CN111628955A - 双模多载波差分混沌移位键控调制方法及发射机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双模多载波差分混沌移位键控调制方法及发射机，包括子载波生成器、混沌信号发生器、归一化处理器、S/P转换器、索引选择器、极性转换器、调制乘法器、载波乘法器、N‑IFFT处理器、CI码编码器、P/S转换器，本发明引入索引调制、同时引入CI码对信号进行扩展。本发明在提高系统频带利用率的基础上，降低系统峰均比的效果更加明显。

Description

双模多载波差分混沌移位键控调制方法及发射机

技术领域

本发明涉及混沌通信技术，是一种基于索引调制提高MC-DCSK系统频带利用率，引入CI码降低信号PAPR(峰值平均功率比)的方法。

背景技术

混沌信号具有初始条件敏感性、非周期性、特殊的自(互)相关等特殊的性质，以混沌信号作为载波传送的信息更难被窃听者截获，通信的安全性得以提升，因此混沌信号近年来在信息安全与通信领域得到了广泛的关注。

伴随着混沌应用的发展，以非周期的宽带混沌信号为载波的混沌数字调制技术应运而生。混沌数字调制具有与其它扩频调制方案相似的优点，包括抗干扰、减小衰落的影响等。1996年，Kolumbán等人提出了差分混沌移位键控(Differential Chaos Shift Keying，DCSK)技术，这种非相干混沌数字调制技术采用传输参考(Transmitted-Reference，T-R)方式，将参考信号和携带信息的信号全部发送给接收端。这种方式解决了混沌移位键控中存在的判决门限漂移问题，但这种传输方式花费了一半的比特时间用来传输不含数据信号的参考信号，使得系统的传输速率和能量效率都比较低。随后，不断地有人针对DCSK系统提出改进、优化的方法。2013年，Kaddoum等人提出了多载波差分混沌移位键控(Multi-CarrierDifferential 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子载波上，而多路信息信号则分别调制在剩余的子载波上。这种方案在传输速率和能量效率方面较DCSK有了很大的提升，误码率也有了一定的提升。利用子载波进行数据传输的多载波差分混沌移位键控通信技术已经成为混沌数字调制的关键技术之一，以满足无线传感器网络和WLAN中对高速率数据传输日益增长的需求。作为目前最广泛应用的多载波调制实现方式，正交频分复用(OFDM)技术借助逆快速傅里叶变换和快速傅里叶变换实现多载波调制和解调，使得系统的实现复杂度大大降低。虽然OFDM有上述优点，但是其信号调制机制也使得OFDM信号在传输过程中存在着一些劣势。譬如，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。2009年H.Haas和R.Abualhign共同提出了索引调制技术，索引调制技术作为5G无线网络中一种极具竞争力的技术，近年来引起了人们的极大兴趣。索引调制技术通过改变诸如扩频码、载波、天线等传输实体的开关状态来发送额外的信息比特，索引调制不仅可以简化系统结构，而且在频谱效率和能量效率等方面提供了诸多益处。其中载波索引调制解调技术利用索引比特选择一部分载波进行传输数据，再通过载波的索引恢复出索引比特。不同于其他索引调制技术，载波索引调制是通过频域分离的方法来区分传输的信号，保证了信号的正交性。

发明内容

发明目的：针对目前降低MC-DCSK系统峰均比的方法是对调制信息进行交叉排序，引入CI码，前者虽然可以降低系统的峰均比，但是要考虑信号进制的影响，或者虽然能够降低峰均比，但是系统的频带利用率低，本发明提供一种双模多载波差分混沌移位键控调制方法及发射机，在提高频带利用率的基础上，降低MC-DCSK系统的PAPR(峰均比)，该方法是基于如下内容：1、系统采用MC-DCSK和载波索引调制相结合的双模调制方式；2、混沌映射为logistic映射；3、引入CI码降低信号的PAPR。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种双模多载波差分混沌移位键控调制方法，包括以下步骤：

