CN100365946C - 基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信系统 - Google Patents

Abstract

基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信系统，涉及一种数字移动通信技术领域中使用跳频扩谱技术的通信方法，尤其是基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法。其步骤为将连续混沌信号作为宽带频率调制电路的输入信号，将数据信息和频率调制电路输出的宽带混沌载波信号输入差分混沌调制电路，将输入信号调制到宽带混沌载波信号之上并输出，再经信道滤波，并输入跳频发射系统与跳频载波信号混频后发射输出；由跳频接收系统接收端通过跳频序列的同步，去除接收信号中的高频载波，得到基带差分混沌频率调制信号，经信道滤波后的基带差分混沌频率调制信号输入差分混沌解调电路，解调出数字信息流。系统具有混沌扩谱和跳频扩谱性能，实现扩谱宽带通讯。

Description

基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信系统

技术领域

本发明涉及一种数字移动通信技术领域中使用跳频扩谱技术的通信方法，尤其是基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法。

技术背景

扩谱通信已经成为移动通信发展的主流技术，因为它符合无线通信中的最优的方式，即扩谱后的发射信号和其他用户的信号都是宽带类噪声的信号。通过扩谱技术将信号的能量扩展到一个比原始信号带宽大很多的频带上，大大降低发射信号的功率谱密度，因此它具有防检测、抗截收、降低干扰和抗多径等优点。从第三代移动通信系统的宽带CDMA，TD-SCDMA，CDMA2000到无线局域网的802.11，以及无线个人网络的BLUETOOTH(蓝牙)都采用扩谱技术，来解决移动通信系统在安全，系统容量和抗干扰上提出更高的要求。

目前扩谱通信主要有直序扩谱和跳频扩谱两种主流技术。其中直序扩谱使用伪随机序列和PSK调制技术扩展频谱，由于扩谱序列的每一序列值周期远小于调制数据周期，因此调制后的载波频谱范围得到扩展。跳频扩谱则是利用伪随机序列来控制载波频率在很宽的频谱范围内变化，得到扩谱信号。跳频扩谱由于采用窄带调制技术，抗多径干扰的能力较弱，一般通过用不同频率的载波信号重传丢失的信息来解决抗多径衰落问题。同时，由于在每一跳之间，跳频信号就是窄带调制信号(一般采用频移键控调制，FSK)具有很高的功率谱，形成对其他用户的严重干扰，也易于被检测和截获。

发明内容

本发明旨在提供一种可提高系统在抗多径干扰、防截收、降低自身干扰、高数率、多用户接入等方面的性能，同时降低系统的复杂度与成本的基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法。

本发明的步骤为：

1)由混沌信号产生电路的杜芬混沌振荡器产生连续混沌信号，其函数形式为：

$\frac{1}{c^2}\frac{{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{a}{c}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}-x+x^3=b\cos \mathrm{\ωt}$

或者用方程组表示为：

其中，c是自振频率，bcos ωt表示外加的周期驱动信号，b代表驱动信号的幅度，x代表振荡器输出的混沌信号，通过方程参数c和频率ω控制输出混沌信号的频谱范围，或通过改变周期驱动信号的幅度b和频率ω改变混沌信号的频谱，从而控制差分混沌频率调制输出信号的频谱，频谱范围从Hz量级至GHz量级。

2)将连续混沌信号作为宽带频率调制电路的输入信号，频率调制指数为500KHz/Volt～2MHz/Volt。

3)将数据信息先经过信源编码和信道编码成数字信息流后，作为输入信号输入到差分混沌调制电路，频率调制电路输出的宽带混沌载波信号作为差分混沌调制电路的载波，将输入信号调制到宽带混沌载波信号之上并输出。在差分混沌调制中，每比特的数据信息分别由参考混沌信号和信息调制混沌信号表示：

$S_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(t\right),& t_k\&le;t<t_k+T/2\\ x(t-T/2),& t_k+T/2\&le;t<T\end{array}\right.\mathrm{for\; bit}{}^{\&prime;}1^{\&prime;}$

