CN110855419B - 多载波差分混沌移位键控系统papr的方法及发射结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法及发射结构，方法包括对输入信号进行排序、对已调信号与混沌信号相乘后的信号进行分组传输、同时引入CI码对信号进行扩展，发射结构包括混沌信号发生器、归一化处理器、输入信号模块、信号编码器、PSK调制器、串并转换器、N个调制乘法器、CI码编码器、逆傅立叶处理器。本发明与现有的多载波差分混沌移位键控系统下方法相比，可以忽略调制信号进制对系统峰均比的影响，并且降低系统峰均比的效果更加明显。

Description

多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法及发射结构

技术领域

本发明涉及一种改变信号发射结构并引入CI码的方法，属于混沌通信技术领域。

背景技术

近些年来，混沌信号凭借自身良好的自相关性以及对初值的敏感性，在通信与信息领域有着广阔的发展前景和重大的实用价值。混沌信号不仅具有良好的自相关性和互相关性，而且具有近似白噪声的统计特性，这些特性都使得混沌信号非常适合作为扩频通信中的扩频码来使用。同时，利用混沌信号对初值的敏感性，通过改变其初值可以得到大量近似正交的混沌信号，这种特性适合于多用户环境中区分不同用户，满足了多用户通信对用户识别码的需求。混沌数字调制使用非周期的宽带混沌信号取代传统数字调制中的正弦载波，作为一种新型的扩频调制，混沌数字调制不仅具有与其它扩频调制方案相似的优点，包括抗干扰和抗信道衰弱等，而且具有其独特的优势，包括：高通信安全性高；低功耗及低硬件成本等。因此，混沌数字调制技术已成为非线性科学与信息科学界关注和研究的热点问题之一。

由于目前尚未解决由相干方式引起的鲁棒混沌同步问题，现有的混沌数字调制解调方法大多基于传输参考方法，即把参考信号和携带信息的信号都发送给接收端。其中，差分混沌移位键(Differential Chaos Shift Keying，DCSK)调制解调方法是经典方案之一，DCSK凭借其简便的首发设备以及较好的误码性能，在许多实际应用场合下(即：包括无线个人局域网、无线传感器网络等)都表现出了很强的竞争力。但是，由于DCSK采用了时分多址的方式分隔参考信号和信息信号，因此在收发设备中都不可避免地使用了宽带射频(RadioFrequency，RF)延时线。使用互补金属氧化物半导体技术实现RF延时线非常困难且不易集成，这就导致上述系统不能满足一些高速通信系统，如超宽带通信的要求。为了进一步提升系统的比特传输速率，2013年，Kaddoum等人提出了多载波差分混沌移位键控(Multi-Carrier Differential Chaos Shift Keying，MC-DCSK)技术，这种调制技术将多载波技术与DCSK技术相结合，将参考信号调制在一个特定载波上，而信息信号则调制在其余的载波上，这种方案在传输速率和能量效率方面较DCSK方案有了极大的提升，误码率也有了一定的提升。

上述基于DCSK的多载波系统虽然可以实现高速率传输，但功率消耗较高，系统的复杂性较高，且发射信号的峰均比(PAPR)也比较高。

正交频分复用(OFDM)技术被看好为第四代移动通信的关键技术。OFDM技术是将一个OFDM信号分成多个子信号，并将多个子信号分配到各个相互叠加的子载波进行传输，其中，要求各个子载波之间必须严格的相互正交。然而，相互叠加的子载波在信号的传输中，如果各个子载波信号的相位在某一时刻一致的话，就会相互叠加，产生很高的峰均功率比。这也是基于DCSK的多载波系统产生较高峰均比的主要原因。由于一般的功率放大器的动态范围都是有限的，所以峰均比较大的信号极易进入功率放大器的非线性区域，导致信号产生非线性失真，造成明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能严重下降。

发明内容

发明目的是降低MC-DCSK系统的PAPR且忽略调制信号进制的影响，提出了一种改变信号发射机结构并引入CI码的多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法。该方法是基于如下内容：1、系统为MC-DCSK。2、调制方案为PSK。3、混沌映射为logistic映射。4、CI码由IDFT矩阵的行向量组成。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，包括以下步骤：

