，因为 其具有较强的抗干扰能力。 2 2 3 超宽带无线通信的特点 由于u w b 技术与传统的通信系统工作原理迥异，所以具有如下传统通信系统所无法比 拟的优点1 3 4 - 3 6 1 ： ( 1 ) 结构简单、功耗低、隐蔽性好。超宽带无线电的射频带宽可达几个g h z 以上，且所 需的发射功率一般在1 0 u w ，其功率谱密度很低，信号被隐蔽在环境噪声和其他信号中，难以 被敌方检测。 ( 2 ) 传输速率高。现代通信发展的主要趋势是综合化、数字化、宽带化、智能化和个人化， 只有信息速率不低于5 0 m b p s 时，才能保证提供高质量多媒体业务的无线网络。因为多径干 扰的消除，超宽带无线电从信号传播的角度看，可以提高数据传输的速率。 ( 3 ) 处理增益高。脉冲的占空比和发送每个比特所用脉冲数决定了超宽带无线电处理增 益，可以得到的处理增益比实际系统高得多。 ( 4 ) 抗干扰能力强。u w b 系统具有较大的处理增益因为其采用跳时扩频信号，在信号发 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 射时，宽阔的频带中分散着微弱的无线电脉冲信号，输出功率要小于普通设备产生的噪声。 接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，在同等码速条件下，u w b 具有比i e e e 8 0 2 1l a 、i e e e 8 0 2 1 1 b 更强的抗干扰性能。 ( 5 ) 隐蔽性和保密性好。由于u w b 技术采用跳时扩频，接收机只有已知发送端扩频码时 才能解出发射数据，而且系统的发射功率谱密度极低( 小于4 1 3 d b m m h z ) ，用传统的接收 机无法接受。 ( 6 ) 系统容量大。超宽带无线电发送占空比极低的冲激脉冲，采用跳时( t h ) 地址码调 制，便于组成类似于d s c d m a 系统的移动网络。由于u w b 无线电系统具有很高的处理增 益，并且具有很强的多径分辨能力，因此，超宽带无线电系统用户数量大大高于其它无线技 术。 ( 7 ) 多径分辨能力强。超宽带无线电发射的是持续时间极短的单周期脉冲且占空比极低， 其时间、空间分辨能力都很强，因此多径信号在时间上是可分离的。 ( 8 ) 穿透能力强。由于超宽带脉冲信号具有丰富的低频分量，实验证吲3 7 - 3 9 ，超宽带脉冲 信号具有很强的穿透树叶和障碍物的能力，超宽带技术还能实现隔墙成像。 2 3 混沌超宽带通信技术 u 1 j l b 系统的带宽很宽，如果使用很宽的频带来传送一路信息数据，那么频带利用率就很低， 这是通信系统所不希望的。对于通信系统来说，要提高频谱利用率，必须在同一段频带上传 输多路数据信息，即提高多址能力。 混沌是本世纪最重要的发现之一，混沌是指确定的非线性系统在一定条件下所呈现的 不确定的随机现象，这种系统对初值变化非常敏感，并具有天然的随机性和类白噪声特性。 因此，利用混沌系统对初始条件的敏感特性，可以提高数量众多、非相关、类随机而又确定 可再生的混沌序列，将其作为跳时扩频码运用于i j w b 系统中，可提高它的抗多址干扰性能。 将混沌概念引入到u w b 技术中，利用符号动态原则m 产生由输入比特编码得到的非周期 扩频序列，以满足u w b 系统对多址码的要求。在文献【4 h 2 】中，m a g g i o 等人给出伪混沌跳时多 址接入系统的模型，并对其性能进行了分析。文献【4 3 】通过对混沌跳时多址接入系统的性能进 行研究，发现混沌映射的方式和多址接入调制方式对混沌跳时多址接入系统的性能均有影响， 给出了一种改进型的m a - p c t h 系统，提高了误码性能和数据传输率。随着对混沌动力学的进 一步研究，混沌序列和超混沌序列在0 w b 系统中的应用前景会日益广阔。 2 4 本章小结 本章主要介绍了混沌的基本理论知识，包括混沌的定义，混沌的特性，以及超宽带技术 的基本概念和主要特性。其中混沌的特性一节介绍了吸引子、分形、分岔、初值敏感性等特 性；超宽带技术主要介绍了超宽带的定义、原理和相较于传统通信系统的主要优点，以及混 沌用于超宽带通信系统的前景。 