CN101599775B

CN101599775B - 构造扩频码的方法及装置

Info

Publication number: CN101599775B
Application number: CN2009100877898A
Authority: CN
Inventors: 安勇; 牟荣增; 阎跃鹏
Original assignee: Institute of Microelectronics of CAS
Current assignee: Ruili Flat Core Microelectronics Guangzhou Co Ltd
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2029-06-26
Also published as: CN101599775A

Abstract

本发明公开了一种构造扩频码的方法，包括：利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列；根据扩频码长所确定的初始启动时刻和结束时刻对所述二值量化混沌序列进行截取处理，以得到截取混沌序列；对所述截取混沌序列进行升速处理，将其速率提高；对所述截取混沌序列进行处理以得到改进混沌序列；将速率提高的所述截取混沌序列和所述改进混沌序列进行移位合并，从而得到自平衡扩频码。本发明还公开了一种构造扩频码的装置。本发明不仅提高了扩频通信系统的保密性，而且构造的扩频码具有良好的自相关特性和互相关特性。

Description

构造扩频码的方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，特别涉及一种构造扩频码的方法及装置。

背景技术

扩频通信系统中的抗干扰、抗多径、抗截获、保密、多址通信、实现同步等都与所采用的直接序列扩码的特性密切相关。为了满足扩频系统对直接序列扩频码长度的各种要求，用作直扩码的伪随机序列应具有较长的周期；为了有效地减小系统的载波泄漏，伪随机序列应具有良好的平衡性；为了减小多径干扰和自干扰，伪随机序列应具有尖锐的自相关特性；为了减小系统的多址干扰，伪随机序列应具有尽可能小的互相关；为了保证系统的容量和多址通信能力，伪随机序列应有足够多的序列数；为了提高系统的保密性以及抗截获性能，伪随机序列应具有较高的复杂度；为便于系统的同步，伪随机序列的产生应在工程上易于实现。由此可以看出，一组具有良好性能的扩频码对于扩频通信系统的成功设计具有重要的影响。

目前，广泛应用于扩频通信系统中的扩频码主要是m序列，Gold序列。尽管这些扩频序列拥有相当好的相关特性，然而这些序列的线性复杂度太低，因而能够用线性递归的方法重构，这就大大降低了扩频通信系统的保密性。而且对于特定长度的m序列来说，其可选的范围比较小，导致选择一组互相关特性比较好的扩频码的余地比较小。例如，对于9级m序列共有48个，取出任一序列可以找到12个m序列与其互相关最大值为33，但是找不到多于3个序列的组，其中任意两个序列的互相关最大值等于33。Gold序列的地址数虽然远远大于m序列，但是并不是所有的Gold序列都可以用于扩频通信中的扩频码。其中有一半的非平衡码都不能应用于扩频系统。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能提高扩频通信系统保密性的采用混沌序列构造扩频码的方法及装置。

本发明提供一种构造扩频码的方法，可包括：

利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列；

根据扩频码长所确定的初始启动时刻和结束时刻对所述二值量化混沌序列进行截取处理，以得到截取混沌序列；

对所述截取混沌序列进行升速处理，将其速率提高；

对所述截取混沌序列进行处理以得到速率提高的改进混沌序列；

将速率提高的所述截取混沌序列和所述改进混沌序列进行移位合并，从而得到自平衡扩频码。

本发明还提供一种构造扩频码的装置，可包括：

混沌序列产生器，利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列；

截取器，根据扩频码长所确定的初始启动时刻和结束时刻对所述二值量化混沌序列进行截取处理，以得到截取混沌序列；

升速器，对所述截取混沌序列进行升速处理，将其速率提高；

改进序列产生器，对所述截取混沌序列进行处理以得到改进混沌序列；及

移位合并器，将速率提高的所述截取混沌序列和所述改进混沌序列进行移位合并，以得到自平衡扩频码。

通过本发明构造的适用于扩频通信系统中的扩频码，不仅提高了扩频通信系统的保密性，而且构造的扩频码具有良好的自相关特性和互相关特性。另外，由于使用混沌序列作为发生源，可用于扩频通信系统的不相干序列数量巨大，所以从中选出一组互相关特性比较好的码的可能性大。

