CN109756291B - 一种基于查表法的混沌扩频码生成方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于查表法的混沌扩频码生成方法及系统，属于移动通信技术领域，本发明的方法包括：初始化混沌扩频码系统的初始参数；构建基本查表LUT单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，计算混沌扩频码；利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列，本发明不仅可以产生任意比特精度的混沌扩频码序列，而且可以显著提高FPGA硬件资源效率，降低FPGA硬件面积和能耗。

Description

一种基于查表法的混沌扩频码生成方法及系统

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于查表法的混沌扩频码生成方法及系统。

背景技术

直接序列扩频技术(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)广泛应用在移动通信、物联网、无人机等领域。直接序列扩频通信的核心是如何产生高质量的扩频序列。当前移动通信所采用的扩频序列，如m序列或Gold序列，存在可用码字少、复杂度低、保密性差等缺点。随着信息科学和数字信号处理技术的发展，必须寻找新的扩频码，以提高通信系统的抗干扰、抗破译能力。

随着非线性和离散混沌理论的逐渐成熟，当前对离散混沌的研究集中于移动通信系统应用。这是因为混沌系统的类随机特性十分适合于通信中的噪声伪装调制，以便于对信息进行加密。更重要的，混沌系统对初始值的敏感依赖性，可以提供数量众多、非相关、类随机而又确定可再生的信号。混沌扩频通信就是利用混沌序列代替扩频码，实现扩展频谱通信。由于混沌系统产生的序列具有非周期性和非线性、类白噪声统计特性等特点，使其具有很强的抗干扰能力。

传统离散混沌扩频序列(例如Logistic混沌扩频码序列)，一般基于现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)硬件电路采用迭代方式产生，每次迭代产生一个混沌扩频码的码字。在迭代过程中，往往包含定点乘法运算，一般基于移位相加法或查表法(Look Up Table，LUT)设计专用的FPGA硬件电路实现。基于移位相加法的乘法器时延太大，满足不了移动通信系统的实时性要求。基于LUT乘法器对输入数据精度要求是2的整数次幂，当乘法器的精度要求不是2的整数次幂时，必须成倍增加输入数据比特长度，从而浪费了大量硬件资源和功耗。因此，如何设计高效的混沌扩频码生成过程中任意比特精度的乘法器，是本发明所需要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的提供一种基于查表法的混沌扩频码生成方法及系统。本发明首先初始化混沌扩频码系统的初始参数和特定比特位数的乘法器；然后构建若干输入数据比特位数对称或非对称的基本LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器；利用乘法器计算混沌扩频码并归一化；最后利用归一化后的混沌扩频码计算混沌扩频码序列。本发明不仅可以产生任意比特精度的混沌扩频码序列，而且可以显著降低FPGA硬件面积和能耗。

根据本发明的一个方面，提供一种基于查表法的混沌扩频码生成方法，包括：

步骤1、初始化混沌扩频码系统的初始参数；

步骤2、构建基本查表LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，并计算混沌扩频码；

步骤3、利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列。

进一步的，步骤1初始化混沌扩频码系统的初始参数，包括：

初始化分支参数μ∈[0,4]；初始化混沌扩频码序号n＝1，预定义最大混沌扩频码最大长度N；根据定点算法精度初始化浮点参数1为整数，即

其中p∈{1,2,3,...,P}表示定点数据有效比特位数,P表示最大可能取到的比特位数；取

范围中的任意值初始化第1个码字，即初始化混沌扩频码x_n＝x₁。

进一步的，步骤2包括：

步骤201、构建输入数据比特位数对称或非对称的基本LUT乘法器单元；

步骤202、计算比特位数为p的乘法器输入数据，并定义为第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B，即

B＝x_n

其中，

p∈{1,2,3,...,P}表示定点数据有效比特位数，x_n表示初始化或者更新后的第n个混沌扩频码；

步骤203、划分基本乘法器单元，将第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B相乘过程表示为基本LUT乘法器单元；将各基本LUT乘法器单元输出根据其所在位置进行相应比特移位后相加，输出比特长度为2p的乘法结果S＝A*B；

步骤204、利用公式

或者公式

计算混沌扩频码x_n+1，其中分支参数取值范围μ∈[0,4]，

表示取结果的高p比特位，

表示取结果的低p比特位；

步骤205、更新序号n＝n+1，重复步骤202至步骤205步骤，直到当n＝N+1时，执行步骤3，其中N为预定义最大混沌扩频码最大长度。

进一步的，步骤3利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列包括：

利用公式

计算混沌扩频码序列y_n，其中x_n+1为混沌扩频码，序列序号取值为n＝1,2,...,N。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于查表法的混沌扩频码生成系统，其特征在于，所述系统包括：