$S_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(t\right),& t_k\&le;t<t_k+T/2\\ -x(t-T/2),& t_k+T/2\&le;t<T\end{array}\right.\mathrm{for\; bit}{}^{\&prime;}0^{\&prime;}$

其中S₁(t)，S₂(t)表示输出的调制信号，x(t)表示输入的混沌载波信号，T代表信息数据周期，t_k表示第k个信息数据的起始时间点。

4)差分混沌调制电路的输出信号经过信道滤波。

5)将经信道滤波器滤波后输出的信号输入跳频发射系统与跳频载波信号混频后发射输出。

6)由跳频接收系统接收端通过跳频序列的同步，去除接收信号中的高频载波，得到基带差分混沌频率调制信号。

7)将基带差分混沌频率调制信号经信道滤波器滤波，以提高系统的信噪比，降低误码率。

8)将滤波后的基带差分混沌频率调制信号直接输入差分混沌解调电路，解调出数字信息流。

本发明所说的跳频扩谱通信方法可通过如下的基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信装置给予实现，所说的通信装置设有混沌信号产生电路、频率调制电路、差分混沌调制电路、信道滤波器、跳频发射系统、跳频接收系统、信道滤波器和差分混沌解调电路。

本发明和现有的差分混沌频率调制(FMDCSK)系统不同之处在于：

1)采用杜芬混沌系统来产生混沌信号。杜芬混沌系统是一个由周期信号驱动的非线性连续振荡系统。和常用的Bernoulli(伯努利)混沌离散系统相比，它无需额外的转换电路来把离散混沌信号变成连续信号。由于Bernoulli混沌离散系统等同于移位系统，具体实现时对截断误差十分敏感，增加了实现的难度。相比而言，杜芬混沌系统则没有以上的问题，且实现电路简单。另外，杜芬混沌系统具有一个十分有用的特点，即它可以通过改变周期驱动信号的幅度和频率来改变混沌信号的频谱形状。因此可以根据不同的数据传输率，通过调整杜芬系统的自振频率来进行快速或慢速的混沌调制。

2)目前，基于FMDCSK的多址接入方案主要有组合FMDCSK和MA-DCSK(多址接入差分调制)等，两者都要求系统用户同步，才可以利用参考混沌信号和信息混沌信号部分的排列来实现用户之间的区隔。而且要改变接收机的结构，以确保参考混沌信号和对应的信息混沌信号部分对齐并实现相关解调。而采用本系统，则无需改变接收机的结构。同时，可以利用跳频系统的同步机制来提供接收机内控制脉冲发生器的时钟。

本发明与已有的扩谱系统的不同之处在于：

1)利用差分混沌频率调制技术取代传统跳频系统的窄带调制信号。利用差分混沌频率调制的宽频谱和不同步的混沌信号之间的低相关性，增加跳频系统在每一跳期间的抗多径干扰能力。差分混沌频率调制信号平坦的功率谱和较低的功率谱密度，将对其他用户的干扰降到最低，大大改善窄带调制高功率谱密度的缺陷。低功率谱密度的信号也提高了系统的抗截收性能，增加了通信安全。

2)和传统直序扩谱技术不同的是混沌调制直接利用混沌宽带信号来传输信息，而不是利用伪随机序列来扩展正玄周期信号的频谱带宽，因此它解决了传统扩谱序列数目有限和周期重复的弱点。

3)混沌载波的非周期性确保即使传输同样的数据符号它的传输波形也不会周期重复，加强了系统的安全性。同时由于采用简单的非相关收发系统，系统结构简单并无需复杂的同步、相关解调和序列扩谱，从而可以降低成本和提高系统的稳定性。

