CN101605112A - 一种超宽带混沌通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带混沌通信方法，该方法先将待发送数据进行均衡正交编码；均衡正交编码有两个码字b₀和b₁，每个码字里有相同数量的码元“0”或“1”，b₀和b₁相互正交；然后将所述待发送数据进行混沌开关键控调制，并将待发射的信号s(t)进行滤波及波形成型处理后发送到接收端；接收端接收发射端发送的信号后进行滤波，计算信号的能量，并进行解码；解码是利用均衡正交码的正交性和对称性进行解码；最后根据解码单元的输出值与零的大小关系，判决并输出数据。本发明的通信系统接收机端避免了估计和寻找最佳非零阈值的过程，克服了现有的混沌开关键控超宽带通信系统的缺点，从而降低了实现系统的难度。

Description

一种超宽带混沌通信方法

技术领域

本发明涉及超宽带无线通信技术领域，尤其是涉及一种超宽带混沌通信方法。

背景技术

近年来，超宽带(UWB)无线通信技术得到广泛的重视和研究。在无线个域网(WPAN)无线传输技术中，继蓝牙、802.11a/b之后，超宽带成为一项最具竞争力的热门技术。IEEE802.15.4a工作组致力于研究低速率的无线个域网(LR-WPAN)，LR-WPAN中的设备具有低数据率、低成本、低能耗、低复杂度的特点。超宽带混沌通信技术是满足IEEE 802.15.4a标准要求的主要技术之一。

混沌信号是宽带的、确定的、非周期和类随机的信号。混沌信号的宽带特点，以及混沌调制产生的不同的、非周期的、具有低互相关性的波形片段，使得它有良好的抗多径性。混沌信号在时域具有非周期性，它在频域的功率谱密度相对平坦，所以它很容易符合美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带技术严格的规定，并且可以最大程度地利用频带。混沌信号的类随机性，使得它被检测和截获的概率很低，增强了信息传输的安全性。

基于混沌的调制方案有混沌键控(CSK)，差分混沌键控(DCSK)和混沌开关键控(COOK)等。混沌键控调制方案的接收机实现起来比较困难，从易实现的角度考虑，超宽带混沌通信系统一般采用混沌开关键控或差分混沌键控调制方案。

混沌开关键控是最简单的调制方案之一，与传统的调制方案相比，混沌开关键控系统收发机的复杂度更低，发射机不需要射频混频，就可以发送宽带信号；接收机也不需要下变频过程。另外，与差分混沌键控相比，混沌开关键控通信系统的节能效率要高出它3dB。因此，混沌开关键控调制方案更能满足IEEE 802.15.4a低能耗、低复杂度、低成本的要求。

但是，混沌开关键控超宽带系统存在一个缺点和技术难点：系统接收机端非相干能量检测后，需要最佳非零阈值估计。一方面，最佳非零阈值很难准确估计；另一方面，最佳非零阈值受信噪比影响，当信噪比变化时，为了获得最佳的系统性能，需要改变最佳非零阈值。

发明内容

本发明的目的是提供一种超宽带混沌通信方法，以克服现有的混沌开关键控超宽带系统的缺点，避免系统接收机端的最佳非零阈值估计过程，解决噪声对阈值的影响问题，降低实现系统的难度。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供一种超宽带混沌通信的发送端方法，包括以下步骤：

A.将待发送数据进行均衡正交编码。所述待发送数据为二进制数据。所述均衡正交编码有两个码字b₀和b₁，每个码字里有相同数量的码元“0”或“1”，b₀和b₁相互正交；

B.将所述待发送数据进行混沌开关键控调制，混沌开关键控调制后，待发送的数据以混沌信号的形式发射，待发射信号为s(t)；所述待发送数据为经过均衡正交编码的数据。用于混沌开关键控调制的混沌脉冲信号c(t)的脉冲宽度为τ_c，τ_c要比混沌震荡的准周期T_c长；所述混沌脉冲信号通过Logistic映射产生。

C.将所述待发射信号s(t)进行滤波及波形成型处理；

D.将滤波及波形成型处理后的待发射信号s(t)发送到接收端；滤波及波形成型处理后的待发射信号s(t)为经过信道编码的高频数字基带信号；

本发明实施例的技术方案还提供一种超宽带混沌通信的接收端方法，包括以下步骤：

S1.接收发射端发射的信号；

S2.将所述接收到的信号进行滤波，接收滤波器输出的信号为r(t)；

S3.计算信号r(t)的能量y_i；所述信号r(t)为接收滤波器输出的信号，所述能量y_i为所述信号r(t)的每帧信号的能量；

S4.通过所述能量数据y_i对所述信号r(t)进行解码，解码单元的输出值为ρ；所述解码是利用均衡正交码的正交性和对称性进行解码；

S5.根据解码单元的输出值ρ与零的大小关系，判决并输出数据。

相对于现有的技术，本发明具有如下优点：

1、本发明的通信系统接收机端避免了估计和寻找最佳非零阈值的过程，克服了现有的混沌开关键控超宽带通信系统的缺点，从而降低了实现系统的难度，更加符合IEEE802.15.4a的标准要求。