附图说明

图1是本发明实施例提供的构造扩频码的方法的流程示意图；

图2是图1所示方法中经过二值量化后得到二值量化混沌序列的流程示意图；

图3是图1所示方法中对所述截取混沌序列进行处理以得到速率提高的改进混沌序列的流程示意图；

图4是图3所示方法中对所述全倒置后的序列进行块倒置处理的流程示意图；

图5是本发明实施例提供的构造扩频码的装置的结构框图；

图6是图5所示装置中混沌序列产生器的结构框图；

图7是图5所示装置中改进序列产生器的结构框图；

图8是图7所示改进序列产生器中块倒置模块的结构框图；

图9是本发明实施例提供的反相处理原理示意图；

图10是本发明实施例提供的全倒置处理原理示意图；

图11是本发明实施例提供的基S块倒置原理示意图；

图12是本发明实施例提供的移位合并原理示意图；

图13是本发明实施例提供的构造扩频码的原理示意图；

图14本发明方法产生的扩频序列的自相关特性示意图；

图15本发明方法产生的扩频序列的互相关特性示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的利用混沌映射构造扩频通信系统中的扩频码的方法，可包括：

步骤S1、利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到取值为+1，-1的二值量化混沌序列(即伪随机混沌序列)。其中，初始条件可为某时刻的初始输入值。此步骤S1将结合图2进行具体说明。

步骤S2、根据扩频码长(假设扩频码长为2N)来确定的初始启动时刻M和结束时刻M+N-1，对二值量化混沌序列进行截取处理，以得到序列长度为N的截取混沌序列x_i，i的取值范围为M≤i＜M+N；

步骤S3、对截取混沌序列x_i进行升速处理，将其速率提高1倍；对序列长度为N的截取混沌序列进行处理以得到速率提高1倍的改进混沌序列；至于如何得到改进混沌序列将结合图3进行具体说明。

步骤S4、将速率提高1倍的截取混沌序列和改进混沌序列进行移位合并，从而得到最终长度为2N的自平衡扩频码。

如图2所示，利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到取值为+1、-1的二值量化混沌序列可包括：

步骤S11、选定混沌映射方式，根据选定的混沌映射方式按照产生混沌序列的条件选择混沌映射参数和零时刻的初始输入值，以得到连续的混沌序列。混沌映射的方式包括Logistic映射、Chebyshev映射或Tent映射，且不局限于此三种可选混沌映射方式。

其中，Logistic映射的表达式为x_n+1＝rx_n(1-x_n)，x_n∈(0，1)，当3.5699456＜r≤4，Logistic映射工作于混沌状态。

Chebyshev映射定义为x_n+1＝cos(q cos^-1 x_n)，x_n∈[-1，1]。当q等于2的整数次幂时，Chebyshev映射表现为混沌现象。

Tent映射定义为

x_{n + 1} = \{\begin{matrix} \frac{x_{n}}{a}, 0 < x_{n} < a \\ \frac{1 - x_{n}}{1 - a}, a \leq x_{n} \leq 1 \end{matrix},

0＜a＜1，Tent映射处于混沌状态。

步骤S12、选定二值化的方法，根据选定的二值化方法对连续的混沌序列进行二值量化处理以得到二进制输出序列，该二进制输出序列取值为+1、-1。其中，选定的二值化的方法可包括门限法，且不局限于此两种二值化方法，可以是其它的任何将模拟序列变换成正负1的二值化方法。

如图3所示，对序列长度为N的截取混沌序列进行处理以得到速率提高1倍的改进混沌序列可包括：

步骤S31、对截取混沌序列x_i进行反相处理(即f(x_i)＝-x_i)，输出反相序列。

步骤S32、对反相序列进行全倒置处理，输出全倒置序列，即y_i＝-x_2M+N-1-i。

步骤S33、对全倒置序列进行块倒置处理，输出块倒置序列。对全倒置序列可进行基S块倒置处理。至于如何对全倒置序列进行基S块倒置处理，将结合图4进行具体说明。

步骤S34、对块倒置序列进行升速处理，将该序列速率提高。

如图4所示，对全倒置序列进行基S块倒置处理可包括：

步骤S331、选定S的值，它可以被N整除，将长度为N的全倒置序列分割成

块，每块序列的长度为S，其中，第1个S块的范围为M≤i＜M+S，第2个S块的范围为M+S≤i＜M+2S，...，第个S块的范围为M+N-S≤i＜M+N。

步骤S332、对于每块长度为S的序列进行块内的全倒置处理，即z_i＝y_{2M+(2j-1)S-1-i}＝-x_N-(2j-1)S+i，M≤i＜M+N，其中，

j = 1,2, . . ., \frac{N}{S}

表示第几个S块。将其分解后，第1个S块的处理为z_i＝y_2M+S-1-i＝-x_N-S+i，第2个S块的处理为z_i＝y_2M+3S-1-i＝-x_N-3S+i，...第