本发明通过结合混沌差分频率调制和跳频扩谱多址接入技术，使系统具有双扩谱的性能，即混沌扩谱和跳频扩谱。利用混沌信号宽带、非周期和信号间相关性弱的特点，使得频率调制后的载波在有限带宽内具有平坦的功率谱，从而实现扩谱宽带通讯。使用差分调制方式，在降低对同步和噪声要求的同时，更好地适用于移动通信的时变信道，并简化系统结构。在此基础上，结合广泛使用的扩谱跳频多址接入技术，实现了多用户、多站点的接入，同时在系统级别上进一步提高了系统的安全和性能。适用于无线局域网、室内无线移动系统等利用公共频谱的应用系统。

附图说明

图1为基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信装置组成框图。

图2为Poincare(庞加莱)切面图。在图2中，横坐标为X，纵坐标为Y。

图3为相空间轨迹图。在图3中，横坐标为X，纵坐标为Y。

图4为改进杜芬混沌系统x变量输出波形。

图5为频率调制器输出信号的平均功率谱。横坐标为频率(Hz)，纵坐标为功率谱密度(dB)。

图6为差分混沌调制电路组成框图。

图7为差分混沌解调电路组成框图。

图8为AWGN(高斯加性白噪声)信道下杜芬差分混沌频率调制和FSK误码率曲线图。在图8中，横坐标为信噪比Eb/No(dB)，纵坐标为误码率BER。

图9为杜芬差分混沌频率调制和FSK误码率仿真结果曲线图。在图9中，横坐标为信噪比Eb/No(dB)，纵坐标为误码率BER。

具体实施方式

如图1所示，基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信装置即通信系统的发射和接收系统可设有混沌信号产生电路、频率调制电路、差分混沌调制电路、信道滤波器、跳频发射系统、跳频接收系统、信道滤波器和差分混沌解调电路。系统的工作流程如下：

1)混沌信号产生电路通过采用改进的杜芬混沌系统产生连续混沌信号，其函数形式为：

$\frac{1}{c^2}\frac{{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{a}{c}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}-x+x^3=b\cos \mathrm{\&omega;t}$

或者用如下方程组表示：

它具有如图2～3所示的Poincare切面图和相空间轨迹图，其中，c是自振频率，bcos ωt表示外加的周期驱动信号，b代表驱动信号的幅度，x代表振荡器输出的混沌信号。可以利用方程参数c和频率ω来控制输出混沌信号的频谱范围。通过成比例地调整这两个参数，可以得到从Hz量级到KHz量级，甚至GHz量级的频率范围的混沌载波信号。图4所示改进杜芬混沌系统x变量输出波形随参数c和ω变化的情况(上图：c＝1000，ω＝1400；下图：c＝100，ω＝140)。还可以通过单独改变周期驱动信号的幅度b和频率ω来改变混沌信号的频谱，从而控制差分混沌频率调制输出信号的频谱。

2)产生的连续混沌信号作为频率调制电路的输入信号。频率调制指数根据扩谱的范围选择，一般为500KHz/Volt～2MHz/Volt。由于混沌信号的非周期性和宽带性，调频输出信号会涵盖整个信道频带而不是局限在某个频点上。输出端可以得到具有近似平坦功率谱的带限输出信号，如图5所示。

3)将数据信息先经过信源编码和信道编码成数字信息流后，输入到差分混沌调制电路，调制到频率调制电路输出的宽带混沌载波之上。在混沌差分调制中，每比特的数据信息分别由两个混沌信号来表示，分为参考混沌信号和信息调制混沌信号，如下式所示：

$S_1\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(t\right),& t_k\&le;t<t_k+T/2\\ x(t-T/2),& t_k+T/2\&le;t<T\end{array}\right.\mathrm{for\; bit}{}^{\&prime;}1^{\&prime;}$

$S_2\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}x\left(t\right),& t_k\&le;t<t_k+T/2\\ -x(t-T/2),& t_k+T/2\&le;t<T\end{array}\right.\mathrm{for\; bit}{}^{\&prime;}0^{\&prime;}$