步骤1，将信号传输需要用的频带分成2^p+1个子载波频段，中心频率为f₀的载波为参考载波，用于发送混沌参考信号，剩余2^p个载波

为数据载波，并从1到2^p进行索引标记，其中，p表示。

步骤2，将参考载波生成长度为β的离散混沌信号序列C＝(c₁,c₂,…c_i…c_β)，c_i表示。

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)，作为当前符号时间内的参考信号。

步骤4，将数据载波按信息比特序列分成2组，其中，第1组是p位索引比特。第2组是2^p位调制比特。

步骤5，对步骤4中得到的2^p位调制比特进行极性变换，将其转变为2^p位的双极性调制比特。

步骤6，通过索引选择器将步骤5中得到的2^p位的双极性调制比特和步骤4中得到的p位索引比特生成调制系数

其中，被索引比特选中的数据载波的调制系数等于该数据载波对应的双极性调制比特乘以虚数单位。其余未被选中的数据载波的调制系数等于该数据载波对应的双极性调制比特。

步骤7，将步骤3中得到的参考信号与步骤6中得到的调制系数相乘，生成调制信息序列J，J表示为：

其中，

表示。

将生成调制信息序列J与2^p+1个子载波进行相乘，生成2^p+1个经过载波调制信息序列J′。

步骤8，生成矩阵U作为CI码，U＝(U₀,U₁,…U_n,…U_N-1)，U_n看作

其中：

N＝2^p，j表示。

CI码U看作矩阵：

步骤9，将步骤7中得到的载波调制信息序列J′与步骤8中得到的CI码相乘，得到发送信息序列。

步骤10：将步骤3得到的参考信号和步骤9中得到的发送信息序列做相应的N-IFFT处理后通过天线发送出去。

优选的：参考载波通过logistic映射生成长度为β的离散混沌信号序列C。

一种低PAPR的双模多载波差分混沌移位键控调制发射机，包括子载波生成器、混沌信号发生器、归一化处理器、S/P转换器、索引选择器、极性转换器、2^p个调制乘法器、2^p+1个载波乘法器、N-IFFT处理器、CI码编码器、P/S转换器，其中：

所述子载波生成器用于信号传输需要用的频带分成2^p+1个子载波频段，中心频率为f₀的载波为参考载波，用于发送混沌参考信号，剩余2^p个载波

为数据载波，并从1到2^p进行索引标记，其中，p表示。

所述混沌信号发生器用于将参考载波生成长度为β的离散混沌信号序列C。

所述归一化处理器用于将离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C′，作为当前符号时间内的参考信号。

所述S/P转换器用于将数据载波中当前符号周期内要传输的串行数据比特转变为p位索引比特和2^p位调制比特。

所述极性转换器用于2^p位调制比特进行极性变换，将其转变为2^p位的双极性调制比特。

所述索引选择器用于将2^p位的双极性调制比特和p位索引比特生成调制系数

所述2^p个调制乘法器用于将参考信号分别与2^p个信息子载波调制系数

对应相乘，生成调制信息序列J。

所述2^p+1个载波乘法器用于将2^p+1个信息子载波分别与2^p个调制信息序列J对应相乘，生成2^p+1个经过载波调制的载波调制信息序列J′。

所述CI码编码器用于生成矩阵U作为CI码。

所述N-IFFT处理器用于将载波调制信息序列J′与CI码相乘，得到发送信息序列。

所述P/S转换器的功能是将发送信息序列合并成一路信号。

本发明相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明在提高系统频带利用率的基础上，降低系统峰均比的效果更加明显。

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。

图3本发明与现有MC-DCSK系统下频带利用率对比图。

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。

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。

一种双模多载波差分混沌移位键控调制方法，包括以下步骤：

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，数据比特p＝9，频率分别为f₀,f₁,…f_2p，其序号分别对应0,1,…,2^p；

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：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,)，作为当前符号时间内的参考信号，其中：

步骤4:将可用频带分成2^p+1个子载波频段

其中频率为f₀的载波为参考载波；

步骤5：将输入的信息比特序列分成2组。其中，第1组是p位索引比特；第2组是2^p位调制比特；

步骤6：对步骤5中得到的2^p位调制比特进行极性变换，将其转变为2^p位的双极性调制比特；

步骤7:根据步骤6中得到的极性调制比特和步骤5中得到的索引比特，索引选择器为2^p个数据载波生成调制系数

其中，被索引比特选中的数据载波的调制系数等于该数据载波对应的双极性调制比特乘以虚数单位；其余未被选中的数据载波的调制系数等于该数据载波对应的双极性调制比特；

步骤8：从步骤3中得到的参考信号C′选择一个混沌因子c′_i与步骤7中得到的调制系数相乘，生成调制信息序列J，J表示为：

步骤9：构造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2^p，所以CI码U可以看作矩阵：

步骤10：将步骤8中得到的调制信息序列J与步骤9中得到的CI码相乘，得到发送信息序列；

步骤11：将步骤3得到的参考信号和步骤10中得到的发送信息序列做相应的N-IFFT处理并且经过P/S转换器后通过天线发送出去；

一种双模多载波差分混沌移位键控调制发射机，如图1所示，包括：1个子载波生成器、1个混沌信号发生器、1个归一化处理器、一个S/P转换器、2^p+1个载波乘法器、2^p个调制乘法器、1个索引映射器、1个极性转换器、1个N-IFFT处理器、1个CI码编码器、一个P/S转换器，其中：

所述子载波生成器用于信号传输需要用的频带分成2^p+1个子载波频段，中心频率为f₀的载波为参考载波，用于发送混沌参考信号，剩余2^p个载波

为数据载波，并从1到2^p进行索引标记，其中，p表示。

所述混沌信号发生器用于将参考载波生成长度为β的离散混沌信号序列C。

所述归一化处理器用于将离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C^′，作为当前符号时间内的参考信号。