2、用于判决输出数据的阈值为零，不受信噪比的影响，这样大大降低了系统的复杂度。与现有的方法相比，在加性高斯白噪声信道下，其误码性能有所提高。

附图说明

图1是本发明的一种超宽带混沌通信方法的原理框图。

图2是本发明采用的混沌信号的(a)时域波形和(b)频域功率谱密度波形的示意图，这里给出的波形均为归一化的波形。

图3是本发明在MATLAB环境下仿真试验得到的通信系统性能曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要说明的是本发明要求保护的范围并不局限于实施例记载的范围。

本发明实施例的一种超宽带混沌通信方法的原理图如图1所示，包括超宽带混沌通信的发送端方法和超宽带混沌通信的接收端方法。

(1)一种超宽带混沌通信的发送端方法，包括以下步骤：

A.将待发送数据进行均衡正交编码。待发送数据为二进制数据。均衡正交编码是一种二进制编码，均衡正交编码有两个码字b₀和b₁，每个码字里包含N个码元，每个码字有相同数量的码元“0”或“1”，码字b₀和b₁相互正交，即，b_j＝[b_j，1，b_j，2，...，b_j，i，...，b_j，N]，b_j表示信息比特j(0或1)对应的均衡正交码的码字，b_j，i表示码字b_j的第i个码元， ${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{b}_{j,i}=N/2,$ b_0，i+b_1，i＝1，N表示均衡正交码的码长，N为偶数，1≤i≤N。

在MALAB仿真试验中，待发送数据可以通过MATLAB函数rand()产生。假如要产生10000个待发送数据，即要产生10000个二进制数据，则产生二进制数据的方法为rand(1,10000)＞0.5。仿真试验中，如果取均衡正交码的码长N＝2，则均衡正交编码的码字b₀和b₁可以分别表示为b₀＝[0，1]，b₁＝[1，0]；如果取N＝4，则均衡正交编码的码字b₀和b₁可以分别表示为b₀＝[0，1，0，1]，b₁＝[1，0，1，0]或b₀＝[0，1，1，0]，b₁＝[1，0，0，1]；N的取值越大，符合均衡正交编码条件的码字数就越多。

编码后，二进制数据“0”用码字b₀表示，二进制数据“1”用码字b₁表示。由此可见，编码后的数据依然为二进制数据。

B.将待发送数据进行混沌开关键控调制，混沌开关键控调制后，待发送的数据将以混沌信号的形式发射，待发射信号为s(t)；所述待发送数据为经过均衡正交编码后的数据。混沌开关键控调制过程如下，如果均衡正交编码后的码字的码元b_j，i为0，则不发送混沌信号c(t)；如果均衡正交编码后的码字的码元b_j，i为1，则发送混沌信号c(t)；由此可见，混沌开关键控调制后，待发送的数据将以混沌信号的形式发送，混沌信号是待发送数据的载体。混沌开关键控调制后，待发射信号s(t)可以表示为：

$s\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{b}_{j,i}c(t-{\mathrm{iT}}_s)---\left(1\right)$

式中，s(t)为待发射信号，c(t)为混沌脉冲信号，T_s为混沌脉冲帧周期，N表示均衡正交码的码长，b_j，i为码字b_j的第i个码元，1≤i≤N，j＝0或1。

超宽带通信中的信号一般为脉冲信号。因此，混沌信号为混沌脉冲信号。本发明可设混沌脉冲信号c(t)的脉冲宽度为τ_c，τ_c要比混沌震荡的准周期T_c长，即τ_c＞＞T_c。混沌脉冲信号的频带宽度Δf_c与脉冲宽度τ_c无关，而是由混沌信号源产生的连续混沌信号的频带宽度决定。假定混沌信号源产生的连续混沌信号的频带宽度为AF，则有：

${\mathrm{\Δf}}_c=\mathrm{\ΔF}=F_u-F_l=\frac{1}{T_c}---\left(2\right)$

式(2)中，F_u和F_l分别为混沌震荡频带的上界和下界，T_c为混沌震荡的准周期。由此可见，混沌脉冲信号的功率谱与连续混沌信号的功率谱几乎一样，这是与传统的周期脉冲信号不同之处，传统的脉冲信号频带宽度与脉冲宽度成反比。