其中S₁(t)，S₂(t)表示输出的调制信号，x(t)表示输入的参考混沌信号，T代表信息数据周期，t_k表示第k个信息数据的起始时间点。差分混沌调制电路的组成框图参见图6，其差分混沌调制过程如下：混沌载波信号从输入接口I1输入，一路经延迟电路Y1延迟T/2后，分别经过反向和正向放大器F1、F2后，加在开关S1上；由信息数据输入接口I2输入的信息数据也输入到开关S1上，由I2输入的信息数据决定最后输出的信号，实现信息调制混沌信号。混沌载波信号的另一路直接传递到另1个开关S2上，并在第一个T/2时间内经开关S2输出到差分混沌调制电路的输出端，作为参考混沌载波信号。控制器K1产生周期为T，占空比为50％的控制脉冲，控制开关S2在第一个T/2时间内导通输出参考混沌信号，而在第二个T/2时间导通输出信息调制混沌信号。差分混沌调制电路的输出信号由输出接口01输出。

4)调制输出信号经过信道滤波器进行滤波，保证对相邻信道的干扰最小。同时，由于差分混沌频率调制的误码率受信号周期T和信道带通滤波器带宽2b的影响，因此在设计信道滤波器时，它的通带带宽要尽可能接近按Carson(卡森)规则W≈2Δf+2f_m估计的调制波频谱带宽，从而降低系统的误码率。其中Δf，f_m分别表示最大调制频偏和调制信号最大频率。

5)跳频发射系统利用跳频扩谱技术作为差分混沌频率调制的多址接入技术，将经调制、滤波后输出的信号和跳频电路载波频率混频后发射。

6)跳频接收系统接收端通过跳频序列的序列同步，将接收信号中的载波去除，得到基带调制信号。

7)接收机的信道滤波器将基带差分混沌频率调制信号滤波，接收机的信道滤波器与发射端的信道滤波器相同，以提高系统的信噪比，降低误码率。

8)将滤波后的基带差分混沌频率调制信号直接输入差分混沌解调电路，解调出数字接收信息流。差分混沌解调电路的组成框图参见图7，接收信号从接收输入接口I3输入，并分两路传输，其中一路经延迟电路Y2延迟T/2后与另外一路未延迟信号在乘法器M1相乘，相乘后的信号输入积分器J1进行积分，积分周期为T/2。控制器K2产生周期为T，占空比为50％的控制脉冲，作为积分器J1的使能信号，使积分器只在第二个T/2时间内进行积分。积分输出信号经过门限判决电路P1判决，门限值(参考电位)为0。而后经过采样时间为T的采样保持电路C1，采样保持电路由解调输出接口02输出解调数据。

该系统在AWGN信道下的误码率理论和计算机仿真值见图8，在图8中给出非相关FSK理论值、差分混沌频率调制理论值(BT＝4)、差分混沌频率调制仿真值(BT＝4)、差分混沌频率调制理论值(BT＝20)和差分混沌频率调制仿真值(BT＝20)的曲线。图9为系统在PCS/JTC(原文为Joint Technical Committee for Personal Communications Services.)办公室内多径信道模型下，计算机仿真得到的误码率曲线图，在图9中给出非相关FSK(信道B)、非相关FSK(信道A)、差分混沌频率调制(信道B)和差分混沌频率调制(信道A)的曲线。在仿真实验中，a＝0.1，b＝0.35，c＝10⁷，ω＝1.4×10⁷。利用杜芬差分混沌频率调制的误码率性能在AWGN信道中的性能接近传统FSK，而且它的功率谱大大低于传统的FSK信号。而在常用的PCS/JTC办公室内多径信道模型A下，当E_b/N₀大于21db时，它的性能明显优于传统的FSK调制，体现了良好的抗多径性能。在较少出现的多径衰落较明显的信道模型b下，两者性能接近。说明差分混沌频率调制扩谱通信的性能在大部分室内环境下，优于传统的FSK调制。

Claims (5)

1.基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法，其特征在于其步骤为：

1)由混沌信号产生电路的杜芬混沌振荡器产生连续混沌信号，其函数形式为：

$\frac{1}{c^2}\frac{{\mathrm{dx}}^2}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{a}{c}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}-x+x^3=b\cos \mathrm{\&omega;t}$