步骤1：将信号传输需要用的频带分成N个子载波频段。

步骤2：生成长度为β的离散混沌信号序列C＝(c₁，c₂，...c_i...c_β)。

步骤3：对步骤2中得到的离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C′＝(c′₁，c′₂，...c′_i...c′_β)。

步骤4：生成长度为N、进制为M的输入信号d＝(d₁，d₂，...d_i，...d_N)。

步骤5：将步骤4中得到的信号d截取d₂，d₃，...d_N按照十进制进行从小到大的排序，与d₁组成新的输入信号序列d′＝(d₁，d′₂，d′₃，...d′_N)。

步骤6：将步骤5中得到新的输入信号序列d′进行PSK调制，生成已调信号H＝(H₁，H₂，H₃，...H_i...H_N)。

步骤7：将步骤6中得到的已调信号H通过串并转换器生成N路、进制为M的并行信号。

步骤8：将步骤7中生成的N路、进制为M的并行信号分别通过二个发射机发射，分别发射J和K信号，其中：

J＝(H₁，H₂，H₃，...H_N/2) (1)

步骤9：生成以IDFT矩阵的行向量作为CI码，便于信号的扩展。

CI码为U＝(U₀，U₁，...U_n，...U_N-1)，U_n看作

其中

CI码U看作矩阵：

步骤10：将步骤3中得到的归一化离散混沌信号序列C′中的一个混沌序列因子c′_i与步骤6中得到的已调信号H作相对应的乘法计算，生成序列F_i。

从步骤3中得到的归一化离散混沌信号序列C′选择一个混沌因子c′_i与得到的信号J、K分别做乘法计算，生成S＝(s_i，1，s_i，2，...s_i，k...s_i，N/2)和

其中计算公式分别如下：

s_i，1＝c′_i×H₁ (3)

以及

将得到的S和S′信号合成串行信号F_i＝(S，S′)。

步骤11：将步骤10中得到的序列F_i与步骤9中得到的CI码做乘法运算，得到序列L_i。

步骤12：将步骤11中得到的序列L_i做相应的N-IFFT处理，得到序列W_i。

优选的：步骤2中

优选的：步骤3中归一化离散混沌信号的公式：

优选的：步骤4中d_i在区间[0，M-1]均匀分布的随机整数。

一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的信号发射机构，采用所述的多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，包括混沌信号发生器、归一化处理器、输入信号模块、信号编码器、PSK调制器、串并转换器、N个调制乘法器、CI码编码器、逆傅立叶处理器，其中：

所述混沌信号发生器用于生成长度为β的离散混沌信号序列C。

所述归一化处理器用于对离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C′。

所述输入信号模块用于生成长度为N、进制为M的输入信号d。

所述信号编码器用于根据输入信号d截取d₂，d₃，...d_N按照十进制进行从小到大的排序，与d₁组成新的输入信号序列d′。

所述PSK调制器用于根据新的输入信号序列d′进行PSK调制，生成已调信号H。

所述串并转换器用于将已调信号H通过串并转换器生成N路、进制为M的并行信号。

所述N个调制乘法器用于将归一化离散混沌信号序列C′中的一个混沌序列因子c′_i与已调信号H作相对应的乘法计算，生成序列F_i。

所述CI码编码器用于生成以IDFT矩阵的行向量作为CI码。

所述逆傅立叶处理器用于将得到的序列L_i做相应的N-IFFT处理，得到序列W_i。

优选的：还包括并串转换器，所述并串转换器用于将序列W_i合成一路信号。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

1)与现有方法同等情况下，降低MC-DCSK系统的PAPR至4.2dB。

2)调制信号进制的改变，不影响降低PAPR的性能。

3)具有更好的通信保密性。

附图说明

图1本发明的发射结构图

图2本发明与现有MC-DCSK系统下PAPR性能对比图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，为了验证本发明所提供的改变信号发射机结构并引入CI码的方法可以降低MC-DCSK的峰均比，本发明列举1个验证例进行验证说法。本验证例的方法包括如下步骤：

步骤1：本发明的实施条件：采用1个符号周期内离散混沌信号序列β长为64，信息子载波数目N＝512，信号进制M＝4，频率分别为f₁，f₂，....f_N，其序号分别对应1，2，...，N。