个S块的处理为z_i＝y_2M+2N-S-1-i＝-x_-N+S+i。

如图5所示，本发明实施例提供的利用混沌映射构造扩频通信系统中的扩频码的装置，可包括混沌序列产生器1、截取器2、升速器3、改进序列产生器4及移位合并器5。其中，

混沌序列产生器1，利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列，即伪随机混沌序列，并将伪随机混沌序列输至截取器2。如图6所示，混沌序列产生器1可包括混沌映射模块11及二值化模块12，其中，混沌映射模块11，选定混沌映射方式，根据选定的混沌映射方式按照产生混沌序列的条件选择混沌映射参数和零时刻的初始输入值，以得到连续的混沌序列，并将该混沌序列输至二值化模块12。二值化模块12，根据选定的二值化方法对混沌映射模块11输出的连续的混沌序列进行二值量化处理以得到二进制输出序列，即得到取值为正负1的伪随机混沌序列。

截取器2，接收来自混沌序列产生器1的伪随机混沌序列，并根据扩频码长所确定的初始启动时刻M和结束时刻M+N-1对伪随机混沌序列进行截取处理，得到一段序列长度为N的截取混沌序列x_i，i的取值范围为M≤i＜M+N。

升速器3，接收截取器2输出的截取混沌序列x_i，并对该截取混沌序列进行升速处理，将其速率提高一倍。

改进序列产生器4，接收截取器2输出的截取混沌序列x_i，并对截取混沌序列进行处理以得到速率提高1倍的改进混沌序列。如图7所示，改进序列产生器4可包括反相器41，全倒置模块42，块倒置模块43及升速器44。其中，反相器41，对截取混沌序列进行反相处理，输出反相序列至全倒置模块42。反相的基本原理是通过乘以-1将原始序列反相。如图9所示，将输入的序列x_i，从起始时刻M开始到结束时刻M+N-1的长度为N的二值化序列进行反相处理后得到反相序列f(x_i)＝-x_i，i的取值范围为M≤i＜M+N。

全倒置模块42，接收反相序列，对反相序列进行全倒置处理，输出全倒置序列至块倒置模块43。全倒置基本原理是对输入的反相序列按倒序的方式重新排列一遍。如图10所示，经过反相器41处理后的长度为N的二值化序列f(x_i)＝-x_i在进行全倒置处理后变成y_i＝-x_2M+N-1-i，i的取值范围为M≤i＜M+N。将i＝M带入y_i＝-x_2M+N-1-i可知，经过全倒置后，起始时刻M处的数y_M变成了原来结束时刻的-x_M+N-1。同理，将i＝M+N-1带入后得到结束时刻M+N-1处的数y_M+N-1变成了原来起始时刻的-x_M。

块倒置模块43，接收全倒置序列，对全倒置序列进行块倒置处理，输出块倒置序列至升速器44。块倒置模块43对全倒置序列可进行基S块倒置处理。如图8所示，块倒置模块43可包括分块模块431和块内倒置模块432。其处理过程可如下：首先，分块模块431将原来长度为N的全倒置序列等分成

个长度为S的短序列；然后，块内倒置模块432对每个短序列进行倒序重排。由图11可知，对第1个S块进行倒序重排后，原来的y_i＝-x_2M+N-1-i变成z_i＝y_2M+S-1-i＝-x_N-S+i，此时，i的取值范围为M≤i＜M+S；对第2个S块进行倒序重排后，原来的y_i＝-x_2M+N-1-i变成了z_i＝y_2M+3S-1-i＝-x_N-3S+i，此时，i的取值范围为M+S≤i＜M+2S；......；对第

个S块进行倒序重排后，原来的y_i＝-x_2M+N-1-i变成z_i＝y_2M+2N-S-1-i＝-x_-N+S+i，此时，i的取值范围为M+N-S≤i＜M+N。将上述每个S块的表达式合并成一个整体的表达形式后为z_i＝y_{2M+(2j-1)S-1-i}＝-x_N-(2j-1)S+i，此时，i的取值范围为M≤i＜M+N，j表示S块的序号

j = 1,2, . . ., \frac{N}{S} .