本发明中，混沌脉冲信号通过Logistic映射产生。Logistic映射的表示式为：

x_n+1＝1-ax² _n，1.40115...＜a≤2，-1≤x_n≤1    (3)

式(3)中，x_n为n时刻混沌信号的值，x₀为混沌信号的初始值，a为混沌系统的参数值，a的值一般取2。

在MATLAB仿真环境下，对式(3)所表示的混沌信号进行仿真，取混沌系统的参数值a＝2，混沌信号的初始值x₀＝0.1，仿真得到的时域混沌信号波形如图2(a)所示，图中还给出了a＝2，x₀＝0.10001时的混沌信号波形，可以看出，虽然初值仅相差0.00001，但导致了两个混沌信号在短时间内迅速分开，体现了混沌信号的初值敏感性。另外，因为混沌信号可以用很简单的电路产生，而混沌信号又具有初值敏感性，所以可以产生大量的混沌脉冲波形，与传统的超宽带通信系统相比，本发明降低了系统的成本。在MATLAB仿真环境下，对式(3)所表示的混沌信号的频域功率谱密度进行仿真，取混沌系统的参数值a＝2，混沌信号的初始值x₀＝0.1，得到的混沌信号的频域功率谱密度波形如图2(b)所示，可以看出混沌信号的功率谱密度相对平坦，显示出宽带特性和类噪声性，宽带特性使它更加容易符合超宽带技术的技术规范，类噪声性提高了信息传输的安全性。

C.将所述待发射信号s(t)进行滤波及波形成型处理。为了在收发端建立无码间干扰的频域滤波，待发射信号s(t)经过发送滤波器进行滤波，虑除带外信号，以及进行波形成型处理。发送滤波器为带通滤波器，波形成型处理由高性能波形整形滤波器完成。

D.将滤波及波形成型处理后的待发射信号发送到接收端。滤波及波形成型处理后的待发射信号为经过信道编码后的高频数字基带信号；待发射信号通过发射天线辐射发射。

(2)一种超宽带混沌通信的接收端方法，包括以下步骤：

S1.接收发射端发射的信号。信号通过噪声信道后，接收端用接收天线进行接收；

S2.将接收到的信号进行滤波，接收滤波器输出的信号为r(t)。滤波的过程由带通滤波器来实现。

假定信道为加性高斯白噪声(AWGN)信道，带通滤波后的信号可以表示为：

$r\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{b}_{j,i}h(t-{\mathrm{iT}}_s)+n\left(t\right)---\left(4\right)$

其中，h(t)为混沌脉冲c(t)的信道响应；n(t)是双边功率谱密度为N_o/2的AWGN信号，T_s为混沌脉冲帧周期，N表示均衡正交码的码长，b_j，i为码字b_j的第i个码元，1≤i≤N，j＝0或1。

S3.计算信号r(t)的能量y_i；信号r(t)为接收滤波器输出的信号，能量y_i为信号r(t)的每帧信号的能量。计算r(t)每帧信号的能量y_i的公式为：

$y_i={\∫}_{i{T}_s}^{i{T}_s+T}{r}^2\left(t\right)\mathrm{dt},T\≤T_s,---\left(5\right)$

r(t)为接收滤波器输出的信号，y_i为r(t)每帧信号的能量，T_s为混沌脉冲帧周期，1≤i≤N，N为均衡正交码的码长。

S4.通过能量数据y_i对所述信号r(t)进行解码，解码单元的输出值为ρ。所述解码是利用均衡正交码的正交性和对称性进行解码；解码的过程如下：每N个数据码元y_i组成一向量y_j＝[y₁，y₂，...，y_N]，j＝0或1，由b₀和b₁间的正交性，可以推出j＝0时， $b_0{y_0}^T\&GreaterEqual;b_1{y}_0^T,$ 同理可推出j＝1时， $b_0{y}_1^T<b_1{y}_1^T.$ 解码单元的输出值为：

$\mathrm{\&rho;}=(b_0{y}_j^T-b_1{y}_j^T)/N_o---\left(6\right)$

b₀和b₁为均衡正交码的码字，y_j为数据码元y_i组成的向量，N_o/2是加性高斯白噪声信号的双边功率谱密度，ρ为解码单元的输出值。

S5.根据解码单元的输出值ρ与零的大小关系，判决并输出数据。判决过程如下：如果ρ≥0，则判决输出数据为“0”；如果ρ＜0，则判决输出数据为“1”。

在MATLAB仿真环境下，使用Monte Carlo法对本发明的通信系统的误码性能进行仿真。待发送数据的数量为40000个，独立运行10次仿真后对仿真结果取平均，在加性高斯白噪声信道下，本发明的系统的误码率随信噪比变化的曲线如图3所示，图中还给出了在相同仿真条件下，传统的超宽带混沌通信系统的误码率曲线。对比可以看出，本发明的通信系统具有更好的误码性能。