步骤2：根据logistic映射，生成长度为β的离散混沌信号序列C＝(c₁，c₂，...c_i...c_β)，其中

步骤3：将可用频带分成N个子载波频段f₁，f₂，...f_N。

步骤4：对步骤2中得到的离散混沌信号序列进行归一化处理获得归一化的离散混沌信号序列C′＝(c′₁，c′₂，...c′_i，...c′_β，)，其中：

步骤5：生成长度为N、进制为M的输入信号d＝(d₁，d₂，...d_i，...d_N)，其中d_i在区间[0，M-1]均匀分布的随机整数。

步骤6：将步骤5中生成的输入信号d中的d₂，d₃，...d_N按照十进制进行从小到大的排序得到d′₂，d′₃，...d′_N，将d′₂，d′₃，...d′_N与d₁组成新的输入信号序列d′＝(d₁，d′₂，d′₃，...d′_N)。

步骤7：对步骤6中得到的信号序列d′进行PSK调制，生成已调信号H＝(H₁，H₂，...H_i...H_N)。

步骤8：将步骤7中生成的已调信号H通过串并转换器生成N路、进制为M的并行信号。

步骤9：构造新的信号发射端系统，以便后续混沌序列与已调信号做相关计算。具体操作为：将步骤8中的信号分别通过二个发射机发射，分别发射J和K信号，其中：

J＝(H₁，H₂，H₃，...H_N/2) (1)

步骤10：从步骤4中得到的C′选择一个混沌因子c′_i与步骤9得到的信号J、K分别做乘法计算，生成S＝(s_i，1，s_i，2，...s_i，k...s_i，N/2)和

其中计算公式分别如下：

s_i，1＝c′_i×H₁ (3)

以及

步骤11：将步骤10中得到的S和S′信号合成串行信号F_i＝(S，S′)。

步骤12：以IDFT矩阵的行向量作为CI码，便于信号的扩展，具体方法为：

定义所述CI码为U＝(U₀，U₁，...U_n，...U_N-1)，U_n可看作

其中：

这里我们N取512，所以CI码U可以看作矩阵：

步骤13：将步骤11中得到的F_i与步骤12中得到的CI码U作矩阵的计算，得到L_i。

步骤14：一个混沌序列因子c′_i对应步骤13中得到的L_i做相应的N-IFFT处理，生成序列W，W_i＝(w₁，w₂，...w_N)。

一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的信号发射机构，如图1所示，包括：混沌信号发生器、归一化处理器、输入信号模块、信号编码器、PSK调制器、串并转换器、N个调制乘法器、逆傅立叶处理器、CI码编码器、并串转换器。

所述混沌信号发生器的功能是生成步骤2中得到的离散混沌信号序列C。

所述输入信号模块用于生成长度为N、进制为M的输入信号d。

所述归一化处理器的功能是生成步骤4中得到的归一化离散混沌序列C′。

所述信号编码器的功能是生成步骤5中得到的信号序列d′。

所述PSK调制器的功能是生产步骤7中得到的已调信号H。

所述串并转换器的功能是已调信号H通过串并转换器生成N路、进制为M的并行信号。

所述N个调制乘法器的功能是将步骤4中得到的归一化的混沌信号分别与N个子载波对应相乘。

所述逆傅立叶处理器的功能是将步骤13中得到的信号L_i转化为步骤14中得到的信号序列W_i。

所述CI码编码器的功能是生成步骤9中得到的CI码U。

所述并串转换器的功能是多路信号合成一路信号。

本发明可通过计算机仿真软件得出结论。上述步骤是基于M＝4的情况下，进一步的，可以取M＝8，M＝16，M＝32重复上述步骤。图2为本发明方法得到的MC-DCSK在不同进制下的PAPR。作为对照图2是在相同情况下，现有MC-DCSK系统在不同进制下的PAPR。从图中可以看出，与现有的MC-DCSK方法相比，本发明具有更好的降低PAPR的效果，且不以调制信号进制的改变而改变。

