CN110224958B

CN110224958B - 一种基于混沌序列的正交宽带调制解调方法

Info

Publication number: CN110224958B
Application number: CN201910521254.0A
Authority: CN
Inventors: 姜煜; 任龙平
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Haixun Technology Co ltd
Priority date: 2019-06-17
Filing date: 2019-06-17
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2039-06-17
Also published as: CN110224958A

Abstract

本发明公开了一种基于混沌序列的正交宽带调制解调方法，该方法在调制部分，采用混沌序列作为正交宽带信号并以此为信息载体；在解调部分，将解调抽象为一个矢量分类问题，采用欧氏距离分类器，对接收信号进行分类判决。与采用固定周期信号作为载波的传统水声通信模式不同，本方法基于海洋水声信道环境与传播特点，采用统计特性接近环境噪声且具有尖锐自相关特性的混沌序列作为信息载体，其发射信号功率谱密度低，可以隐藏于环境背景噪声中，且抗多途干扰能力良好，有较好的通信性能。本发明可广泛应用于高稳健抗干扰水下通信网络系统，以及任何水下机械装置及设备的远程通信与控制。

Description

一种基于混沌序列的正交宽带调制解调方法

技术领域

本发明属于水声通信技术领域，具体涉及一种基于混沌序列的正交宽带调制解调方法。

背景技术

随着世界各国海洋开发和海洋军事技术的飞速发展，如何实现稳健的水声通信成为一个重要的研究热点。作为一种带宽有限、多途和噪声干扰比较强的时变、频变和空变的信道，水声信道的复杂性以及多变性严重限制了现有水声通信技术的性能。

目前研究较多的水声通信技术主要可分为相干和非相干两大类。其中基于相位调制的相干水声通信技术，具有较高的带宽效率，但对于恶劣多变的水声信道适应性较差，主要应用于近距离高速通信场合。而以多频移键控(MFSK)为代表的非相干水声通信技术，由于可在接收端采用基于能量检测的非相干解调，实现简单，性能相对可靠，对水声信道适应能力相对较强，目前已经在水声通信中得到一定的应用。但由于该技术利用频点能量作为检测特征，容易受其他通信设备信号或者船舶噪声影响，在实际水下工程应用中，工作的稳定性并不理想。

近年来，为了解决常规通信技术在水声信道上工作不够理想的问题，研究者们开始转向研发更加复杂的水声通信技术，其中主要包括OFDM通信技术和扩频通信技术。OFDM通信技术是一种多载波通信技术，与一般的频分复用技术相比，OFDM系统中各个子载波信号在整个符号周期上相互正交，在频谱上相互重叠，具有高频谱利用率和抗多途干扰能力，可以实现高速数据通信，但其调制信号的峰均比值较大，在接收端需要有较大的信噪比才能获得可靠的数据传输。

目前常用的水声扩频通信技术主要包括跳频扩频和直接序列扩频。其中跳频扩频技术是将可用频段分成N个频道，利用伪随机序列控制系统频率在N个频道之间跳变而实现。该技术基于频率调制和非相干解调，稳健性较好，但由于解调时对接收端信噪比要求高，因此其远程通信能力不够理想。而直接序列扩频则是利用伪随机序列(如m序列，gold序列等)对数字信号进行相位调制来实现，由于可工作于低信噪比环境，信号的频谱密度低，具有较好的抗截获、抗干扰性能，且实现简单，自上个世纪九十年代开始，该技术即作为一种首选的水下军事通信技术而得到广泛的研究与应用。但因为相位相干检测对同步及相位跟踪的要求极为严格，在相位快速波动的海洋信道中，其检测的稳健性往往较难保证。有学者提出采用具有非周期性，非固定序列长度和可用序列庞大等优点的混沌序列代替伪随机序列的新型水声扩频通信，但其仍旧采用基于相位调制的相干水声通信技术，其稳健性仍然无法保证。因此，专门针对水声信道特性研究一种正交宽带调制解调方法是十分有价值的。