初始化模块，用于初始化混沌扩频码系统的初始参数；

乘法器模块，用于构建基本查表法LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，并计算混沌扩频码；

混沌扩频码序列构建模块，利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列。

本发明提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成方法及系统，不仅可以产生任意比特精度的混沌扩频码序列，而且可以显著降低FPGA硬件面积和能耗。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成方法原理图；

图2是本发明另一实施例提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成方法流程图；

图3是本发明实施例提供的基本LUT乘法器单元U₅₅输入与输出关系；

图4是本发明实施例提供的基本LUT乘法器单元U₅₆输入与输出关系；

图5是本发明实施例提供的基本LUT乘法器单元U₆₅输入与输出关系；

图6是本发明实施例提供的基本LUT乘法器单元U₆₆输入与输出关系；

图7是本发明实施例提供的乘数A和B划分；

图8是本发明实施例提供的所述基本LUT乘法器移位相加过程；

图9是本发明实施例提供的所述优选基本LUT乘法器移位相加过程；

图10是本发明实施例提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成系统结构图。

具体实施方式

下面本发明具体的实施方式进行阐述，来进一步说明本发明的出发点以及相应的技术方案。

图1是本发明实施例提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成方法原理图，所述方法包括以下步骤：

步骤1、初始化混沌扩频码系统的初始参数；

步骤2、构建基本LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，计算混沌扩频码；

步骤3、利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列。

优选的，步骤1，初始化混沌扩频码系统的初始参数，包括：

初始化分支参数μ∈[0,4]；初始化混沌扩频码序号n＝1，预定义最大混沌扩频码最大长度N；根据定点算法精度初始化浮点参数1为整数，即

其中p∈{1,2,3,...,P}表示定点数据有效比特位数,P表示最大可能取到的比特位数；取

范围中的任意值初始化第1个码字，即初始化扩频码x_n＝x₁。

优选的，步骤2构建基本LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，并计算混沌扩频码，包括：

步骤201、构建输入数据比特位数对称或非对称的基本LUT乘法器单元；

优选的，综合考虑算法复杂度、时延和灵活性，构建输出比特长度均为I+J的4种类型的基本LUT乘法单元，即U_II、U_IJ、U_JI和U_JJ。其中，I和J分别表示基本LUT乘法器单元的两个输入数据比特长度，取值均为正整数，即I＝1,2，3…，J＝1,2,3…。当I与J相等时，基本LUT乘法器单元为对称的；否则，基本LUT乘法器单元为非对称的。

步骤202、计算比特位数为p的乘法器输入数据，并定义为第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B，即

B＝x_n

其中，

p∈{1,2,3,...,P}表示定点数据有效比特位数，x_n表示初始化或者更新后的第n个扩频码；

步骤203、划分基本乘法器单元，将第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B乘法过程表示为基本LUT乘法器单元；将各基本LUT乘法器单元输出根据其所在位置进行相应比特移位后相加，输出比特长度为2p的乘法结果S＝A*B；

步骤204、利用公式

或者公式

计算混沌扩频码x_n+1，其中分支参数取值范围μ∈[0,4]，

表示取结果的高p比特位，

表示取结果的低p比特位；

步骤205、更新序号n＝n+1，重复步骤202至步骤205步骤，直到当n＝N+1时，执行步骤3，其中N为预定义最大混沌扩频码最大长度。

优选的，步骤3，利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列包括：

利用公式

计算混沌扩频码序列y_n，其中x_n+1为混沌扩频码，序列序号取值为n＝1,2,...,N。

图2是本发明另一实施例提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成方法流程图。以下以P＝34位比特精度、码长为N＝128的Logistic混沌映射扩频码生成过程为例，对实施方式作具体描述，所述方法具体包括：

步骤1，初始化Logistic映射系统参数n＝1，x₁，μ。

为了方便现场可编程门阵列FPGA硬件实现，分支参数一般初始化为μ＝4；初始化混沌扩频码序号n＝1，预定义最大混沌扩频码最大长度N＝128；浮点1采用

表示，其中P＝34；取

范围中的任意值初始化第1个码字，例如初始化扩频码x₁＝256。

步骤2，实现查表法乘法器，具体步骤如下：

步骤2.1，构建基本LUT乘法器单元。

综合考虑算法复杂度、时延和灵活性，需要构建的4种类型的基本LUT乘法单元，即U₅₅、U₅₆、U₆₅和U₆₆，分别表示5bit输入*5bit输入得到10比特输出，5bit输入*6bit输入得到11比特输出，6bit输入*5bit输入得到11比特输出，6bit输入*6bit输入得到12比特输出，对应输入输出分别如图3、图4、图5、图6所示。