8 杭州电子科技大学硕士学位论文 第3 章混沌系统的设计与实现 隹孽勉 慨， 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 l 出击= 础一曲 弋由 d l = 姆一您 l 幺峦= 髟+ 砂啦一4 1 ) 一亿 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 数值仿真表明，当a = 3 6 、b = 2 2 ，c = 3 、d = 0 4 时，系统( 2 ) 是混沌的。式中， 吸引子的相空间维数为3 ，且含有一个非线性项出2 。 这个系统属于广义l o r e n z 系统族，两个子系统之间可以互相切换，这种相互切换的 特性使系统具有一定的实用价值。图3 1 为上述混沌系统的吸引子仿真图： ( a ) x - y 相图 ( b ) x z 相图 ( c ) y - z 相图 图3 1 混沌吸引子 3 2e d a 技术简介 3 2 1f p 6 a 设计方法与开发流程 基于f p g a 的现代数字系统设计常采用自顶向下的设计方法，具体步骤如图3 2 所示。因 为f p g a 的一大特色是可以直接进行行为设计，而不用考虑底层的电路模块，所以这使得系统 设计有点类似于高级语言的编写。设计者首先对整个系统进行方案设计和模块划分；然后根 据系统或芯片的特点，将其分解为接口简单、相互关系明确、尽可能简单的子系统，进行结 构设计；下一步细化成类似流程图的逻辑设计；最后完成电路设计与版图设计。 图3 2f l e a 设计流程 当对系统的整体设计规划完毕后，利用h d l 语言实现系统硬件电路设计的重要途径，具 体主要包括三个步骤：行为描述、寄存器传输描述r t l 和逻辑综合。 l o o 0 蛇v b 仉 ，j、l = 叻 s 题， 降低 公司 ( 1 ) 设计输入：通常包括文本的输入和图形的输入。文本输入类似高级语言，目前主流 的语言有v h d l 与v e r i l o g 两种。图形输入含有原理图输入、状态图输入和波形输入等方法， 本文的d s p b u i l d e r 模块的输入也可以当作一定意义上的图形输入。 ( 2 ) 综合：输入多是行为级描述，还需要转化成更低层的元件或模块，在转化时要考虑 节省资源，降低延迟，减少竞争冒险等。综合主要是依据给定的硬件结构组件和约束控制条 件进行编译、优化、转换和综合，最终获得门级电路甚至更底层的电路描述网表文件。 ( 3 ) 适配：适配是将网表文件按指定的目标器件进行配置，其中包括底层器件配置、逻 辑分割、优化、布局布线等操作。 ( 4 ) 仿真：在编程下载前必须先利用e d a 工具对适配生成的结果进行仿真，以验证设计， 排除错误。仿真分时序仿真和行为级仿真。时序仿真文件中已经包含了器件硬件特性参数， 而功能仿真是直接对v h d l 、原理图描述或其他描述形式的逻辑功能进行测试模拟，以了解其 实现的功能是否满足原设计要求的过程。即在未下载到芯片时，检查设计是否完成功能，性 能是否满足要求。 ( 5 ) 下载和硬件测试：通过j t a 6 电缆或编程器可以把适配后生成的下载或配置文件下 载到f p g a 芯片，因为软件仿真是个模拟操作，与实际硬件电路必然存在差别，因此需要再做 硬件测试。 3 2 2d s pb u i id e r 的引入 d s pb u i l d e r 是a l t e r a 公司和m a t h w o r k s 合作开发的一款f p g a 设计工具，该工具在 杭州电子科技大学硕士学位论文 m a t l a b 与f p g a 间架起了桥梁，可以把一个系统表示为一个高度抽象的模块，并自动将系统映 射为一个基于f p g a 的硬件方案，生成v h d l 代码，使得复杂硬件电路设计周期大大缩短，弥 补了建模和实际应用间的隔断关系。所以，利用d s pb u i l d e r 来实现混沌系统成为目前国内 外产生数字混沌序列的主要手段之一。 图3 5 给出了基于m a t l a b 、d s pb u i l d e r 和q u a r t u si i 等工具完成设计的流程框图，从 该图中可以看出，整个系统设计主要分为以下几步： ( 1 ) 在m a t l a b s i m u l i n k 环境下进行模块化设计( 设计输入