CN106357576B - 基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法 - Google Patents

Abstract

针对相关延迟键控混沌通信方法相邻比特间存在互干扰成分而导致误码率较高的缺点，提出了一种基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法。该系统发射机中的混沌信号源经过哈达玛矩阵进行扩频后作为参考信号，待发送数据进行循环LDPC编码，发送的信号是参考信号与其自身延迟并经过数据调制后信号的和信号，接着乘以高频正弦波进行频分多址调制。接收信号首先乘以高频正弦波并经过滤波器提取该用户的信号，接着进行差分解调，最后通过循环LDPC信道译码。分析表明该方法可以很好地消除相邻比特间存在的互干扰成分，易于实现多址通信，误码率大大降低。

Description

基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法

技术领域

本发明属于通信领域，尤其涉及一种基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法。

背景技术

混沌载波信号的类噪声、对初值敏感性和宽频谱特性，使得混沌通信在具有安全保密要求的通信领域内得到了快速的发展，并成为信息安全领域的重要研究内容之一，同时也在民用和军用中具有良好的应用价值。混沌键控通信方式具有电路结构简单、易于实现、低截获率和保密性强等优点，是常用的混沌通信方案，相关延迟键控混沌通信是混沌键控通信方式中被广泛研究和应用的一种。相关延迟键控混沌通信系统的发送端发送的信号是参考混沌信号与其自身延迟并经过数据调制后信号的和信号，即发送的信号既包含参考混沌信号也包含经过数据调制后信号。在差分混沌键控方式中，采用键控的方法使数据信号与参考信号相分离，而相关延迟键控混沌通信方式采用求和的形式，发送端可以避免键控连续工作；而且相关延迟键控混沌通信方式不像差分混沌键控方式每比特信号中前半比特信号和后半比特信号要么相同，要么相反，因而具有更高的抗截获性。但是经过简单的分析可以看出，相关延迟键控混沌通信方式中求和的形式使得系统前后比特间存在相互干扰的现象，系统的误码率性能有一定下降，而且当综合考虑信道条件不良、多用户通信、多径效应的影响时，系统误码率性能急剧下降。

本发明所示的基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信（HCDSK）方法可以克服相关延迟键控混沌通信系统前后比特间存在相互干扰的现象，而且有效的实现多址通信，降低系统误码率。

发明内容

本发明的目的在于提出一种用于改善相关延迟键控混沌通信系统误码率性能的基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案，它包括基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发送端和基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的接收端：

（1）基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发送端包括以下步骤：

A、将混沌信号与哈达玛矩阵信号相乘进行扩频，从哈达玛矩阵行向量中取出行向量循环使用，行向量中取出的个数满足大于等于3，并且与每比特的混沌扩频因子数互素；

B、所述的扩频后信号分成两路进行求和，一路是扩频后信号自身，另一路是扩频后信号经过延迟并经过数据调制，该数据是待发送数据经过循环LDPC编码后的结果；

C、对所述的求和信号乘以高频正弦波进行频分多址调制，最终得到发送端的发送信号；

（2）基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的接收端包括以下步骤：

S1、接收端收到的接收信号和发送端同频同相的高频正弦波相乘，并通过低通滤波器进行滤波，低通滤波器截止频率为经哈达玛矩阵扩频后混沌信号带宽，然后对解调后的信号再进行差分相干解调；

S2、对差分相干解调之后的信号进行判决后经过循环LDPC译码得到待发送的数据。

采用上述技术方案的本发明，提出了基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法，和原相关延迟键控混沌通信方法比较，具有以下特点和优点：第一，在相关延迟键控混沌调制过程中使用了哈达玛矩阵对混沌载波信进行了正交处理，从而减少相邻比特间的相互干扰；第二，在发送端数据调制前首先对其进行了循环LDPC信道编码处理，然后在接收端进行循环LDPC译码，循环LDPC码编码译码有利于硬件实现，可以很好地降低系统误码率；第三，在发送端信号乘以高频正弦波进行频分多址调制，可以很好的解决CDSK系统的多用户通信问题。综上所述，本发明可以解决现有相关延迟键控混沌通信方法高误码率的缺陷。

附图说明

图1为相关延迟键控混沌通信系统的发射机；

图2为相关延迟键控混沌通信系统的接收机；

图3为本发明中基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发射机原理图；

图4为本发明中基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发射机原理图；

图5为基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的误码率图。

具体实施方式

相关延迟键控混沌通信（CDSK）方法的发射机和接收机原理图如图1和图2所示，发送端发送的信号是参考混沌信号与其自身延迟并经过数据调制后信号的和信号，是时间的延迟量。由此可见，发送的信号既包含参考混沌信号也包含经过数据调制后信号，前后比特间干扰严重。接收机采用差分解调的形式，利用混沌信号的低互相关性来实现数据的判决。但是随着混沌序列扩频因子的减小，混沌信号的正交性逐步恶化。在低信噪比时, 前后比特间的互干扰成分成为影响CDSK系统误码率的首要因素。CDSK系统的发送信号为

(1)

式(1)中， 是混沌信号， 为时间延迟量，为混沌信号产生器产生的每比特混沌信号的扩频因子， 为第比特待发送的数据，。

哈达玛矩阵具有良好的正交特性，阶哈达玛矩阵记为。=8时的具体形式如式（2）所示，显然可以看出哈达玛矩阵任意两行或两列的互相关为0。

（2）

基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发射机框图如图3，发送的混沌信号经过哈达玛矩阵进行扩频，待发送数据进行循环LDPC编码，然后进行CDSK调制，接着乘以高频正弦波进行频分多址调制，不同用户采用不同的频率的高频正弦波。基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法接收机如图4所示，接收信号首先乘以高频正弦波并经过滤波器提取该用户的信号，接着进行差分解调，最后通过循环LDPC信道译码。