优选地，将相同的输出进行合并，此时基本LUT乘法器单元U₅₅、U₅₆、U₆₅和U₆₆对应的输出个数，分别从最初的1024,2048,2048,4096个，降低为340,792,792,1238个，仅相当于原始输出个数的33％,39％,39％,30％。

步骤2.2，计算乘法器的两个输入，并定义为第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B

A＝x_n

其中，x_n表示第n个扩频码，只有当n＝1时，x_n需要初始化。

步骤2.3，划分基本乘法器单元，和移位并相加。

将两个长度34位第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B相乘过程并表示为基本LUT乘法器单元，最左边对应比特表示比特最高位，最右边对应比特表示比特最低位。采用A6,A5,A4,A3,A2,A1分别表示乘数器输入数据A的第34,33,...29，38,27,...23，22,21,...17，16,15,...11，10,9,...6，5,4,...1比特；采用B6,B5,B4,B3,B2,B1分别表示乘数器输入数据B的第34,33,...29，38,27,...23，22,21,...17，16,15,...11，10,9,...6比特，分别如图7所示。

将A6,A5,A4,A3,A2,A1分别与B6,B5,B4,B3,B2,B1进行相乘，共得到36个基本LUT乘法器。将A1与B6,B5,B4,B3,B2,B1相乘的结果分别记为C1,C2,C3,C4,C5,C6，将A2与B6,B5,B4,B3,B2,B1相乘的结果分别记为C7,C8,C9,C10,C11,C12，以此类推，将剩余相乘的结果标记为C13,C14,...,C36。

如图8所示，对C1,C2,...,C36分别左移如下所示比特位后并相加：

0,5,10,16,22,28,5,10,15,21,27,33,10,15,20,26,32,38,

16,22,28,34,40,46,22,28,34,40,46,52,28,34,40,46,52,58

优选的，将基本LUT乘法器结果移位后可以分步相加，S即为68位乘法器输出结果，如图8所示，可以表示为：

E1＝D1+D2；E2＝D3+D4；E3＝D5+D6；E4＝D7+D8；E5＝D9+D10；

E6＝D11+D12；E7＝D13+D14；E8＝D15+D16；E9＝D17+D18；

E10＝E1+E2；E11＝E3+E4；E12＝E5+E6；E13＝E7+E8；

E14＝E9+E10；E15＝E11+E12；

E16＝E13+E14；

E17＝E15+E16；

S＝E9+E17。

优选的，将基本LUT乘法器结果移位后直接相加，S即为68位乘法器输出结果，如图9所示。

步骤2.4，计算混沌扩频码x_n+1。

优选的，计算对输出结果S左移两位，并取高34位68,67,...35作为最终输出x_n+1。

优选的，计算对输出结果S左移两位，并取低34位34,33,...1作为最终输出x_n+1。

步骤2.5，更新序列号。

更新序列号n＝n+1，当n＝N+1时，执行步骤3；其他情况时，重复步骤2.2-2.5的步骤操作生成混沌扩频码。

步骤3，计算混沌扩频序列y_n

其中,序列序号取值为n＝1,2,...,128。

图10是本发明实施例提供的一种基于查表法的混沌扩频码生成系统结构图。所述系统包括以下模块：

初始化模块，用于初始化混沌扩频码系统的初始参数；

乘法器模块，用于构建基本查表(Look Up Table，LUT)乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，计算混沌扩频码；

混沌扩频码序列生成模块，用于利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列。

优选的，初始化模块，用于初始化混沌扩频码系统的初始参数，具体用于：

初始化分支参数μ∈[0,4]；初始化混沌扩频码序号n＝1，预定义最大混沌扩频码最大长度N；根据定点算法精度初始化浮点参数1为整数，即

其中p∈{1,2,3,...,P}表示定点数据有效比特位数,P表示最大可能取到的比特位数；取

范围中的任意值初始化第1个码字，即初始化扩频码x_n＝x₁。

优选的，乘法器模块，具体用于

步骤a，构建输入数据比特位数对称或非对称的基本LUT乘法器单元；

步骤b，计算比特位数为p的乘法器输入数据，并定义为第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B，即

B＝x_n

其中，

p∈{1,2,3,...,P}表示定点数据有效比特位数，x_n表示初始化或者更新后的第n个扩频码；

步骤c，划分基本乘法器单元，将第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B表示为基本LUT乘法器单元；将各基本LUT乘法器单元输出根据其所在位置进行相应比特移位后相加，输出比特长度为2p的乘法结果S＝A*B；

步骤d，利用公式

或者公式

计算混沌扩频码x_n+1，其中分支参数取值范围μ∈[0,4]，

表示取结果的高p比特位，

表示取结果的低p比特位；

步骤e，更新序号n＝n+1，重复步骤a至步骤e步骤，直到当n＝N+1时，输出乘法器模块生成的混沌扩频码到混沌扩频码序列生成模块，其中N为预定义最大混沌扩频码最大长度。