升速器44，接收块倒置序列，对块倒置序列进行升速处理，将该序列速率提高1倍。

移位合并器5，将速率提高的截取混沌序列和改进混沌序列进行移位合并，以得到自平衡扩频码。图12给出了移位合并的原理图。这里的两个序列一个是原始的序列x_i，i的取值范围为M≤i＜M+N；另一个是经过改进序列发生器4后的序列z_i，i的取值范围为M≤i＜M+N。将原始序列x_i放在前面，将序列z_i对应的插入相同序号的后面，就可以得到合并后的序列。移位合并后的序列第0个值是x_M，第1个值是z_M，...，第2N-2个值是x_M+N-1，第2N-1个值是Z_M+N-1。移位合并处理的表达式可为：

其中，k＝0，1，2，...，2N-1代表最终长度为2N的扩频序列的序号。

图8给出了本发明实施例提供的构造扩频码的原理示意图，其中，对每一步的原理的解释已经在上面做了详细的介绍，不再赘述。

下面给出一个具体的仿真实例，利用Logistic映射构造两个混沌序列。序列1的参数和初始值为r＝4，x₀＝0.7；序列2的参数和初始值为r＝4，x₀＝0.7000001。本发明实施例提供的方法对这两个混沌序列的处理如下：

首先，对两个混沌序列采用门限为0.5的阈值量化方法进行二值化处理；然后，确定起始时刻M＝500，扩频码序列的长度为2N＝1000，确定N＝500；然后，进行全倒置处理和S＝10的基S快倒置处理；最后，进行移位合并后得到最终的两个扩频序列c1_i和c2_i。图14给出了采用本发明实施例提供的方法构造的扩频序列c1_i的归一化自相关特性仿真结果，图15给出了采用本发明实施例提供的方法构造的扩频序列c1_i和c2_i的归一化互相关特性仿真结果。

本发明实施例提供的方法所产生的扩频码，由于采用了反相操作和原码的合并，所以它是一种自平衡的扩频码，在使用时无需再考虑码的平衡性问题。另外，由于本发明实施例提供的方法以混沌序列作为产生源，所以相对于m序列、Gold码等扩频序列来说它的可用码数量远远超过了传统的扩频码。混沌序列不像m序列和Gold序列那样可以用线性递归的方法实现重构，混沌序列的本质是随机二进制序列，它的复杂度非常高，不可能从序列的有限长度导出系统的初始条件，所以大大提高了扩频系统的保密性和抗干扰性。此外，经过仿真分析采用本发明实施例提供的方法所产生的扩频码具有良好的自相关性和互相关性。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种构造扩频码的方法，其特征在于，包括：

利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列；所述利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列包括：

根据选定的混沌映射方式按照产生混沌序列的条件选择混沌映射参数和零时刻的初始输入值，以得到连续的混沌序列；

根据选定的二值化方法对所述连续的混沌序列进行二值量化处理以得到二值量化混沌序列；

对所述截取混沌序列进行升速处理，将其速率提高；对所述截取混沌序列进行处理以得到速率提高的改进混沌序列；所述对所述截取混沌序列进行处理以得到改进混沌序列包括以下步骤：对所述截取混沌序列进行反相处理，输出反相序列；对所述反相序列进行全倒置处理，输出全倒置序列；对所述全倒置序列进行块倒置处理，输出块倒置序列；对所述块倒置序列进行升速处理，将该序列速率提高；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述混沌映射方式包括Logistic映射、Chebyshev映射或Tent映射。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述二值化方法包括门限法或二进制表示后取特定位数法。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述全倒置后的序列进行块倒置处理包括：

将所述全倒置序列进行分块处理；

对每块序列进行块内的全倒置处理。

5.一种构造扩频码的装置，其特征在于，包括：

混沌序列产生器，利用混沌映射和初始条件，经过二值量化后得到二值量化混沌序列；所述混沌序列产生器包括：混沌映射模块及二值化模块；所述混沌映射模块，选定混沌映射方式，根据选定的混沌映射方式按照产生混沌序列的条件选择混沌映射参数和零时刻的初始输入值，以得到连续的混沌序列；所述二值化模块，根据选定的二值化方法对所述连续的混沌序列进行二值量化处理以得到二值量化混沌序列；

改进序列产生器，对所述截取混沌序列进行处理以得到速率提高的改进混沌序列；所述改进序列产生器包括：反相器，对所述截取混沌序列进行反相处理，输出反相序列；全倒置模块，对所述反相序列进行全倒置处理，输出全倒置序列；块倒置模块，对所述全倒置序列进行块倒置处理，输出块倒置序列；升速器，对所述块倒置序列进行升速处理，将该序列速率提高；

及

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述块倒置模块包括：

分块模块，将所述全倒置序列进行分块处理；及

块内倒置模块，对每块序列进行块内的全倒置处理。