或者用方程组表示为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{.}{x}\\ \stackrel{.}{y}\end{array}\right)=c[\left(\begin{array}{cc}0& 1\\ 1-x^2& -a\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}x\\ y\end{array}\right)+\left(\begin{array}{c}0\\ b\cos \mathrm{\&omega;t}\end{array}\right)]$

其中，c是自振频率，bcosωt表示外加的周期驱动信号，b代表驱动信号的幅度，x代表振荡器输出的混沌信号，通过方程参数c和频率ω控制输出混沌信号的频谱范围，或通过改变周期驱动信号的幅度b和频率ω改变混沌信号的频谱，从而控制差分混沌频率调制输出信号的频谱，频谱范围从Hz量级至GHz量级；

2)将连续混沌信号作为宽带频率调制电路的输入信号，频率调制指数为500KHz/Volt～2MHz/Volt；

3)将数据信息先经过信源编码和信道编码成数字信息流后，作为输入信号输入到差分混沌调制电路，频率调制电路输出的宽带混沌载波信号作为差分混沌调制电路的载波，将输入信号调制到宽带混沌载波信号之上并输出；

4)差分混沌调制电路的输出信号经信道滤波器滤波；

5)将经信道滤波器滤波后输出的信号输入跳频发射系统与跳频载波信号混频后发射输出；

6)由跳频接收系统接收端通过跳频序列的同步，去除接收信号中的高频载波，得到基带差分混沌频率调制信号；

7)将基带差分混沌频率调制信号经信道滤波器滤波；

8)将滤波后的基带差分混沌频率调制信号直接输入差分混沌解调电路，解调出数字信息流。

2.如权利要求1所述的基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法，其特征在于在步骤3)所说的差分混沌调制电路进行差分混沌调制中，每比特的数字信息分别由参考混沌信号和信息调制混沌信号表示：

其中S₁(t)，S₂(t)表示输出的调制信号，x(t)表示输入的混沌载波信号，T代表数字信息周期，t_k表示第k个数字信息的起始时间点。

3.如权利要求2所述的基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法，其特征在于在步骤3)所说的差分混沌调制电路进行差分混沌调制中，其差分混沌调制过程为：混沌载波信号从输入接口(I1)输入，一路经延迟电路(Y1)延迟T/2后，分别经过反向和正向放大器(F1、F2)后，加在第一开关(S1)上；由数字信息输入接口(I2)输入的数字信息也输入到第一开关(S1)上，混沌载波信号的另一路直接传递到第二个开关(S2)上，并在第一个T/2时间内经第二开关(S2)输出到差分混沌调制电路的输出端，作为参考混沌信号；控制器(K1)产生周期为T，占空比为50％的控制脉冲，控制第二开关(S2)在第一个T/2时间内导通输出参考混沌信号，而在第二个T/2时间导通输出信息调制混沌信号，差分混沌调制电路的输出信号由输出接口(O1)输出。

4.如权利要求1所述的基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法，其特征在于在步骤4)、7)中，所说的信道滤波器滤波的通带带宽按卡森规则W≈2Δf+2f_m的调制波频谱带宽，其中Δf，f_m分别表示最大调制频偏和调制信号最大频率。

5.如权利要求1所述的基于差分混沌频率调制的跳频扩谱通信方法，其特征在于在步骤8)中所说的差分混沌解调电路的混沌差分解调过程如下：接收信号从接收输入接口(I3)输入，并分两路传输，其中一路经延迟电路(Y2)延迟T/2后与另外一路未延迟信号在乘法器(M1)相乘，相乘后的信号输入积分器(J1)进行积分，积分周期为T/2；控制器(K2)产生周期为T，占空比为50％的控制脉冲，作为积分器(J1)的使能信号，使积分器只在第二个T/2时间内进行积分；积分输出信号经过门限判决电路(P1)判决，门限值为0；而后经过采样时间为T的采样保持电路(C1)，采样保持电路由解调输出接口(O2)输出解调数据。

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