优选的，混沌扩频码序列生成模块，用于利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列，具体用于：

利用公式

计算混沌扩频码序列y_n，其中x_n+1为混沌扩频码，序列序号取值为n＝1,2,...,N。

以上的所述乃是本发明的具体实施例及所运用的技术原理，若依本发明的构想所作的改变，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，仍应属本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于查表法的混沌扩频码生成方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1、初始化混沌扩频码系统的初始参数；

步骤2、构建基本查表LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，并计算混沌扩频码；

步骤3、利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列；

其中，所述初始化混沌扩频码系统的初始参数，包括：

初始化分支参数μ∈[0，4]；初始化混沌扩频码序号n＝1，预定义最大混沌扩频码最大长度N；根据定点算法精度初始化浮点参数1为整数，即

其中p∈{1，2，3，...，P}表示定点数据有效比特位数，P表示最大可能取到的比特位数；取

范围中的任意值初始化第1个码字，即初始化混沌扩频码x_n＝x₁；

其中，所述构建基本查表LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，并计算混沌扩频码，包括：

步骤201、构建输入数据比特位数对称或非对称的基本LUT乘法器单元；

步骤202、计算比特位数为p的乘法器输入数据，并定义为第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B，即

B＝x_n

其中，

p∈{1，2，3，...，P}表示定点数据有效比特位数，x_n表示初始化或者更新后的第n个混沌扩频码；

步骤203、划分基本乘法器单元，将第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B相乘过程表示为基本LUT乘法器单元；将各基本LUT乘法器单元输出根据其所在位置进行相应比特移位后相加，输出比特长度为2p的乘法结果S＝A*B；

步骤204、利用公式

或者公式

计算混沌扩频码x_n+1，其中分支参数取值范围μ∈[0，4]，

表示取结果的高p比特位，

表示取结果的低p比特位；

步骤205、更新序号n＝n+1，重复步骤202至步骤205步骤，直到当n＝N+1时，执行步骤3，其中N为预定义最大混沌扩频码最大长度；

其中，所述利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列，包括：

利用公式

计算混沌扩频码序列y_n，其中x_n+1为混沌扩频码，序列序号取值为n＝1，2，...，N，p∈{1，2，3，...，P}表示定点数据有效比特位数。

2.一种基于查表法的混沌扩频码生成系统，其特征在于，所述系统包括：

初始化模块，用于初始化混沌扩频码系统的初始参数；

乘法器模块，用于构建基本查表LUT乘法器单元，利用基本LUT乘法器单元通过移位相加法构建特定比特位数的乘法器，并计算混沌扩频码；

混沌扩频码序列生成模块，利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列；

其中，所述初始化模块，用于初始化混沌扩频码系统的初始参数，具体用于：

初始化分支参数μ∈[0，4]；初始化混沌扩频码序号n＝1，预定义最大混沌扩频码最大长度N；根据定点算法精度初始化浮点参数1为整数，即

其中p∈{1，2，3，...，P}表示定点数据有效比特位数，P表示最大可能取到的比特位数；取

范围中的任意值初始化第1个码字，即初始化扩频码x_n＝x₁；

其中，所述乘法器模块，具体用于：

步骤a，构建输入数据比特位数对称或非对称的基LUT乘法器单元；

步骤b，计算比特位数为p的乘法器输入数据，并定义为第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B，即

B＝x_n

其中，

p∈{1，2，3，...，P}表示定点数据有效比特位数，x_n表示初始化或者更新后的第n个混沌扩频码；

步骤c，划分基本乘法器单元，将第一乘法器输入数据A和第二乘法器输入数据B乘法过程表示为基本LUT乘法器单元；将各基本LUT乘法器单元输出根据其所在位置进行相应比特移位后相加，输出比特长度为2p的乘法结果S＝A*B；

步骤d，利用公式

或者公式

计算混沌扩频码x_n+1，其中分支参数取值范围μ∈[0，4]，

表示取结果的高p比特位，

表示取结果的低p比特位；

步骤e，更新序号n＝n+1，重复步骤a至步骤e步骤，直到当n＝N+1时，输出乘法器模块生成的混沌扩频码到混沌扩频码序列生成模块，其中N为预定义最大混沌扩频码最大长度；

其中，所述混沌扩频码序列生成模块，利用混沌扩频码计算混沌扩频码序列，具体用于：

利用公式

计算混沌扩频码序列y_n，其中x_n+1为混沌扩频码，序列序号取值为n＝1，2，...，N，p∈{1，2，3，...，P}表示定点数据有效比特位数。

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