发明内容

本发明的目的是针对海洋水声信道环境与传播特点，提供一种高稳健抗干扰水声通信方案。

本发明的目的是这样实现的，包括如下步骤：

步骤一：在发射端，优选相互正交的等长混沌序列，建立混沌样本序列库。

步骤二：将系统所有的数字符号与混沌样本序列库中的混沌序列一一映射。发送信息时，对二进制数据源进行编码，调制得到发射数据。

步骤三：调制后的信号经过水声信道，在接收端，利用匹配滤波器对数据进行码元同步定位、欧氏距离分类判决解调。

步骤四：对欧氏距离分类判决解调后的信号进行解映射和解码。

优选地，本发明还包括选自如下1-3中的特征：

1.步骤一中的建立混沌样本序列库过程为：

采用自相关性、互相关性和欧氏距离为准则对混沌映射方程产生的长混沌序列等长切割后进行优选得到一系列相互正交的混沌序列，在其中选择一组作为同步序列，并在其他优选的混沌序列上并行叠加这组混沌序列，最后加入混沌样本序列库。

2.步骤二中的调制过程为:

发送信息时，对二进制数据源进行编码，根据编码后的数字符号在混沌样本序列库中选择相应的混沌序列，通过量化、D/A转换由声能转换器发送出去。其中调制信号S可表示为：

S＝C_D

其中C_D表示为数字符号D所映射的混沌序列。

3.步骤三中的欧氏距离分类判决解调过程为：

假设发射信号序列S，接收信R可表示为：

R＝S*h+ε

其中，*表示卷积，h为水声多途信道冲激响应，ε为均值为0，方差为σ²的高斯白噪声。

根据水声多途信道模型，水声多途信道脉冲响应可表示为：

其中，信道h(t)共p条路径，a_i为第i条路径的增益，τ_i为第i条路径的时延，且a₀＝1，τ₀＝0，表示第0条路径为直达信号，d(t)为冲击函数。

则可对接收信号与序列库中各个序列计算欧氏距离dis(R,C_i)，具体表示为：

其中，n表示序列的第n个点，N_j为第j条多途路径的时延点数，b表示为：

b与C_i无关，可视为一常数，e表示为：

其中C_i和H为混沌序列，具有良好自相关、互相关性,且与噪声信号ε不相关，因此理想情况下满足：

因此，理想情况下e可表示为：

根据式(1)、式(2)和式(3)，在理想情况下，dis(R,C_i)之间的大小只取决于发送信号S和C_i的欧氏距离，因此基于混沌序列的正交宽带调制解调方法具有良好的抗干扰能力，适用于水声多途信道。且由于选用的混沌序列越长，其自相关、互相关性越好，则系统抗干扰能力越强，通信性能越好。

本发明的有益效果：本发明提出一种基于混沌序列的正交宽带调制解调方法。该方法在调制部分，采用混沌序列作为正交宽带信号并以此为信息载体；在解调部分，将解调抽象为一个矢量分类问题，采用欧氏距离分类器，对接收信号进行分类判决。与采用固定周期信号作为载波的传统水声通信模式不同，本发明基于海洋水声信道环境与传播特点，采用统计特性接近环境噪声且具有尖锐自相关特性的混沌序列作为信息载体，其发射信号功率谱密度低，可以隐藏与环境背景噪声中，且抗多途干扰能力良好，有较好的通信性能。本发明可广泛应用于高稳健抗干扰水下通信网络系统，以及任何水下机械装置及设备的远程通信与控制。

附图说明

图1为水声多途仿真信道冲激响应；

图2为基于混沌序列的正交宽带通信性能图；

图3为混沌样本序列库的建立流程图；

图4为调制器原理框图；

图5为解调器原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明优选实施例作详细说明。

本例采用二进制调制，利用Chebyshev映射方程产生混沌序列，从中优选出三组长度为L＝1024的混沌序列，其中两组作为信息载体，一组作为同步序列。其中两组作为信息载体混沌序列的互相关值为-0.02，能量差值为8，欧氏距离值为32.38，序列发送频率为40KHz，信息发送速率为40bit/s。水声多途信道仿真模型如图1所示，在此水声多途仿真信道下的通信性能如图2所示。

本发明包括如下步骤：

步骤一：在发射端，采用自相关性、互相关性和欧氏距离为准则对混沌映射方程产生的长混沌序列等长切割后优选三组相互正交的混沌序列，在其中选择一组作为同步序列，并在其他两组混沌序列上并行叠加这组同步序列，最后加入混沌样本序列库。

图3为建立混沌样本序列库流程图，其中混沌序列可由Chebyshev映射方程产生，Chebyshev映射方程具体表示为：

x_n+1＝T_k(x_n)＝cos(k·cos^-1x_n)，x_n∈[-1,1]