由以上说明可以看出，本发明避免了估计和寻找最佳非零阈值的过程，用于判决输出数据的阈值为零，不受信噪比的影响，克服了传统的混沌开关键控通信系统的缺点，降低了实现系统的难度，与现有的方法相比，在加性高斯白噪声信道下，其误码性能有所提高。本发明适用于低速无线个域网，亦适用于使用混沌开关键控的通信系统。

Claims (4)

1、一种超宽带混沌通信方法，其特征在于：包括超宽带混沌通信的发送端方法和超宽带混沌通信的接收端方法；

(1)超宽带混沌通信的发送端方法包括以下步骤：

A.将待发送数据进行均衡正交编码；所述待发送数据为二进制数据；所述均衡正交编码有两个码字b₀和b₁，每个码字里有相同数量的码元“0”或“1”，b₀和b₁相互正交；

B.将所述待发送数据进行混沌开关键控调制，混沌开关键控调制后，待发送的数据以混沌信号的形式发射，待发射信号为s(t)；所述待发送数据为经过均衡正交编码的数据；用于混沌开关键控调制的混沌脉冲信号c(t)的脉冲宽度为τ_c，τ_c要比混沌震荡的准周期T_c长；所述混沌脉冲信号通过Logistic映射产生；

C.将所述待发射信号s(t)进行滤波及波形成型处理；

D.将滤波及波形成型处理后的待发射信号发送到接收端；滤波及波形成型处理后的待发射信号为经过信道编码的高频数字基带信号；

(2)超宽带混沌通信的接收端方法包括以下步骤：

S1.接收发射端发送的信号；

S2.将所述接收到的信号进行滤波，接收滤波器输出的信号为r(t)；滤波的过程由带通滤波器来实现；若信道为加性高斯白噪声(AWGN)信道，带通滤波后的信号为：

$r\left(t\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{b}_{j,i}h(t-i{T}_s)+n\left(t\right)$

其中，h(t)为混沌脉冲c(t)的信道响应；n(t)是双边功率谱密度为N_o/2的AWGN信号，T_s为混沌脉冲帧周期，N表示均衡正交码的码长，B_j，i为码字b_j的第i个码元，1≤i≤N，j＝0或1；

S3.计算带通滤波后的信号r(t)的能量y_i；所述能量y_i为所述信号r(t)的每帧信号的能量； $y_i={\&Integral;}_{i{T}_s}^{i{T}_s+T}{r}^2\left(t\right)\mathrm{dt},$ T≤T_s，

r(t)为带通滤波后的信号，T_s为混沌脉冲帧周期，1≤i≤N，N为均衡正交码的码长；

S4.通过能量数据y_i对所述信号r(t)进行解码，解码单元的输出值为ρ；所述解码是利用均衡正交码的正交性和对称性进行解码；

S5.根据解码单元的输出值ρ与零的大小关系，判决并输出数据；如果ρ≥0，则判决输出数据为“0”；如果ρ＜0，则判决输出数据为“1”。

2、根据权利要求1所述的超宽带混沌通信方法，其特征在于：所述Logistic映射的表示式为：x_n+1＝1-ax² _n，1.40115...＜a≤2，-1≤x_n≤1

其中，x_n为n时刻混沌信号的值，x₀为混沌信号的初始值，a为混沌系统的参数值，a＝2。

3、根据权利要求1所述的超宽带混沌通信方法，其特征在于：所述待发送数据进行混沌开关键控调制形成待发射的信号s(t)，待发射的信号s(t)表示为：

$s\left(t\right)={\mathrm{\&Sigma;}}_{i=1}^N{b}_{j,i}c(t-i{T}_s)$

式中，s(t)为待发射信号，c(t)为混沌脉冲信号，T_s为混沌脉冲帧周期，N表示均衡正交码的码长，b_j，i为码字b_j的第i个码元，1≤i≤N，j＝0或1。

4、根据权利要求1所述的超宽带混沌通信方法，其特征在于：所述利用均衡正交码的正交性和对称性进行解码是指：每N个数据码元y_i组成一向量y_j＝[y₁，y₂，...，y_N]，j＝0或1，由b₀和b₁间的正交性，推出j＝0时， $b_0{y_0}^T\&GreaterEqual;b_1{y}_0^T;$ j＝1时， $b_0{y}_1^T<b_1{y}_1^T;$ 解码单元的输出值为：

$\mathrm{\&rho;}=(b_0{y}_j^T-b_1{y}_j^T)/N_o$

b₀和b₁为均衡正交码的码字，y_j为数据码元y_i组成的向量，N_o/2是加性高斯白噪声信号的双边功率谱密度，ρ为解码单元的输出值。

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