所述S/P转换器用于将数据载波中当前符号周期内要传输的串行数据比特转变为p位索引比特和2^p位调制比特。

所述极性转换器用于2^p位调制比特进行极性变换，将其转变为2^p位的双极性调制比特。

所述索引选择器用于将2^p位的双极性调制比特和p位索引比特生成调制系数

所述2^p个调制乘法器用于将参考信号分别与2^p个信息子载波调制系数

对应相乘，生成调制信息序列J。

所述2^p+1个载波乘法器用于将2^p+1个信息子载波分别与2^p个调制信息序列J对应相乘，生成2^p+1个经过载波调制的载波调制信息序列J′。

所述CI码编码器用于生成矩阵U作为CI码。

所述N-IFFT处理器用于将载波调制信息序列J′与CI码相乘，得到发送信息序列。

所述P/S转换器的功能是将发送信息序列合并成一路信号。

本发明可通过计算机仿真软件得出结论。图2是在相同情况下，现有MC-DCSK系统的PAPR和本发明方法的PAPR。从图中可以看出，与现有的MC-DCSK方法相比，本发明降低PAPR的效果更加明显。图3是在相同情况下，现有MC-DCSK系统的频带利用率和本发明方法的频带利用率。从图中可以看出，与现有的MC-DCSK方法相比，本发明的频带利用率较好。

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4.3dB；2)与现有方法同等情况下，具有更高的频带利用率；3)具有更好的通信保密性。

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 (4)

1.一种双模多载波差分混沌移位键控调制方法，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2^p+1个子载波频段，中心频率为f₀的载波为参考载波，用于发送混沌参考信号，剩余2^p个载波

为数据载波，并从1到2^p进行索引标记，其中，p表示要传输的比特数；

步骤2，将参考载波生成长度为β的离散混沌信号序列C＝(c₁，c₂，...c_i...c_β)，c_i表示混沌发生器产生的第i个离散信号；

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)，作为当前符号时间内的参考信号；

步骤4，将数据载波按信息比特序列分成2组，其中，第1组是p位索引比特；第2组是2^p位调制比特；

步骤5，对步骤4中得到的2^p位调制比特进行极性变换，将其转变为2^p位的双极性调制比特；

步骤6，通过索引选择器将步骤5中得到的2^p位的双极性调制比特和步骤4中得到的p位索引比特生成调制系数

其中，被索引比特选中的数据载波的调制系数等于该数据载波对应的双极性调制比特乘以虚数单位；其余未被选中的数据载波的调制系数等于该数据载波对应的双极性调制比特；

步骤7，将步骤3中得到的参考信号与步骤6中得到的调制系数相乘，生成调制信息序列J，J表示为：

其中，

将生成调制信息序列J与2^p+1个子载波进行相乘，生成2^p+1个经过载波调制信息序列J′；

步骤8，生成矩阵U作为CI码，U＝(U₀，U₁，...U_n，...U_N-1)，U_n看作

其中：

N＝2^p，j表示相位偏移；

CI码U看作矩阵：

步骤9，将步骤7中得到的载波调制信息序列J′与步骤8中得到的CI码相乘，得到发送信息序列；

步骤10：将步骤3得到的参考信号和步骤9中得到的发送信息序列做相应的N-IFFT处理后通过天线发送出去。

2.根据权利要求1所述双模多载波差分混沌移位键控调制方法，其特征在于：参考载波通过logistic映射生成长度为β的离散混沌信号序列C。

3.一种双模多载波差分混沌移位键控调制发射机，其特征在于：包括子载波生成器、混沌信号发生器、归一化处理器、S/P转换器、索引选择器、极性转换器、2^p个调制乘法器、2^p+1个载波乘法器、N-IFFT处理器、CI码编码器、P/S转换器，其中：

所述子载波生成器用于信号传输需要用的频带分成2^p+1个子载波频段，中心频率为f₀的载波为参考载波，用于发送混沌参考信号，剩余2^p个载波

为数据载波，并从1到2^p进行索引标记，其中，p表示；

所述混沌信号发生器用于将参考载波生成长度为β的离散混沌信号序列C；

所述归一化处理器用于将离散混沌信号序列C进行归一化处理获得归一化离散混沌信号序列C′，作为当前符号时间内的参考信号；

所述S/P转换器用于将数据载波中当前符号周期内要传输的串行数据比特转变为p位索引比特和2^p位调制比特；

所述极性转换器用于2^p位调制比特进行极性变换，将其转变为2^p位的双极性调制比特；

所述索引选择器用于将2^p位的双极性调制比特和p位索引比特生成调制系数

所述2^p个调制乘法器用于将参考信号分别与2^p个信息子载波调制系数

对应相乘，生成调制信息序列J；

所述2^p+1个载波乘法器用于将2^p+1个信息子载波分别与2^p个调制信息序列J对应相乘，生成2^p+1个经过载波调制的载波调制信息序列J′；

所述CI码编码器用于生成矩阵U作为CI码；

所述N-IFFT处理器用于将载波调制信息序列J′与CI码相乘，得到发送信息序列；

所述P/S转换器的功能是将发送信息序列合并成一路信号。

4.根据权利要求1所述低PAPR的双模多载波差分混沌移位键控调制发射机，其特征在于：混沌信号发生器采用logistic映射。

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