其中，k为Chebyshev映射的阶数，当k大于2时系统处于混沌状态。

在对混沌序列进行优选时，需要保证混沌样本序列库中的混沌序列有足够大的欧氏距离。其中序列X与Y的欧氏距离表示为：

由于需要对每个码元进行同步定位，因此需要频繁插入同步序列，为避免频繁插入操作影响通信速率，采用并行叠加的方式添加同步序列。由于彼此正交，同步符号与信息符号互不影响。

步骤二：建立混沌样本序列库后，将系统所有的数字符号与混沌样本序列库中的混沌序列一一映射。发送信息时，对二进制数据源进行编码，根据编码后的数字符号在混沌样本序列库中选择相应的混沌序列通过量化、D/A转换由声能转换器发送出去。

二进制正交宽带调制原理框图如图4所示，选用三组相互正交的等长Chebyshev混沌序列，其中C₁和C₂作为信息载体，H作为同步序列。每组作为信息载体的混沌序列携带1bit信息，序列长度为L，由C₁、C₂可构建一个混沌序列库C＝{C₁,C₂}。调制时将不同的数字符号D映射到混沌序列库中不同的混沌序列，得到宽带调制信号S，表示为：

解调器原理图如图5所示，在接收端，通过匹配滤波器对接收信号进行码元同步定位，其中匹配滤波器的脉冲响应表示为：

h(n)＝k*H(L-n)

其中k为任意常数，一般取1，L为序列H的长度，n表示序列的第n个点。

当匹配滤波器输出信号在n₀处出现峰值时，码元被同步，码元初始位置在接收信号的n₀-L处。并根据同步定位获得的各码元初始位置对接收信号进行码元切割，最后通过欧氏距离分类器对各码元进行分类判决解调。

在正确同步定位的前提下，计算接收信号R与波形序列库中M＝2种序列的欧氏距离dis(R,C_i)，并对计算得到的M个距离值进行比较，将对应距离值最小的样本序列C_i判决为发送序列S，S可表示为：

S＝C_i＝arg max dis(R,C_i)

通过对判决得到的发送序列C_i解映射，然后再进行解码即可得到二进制数据源。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于混沌序列的正交宽带调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：在发射端，选相互正交的等长混沌序列，建立混沌样本序列库；

步骤二：将所有的数字符号与混沌样本序列库中的混沌序列一一映射；发送信息时，对二进制数据源进行编码，调制得到发射数据；

步骤三：调制后的信号经过水声信道，在接收端，利用匹配滤波器对数据进行码元同步定位、欧氏距离分类判决解调；

步骤四：对欧氏距离分类判决解调后的信号进行解映射和解码；

步骤一中建立混沌样本序列库过程为：

采用自相关性、互相关性和欧氏距离为准则对混沌映射方程产生的长混沌序列等长切割后进行优选得到一系列相互正交的混沌序列，并在优选得到的混沌序列中选择一组作为同步序列H，其他优选的混沌序列作为信息载体C_i，在信息载体混沌序列上并行叠加同步序列H，最后加入混沌样本序列库；其中在对混沌序列进行优选时，需要保证混沌样本序列库中的混沌序列有足够大的欧氏距离。

2.根据权利要求1所述的基于混沌序列的正交宽带调制解调方法，其特征在于：步骤二中的调制过程为：

发送信息时，对二进制数据源进行编码，根据编码后的数字符号在混沌样本序列库中选择相应的混沌序列，通过量化、D/A转换由声能转换器发送出去；其中调制信号S可表示为：

S＝C_D

其中C_D表示为数字符号D所映射的混沌序列。

3.根据权利要求1所述的基于混沌序列的正交宽带调制解调方法，其特征在于：步骤三中的同步定位过程为：

在接收端，通过匹配滤波器对接收数据进行码元同步定位，其中匹配滤波器的脉冲响应表示为：

h(n)＝k*H(L-n)

其中k为任意常数，L为混沌同步序列H的长度，n表示序列的第n个点；

当匹配滤波器输出信号在n₀处出现峰值时，码元被同步，码元初始位置在接收信号的n₀-L处；并根据同步定位获得的各码元初始位置对接收信号进行码元切割。

4.根据权利要求1所述的基于混沌序列的正交宽带调制解调方法，其特征在于：步骤三中的欧氏距离分类判决解调过程为：

计算接收信号R与混沌样本序列库中的M种序列的欧氏距离dis(R,C_i)，并对计算得到的M个距离值进行比较，将对应距离值最小的样本序列判决为发送序列S。