综上所述，本发明的有益效果是：1)与现有方法同等情况下，降低MC-DCSK系统的PAPR至4.2dB；2)调制信号进制的改变，不影响降低PAPR的性能；3)具有更好的通信保密性。本发明与现有的多载波差分混沌移位键控系统下方法相比，可以忽略调制信号进制对系统峰均比的影响，并且降低系统峰均比的效果更加明显。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将信号传输需要用的频带分成N个子载波频段；

步骤2：生成长度为β的离散混沌信号序列C＝(c₁,c₂,…c_i…c_β)；

步骤3：对步骤2中得到的离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C′＝(c′₁,c′₂,…c′_i…c′_β)；

步骤4：生成长度为N、进制为M的输入信号d＝(d₁,d₂,…d_i,…d_N)；

步骤5：将步骤4中得到的信号d截取d₂,d₃,…d_N按照十进制进行从小到大的排序，与d₁组成新的输入信号序列d′＝(d₁,d′₂,d′₃,…d′_N)；

步骤6：将步骤5中得到新的输入信号序列d′进行PSK调制，生成已调信号H＝(H₁,H₂,H₃,…H_i…H_N)；

步骤7：将步骤6中得到的已调信号H通过串并转换器生成N路、进制为M的并行信号；

步骤8：将步骤7中生成的N路、进制为M的并行信号分别通过二个发射机发射，分别发射J和K信号，其中：

J＝(H₁,H₂,H₃,…H_N/2) (1)

步骤9：生成以IDFT矩阵的行向量作为CI码，便于信号的扩展；

CI码为U＝(U₀,U₁,…U_n,…U_N-1)，U_n看作

其中

CI码U看作矩阵：

步骤10：将步骤3中得到的归一化离散混沌信号序列C′中的一个混沌序列因子c′_i与步骤6中得到的已调信号H作相对应的乘法计算，生成序列F_i；

从步骤3中得到的归一化离散混沌信号序列C′选择一个混沌因子c′_i与得到的信号J、K分别做乘法计算，生成S＝(s_i,1,s_i,2,…s_i,k…s_i,N/2)和

其中计算公式分别如下：

s_i,1＝c′_i×H₁ (3)

以及

将得到的S和S′信号合成串行信号F_i＝(S,S′)；

步骤11：将步骤10中得到的序列F_i与步骤9中得到的CI码做乘法运算，得到序列L_i；

步骤12：将步骤11中得到的序列L_i做相应的N-IFFT处理，得到序列W_i。

2.根据权利要求1所述多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，其特征在于：步骤2中

3.根据权利要求2所述多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，其特征在于：步骤3中归一化离散混沌信号的公式：

4.根据权利要求3所述多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，其特征在于：步骤4中d_i在区间[0,M-1]均匀分布的随机整数。

5.一种多载波差分混沌移位键控系统PAPR的信号发射机构，采用权利要求1至4任一所述的多载波差分混沌移位键控系统PAPR的方法，其特征在于，包括混沌信号发生器、归一化处理器、输入信号模块、信号编码器、PSK调制器、串并转换器、N个调制乘法器、CI码编码器、逆傅立叶处理器，其中：

所述混沌信号发生器用于生成长度为β的离散混沌信号序列C；

所述归一化处理器用于对离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C′；

所述输入信号模块用于生成长度为N、进制为M的输入信号d；

所述信号编码器用于根据输入信号d截取d₂,d₃,…d_N按照十进制进行从小到大的排序，与d₁组成新的输入信号序列d′；

所述PSK调制器用于根据新的输入信号序列d′进行PSK调制，生成已调信号H；

所述串并转换器用于将已调信号H通过串并转换器生成N路、进制为M的并行信号；

所述N个调制乘法器用于将归一化离散混沌信号序列C′中的一个混沌序列因子c′_i与已调信号H作相对应的乘法计算，生成序列F_i；

所述CI码编码器用于生成以IDFT矩阵的行向量作为CI码；

所述逆傅立叶处理器用于将得到的序列L_i做相应的N-IFFT处理，得到序列W_i。

6.根据权利要求5所述多载波差分混沌移位键控系统PAPR的信号发射机构，其特征在于：还包括并串转换器，所述并串转换器用于将序列W_i合成一路信号。

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