由于HCDSK方式发射机前后比特也采用求和的形式，所以差分解调时互干扰项将包含相邻的3个比特。 设为系统使用的阶哈达玛矩阵的行向量的数量，为了保证HCDSK系统前后比特间的正交性， 则取， 且与互素。所取的个哈达玛矩阵行向量循环使用，根据哈达玛矩阵的良好正交性， 下文的分析中可以看到相邻比特间的干扰成分可以很好地被消除。HCSDK采用频分多址解决多址干扰问题，不同用户采用不同的频率的高频正弦波调制，频域正交，如果发送机和接收机高频正弦波同频同相，且滤波器具有良好的低通频率响应，截止频率为经哈达玛矩阵扩频后混沌信号带宽，则接收机可以不受其他用户干扰提取该用户的有用信号。下面为了分析方便，不考虑编码增益，假设频分多址理想，分析单用户的情况下的系统误码率。

HCDSK系统的发送信号可以表示为

(3)

是阶哈达玛矩阵的第行第列。且

(4)

假设通信信道是加性高斯白噪声信道，接收信号 可以表示为

（5）

第比特的判决量为

（6）

式（6）中, 是差分解调需要的信号项，、和是发送的相邻比特信号间的互干扰项，、、和是发送的信号和信道噪声之间的互干扰项， 是信道噪声的互干扰项。根据前面分析的哈达玛矩阵的正交性可知、和为0，则

（7）

（8）

可以写成下面的形式

（9）

其中

（10）

（11）

是比特能量估计误差。对于HCDSK

（12）

是每比特平均能量。 假设 足够大， 所以 具有理想的相关函数，可以使用中心极限定理。所以 和 是具有零均值高斯分布的随机变量。的方差为

（13）

的方差和特殊的混沌系统产生的扩频序列有关。 本例使用 tent 映射. 其 方差 可以表示为

（14）

是零均值高斯随机变量且方差为

（15）

令，

误码率为

（16）

是互补误差函数：

（17）

HCDSK的误码率BER为

（18）

根据文献相应[1]CDSK的误码率为

（19）

从公式(18) 和(19)可以看出由于HCDSK 系统消除了相邻比特间的互干扰，所以HCDSK 系统比CDSK系统具有更低的误码率。

LDPC码即低密度奇偶校验码，不仅有逼近香农限的良好性能，而且译码复杂度较低, 结构灵活，是近年来信道编码领域的研究热点。

循环码是线性码的一个重要的子类，除具有线性码的一般性质之外，还具有循环性，即任一码组循环移位以后，仍为该码中的一个码组。它有以下两大特点：第一，码的结构可以用代数方法来构造和分析，并且可以找到各种实用的译码方法；第二，由于其循环特性，编码运算和伴随式计算，可用反馈移位寄存器来实现，硬件实现简单。

循环码和LDPC码都是线性分组码，有些比较特殊的循环码是LDPC码，也即循环LDPC码，同时具有循环码和LDPC码的优点。例如：循环码生成多项式为 ，生成矩阵G 和校验矩阵H 如下：

由G 和H 可知该循环码也是LDPC码，且是二进制、非规则的。所以本系统在发送端利用循环码编码方法，而在接收端利用LDPC译码算法，设计综合了循环码的硬件易实现性和采用LDPC译码低误码率，可以得到较高的通信质量。

最小和译码算法是根据对数域置信传播译码算法提出的一种近似简化算法，它利用求最小值的运算简化了函数运算，大大降低了运算复杂度且不需要对信道噪声进行估计，因此非常适合硬件实现。本系统采用最小和译码算法实现译码。算法如下：

步骤 1. 初始化

步骤2. 校验节点消息更新

步骤3. 变量节点消息更新

如果 或者迭代次数 n达到最大迭代次数，输出译码结果。

步骤 4. 后验概率更新

返回步骤 2.

利用上面的循环LDPC码，设扩频因子数为64，可以得到CDSK和HCDSK和仿真对比图图5，从图中可以看到由于HCDSK系统消除了比特间的互干扰，所以具有更低的误码率。

参考文献

[1] M. M. Sushchik, L. S. Tsimring, A. R. Volkovskii, “Correlationdetection in chaos-based spread spectrum communication schemes,” Int ConfControl Oscill Chaos Proc J. pp. 526-529, July 5-7, 2000.

Claims (1)

1.基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法，其特征在于，它包括基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发送端和基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的接收端：

（1）基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的发送端包括以下步骤：

A、将混沌信号与哈达玛矩阵信号相乘进行扩频，从哈达玛矩阵行向量中取出行向量循环使用，行向量中取出的个数满足大于等于3，并且与每比特的混沌扩频因子数互素；

B、所述的扩频后信号分成两路进行求和，一路是扩频后信号自身，另一路是扩频后信号经过延迟并经过数据调制，该数据是待发送数据经过循环LDPC编码后的结果；

C、对所述的求和信号乘以高频正弦波进行频分多址调制，最终得到发送端的发送信号；

（2）基于哈达玛矩阵的相关延迟键控混沌通信方法的接收端包括以下步骤：

S1、接收端收到的接收信号和发送端同频同相的高频正弦波相乘，并通过低通滤波器进行滤波，低通滤波器截止频率为经哈达玛矩阵扩频后混沌信号带宽，然后对解调后的信号再进行差分相干解调；

S2、对差分相干解调之后的信号进行判决后经过循环LDPC译码得到待发送的数据。