CN111835380B - 一种基于跳相扩频调制的通信方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于跳相扩频调制的通信方法及系统，包括：基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。本发明提供的不同跳相扩频调制信号之间的相关性很小，相互不易对解调造成干扰。

Description

一种基于跳相扩频调制的通信方法及系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，更具体地，涉及一种基于跳相扩频调制的通信方法及系统。

背景技术

当前，无线通信系统采用跳频和直扩方式来抗截获以及抗侦收，随着截获能力和信号识别处理算法能力的提高，跳频和直扩方式抗截获以及抗侦收能力显得日益薄弱。跳相扩频调制能在与直扩方式相同系统带宽的情况下，进一步提高无线通信系统的抗检测性能、抗截获性能以及抗侦收性能，该方法主要用于增强无线通信系统的安全性和可靠性，其中跳相序列的选择对该方法而言至关重要。目前常用的序列大多数采用的都是二进制的方式，但是采用二进制的安全性低，需要研究一种更安全且抗截获以及抗侦收能力更高的跳相序列，以提高无线通信的性能。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于跳相扩频调制的通信方法及系统，旨在解决现有无线跳相通信的安全性低，且抗截获以及抗侦收能力差的问题。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于跳相扩频调制的通信方法，包括如下步骤：

基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；N＞1，M＞2，N和M均为整数；

基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；

基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；

向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。

需要说明的是，跳相扩频调制通信指的是通过跳相调制方式将每个数据码元的相位进行多次改变，从而扩展信号频谱，提升抗干扰、防截获能力的通信方法。

在一个可选的实施例中，所述混沌序列映射函数包括：改良型Logistic映射函数、第一Chebyshev映射函数以及第二Chebyshev映射函数；

所述改良型Logistic映射函数接收到输入信号后，产生对应的第一输出信号；

所述改良型Logistic映射函数的参数和第一输出信号决定第一Chebyshev映射函数的参数；

所述第一Chebyshev映射函数接收到输入信号后，在第一Chebyshev映射函数参数的控制下产生对应的第二输出信号；

所述第二Chebyshev映射函数接收到输入信号后，产生对应的第三输出信号；

所述第二输出信号和第三输出信号相加取模得到对应的码元；

所述第二输出信号循环输入到改良型Logistic映射函数和第一Chebyshev映射函数，作为二者下一循环的输入信号，使得所述混沌序列映射函数循环输出不同的码元。

在一个可选的实施例中，所述基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移，具体为：

第n个码元c(n)对应的相位偏移

在一个可选的实施例中，所述基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，具体为：

若第n个码元对应的待发送信号为T_in(t)，则该待发送信号对应的跳相扩频调制信号为：

第二方面，本发明提供了一种基于跳相扩频调制的通信系统，包括：

序列生成单元，用于基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；N＞1，M＞2，N和M均为整数；

相位偏移确定单元，用于基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；

跳相信号生成单元，用于基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；

信号发送单元，用于向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。

在一个可选的实施例中，所述序列生成单元所用的混沌序列映射函数包括：改良型Logistic映射函数、第一Chebyshev映射函数以及第二Chebyshev映射函数；所述改良型Logistic映射函数接收到输入信号后，产生对应的第一输出信号；所述改良型Logistic映射函数的参数和第一输出信号决定第一Chebyshev映射函数的参数；所述第一Chebyshev映射函数接收到输入信号后，在第一Chebyshev映射函数参数的控制下产生对应的第二输出信号；所述第二Chebyshev映射函数接收到输入信号后，产生对应的第三输出信号；所述第二输出信号和第三输出信号相加取模得到对应的码元；所述第二输出信号循环输入到改良型Logistic映射函数和第一Chebyshev映射函数，作为二者下一循环的输入信号，使得所述混沌序列映射函数循环输出不同的码元。

在一个可选的实施例中，所述相位偏移确定单元得到的第n个码元c(n)对应的相位偏移

在一个可选的实施例中，所述基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，具体为：

若第n个码元对应的待发送信号为T_in(t)，则该待发送信号对应的跳相扩频调制信号为：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于跳相扩频调制的通信方法及系统，通过应用本发明设计的混沌序列映射函数其产生的序列具有较好的跳相自相关性，便于跳相补偿器进行快速解调，在截获方不知道该序列的情况下，难以进行截获解调，使得整个通信方法的抗截获能力强。同时该跳相扩频调制信号也具有较好的跳相互相关性，对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰，以使得整个通信方法的抗干扰能力强。

附图说明

图1是本发明提供的基于跳相扩频调制的通信方法流程图；

图2是本发明设计的多进制改进型混沌序列的结构图；

图3是发送端跳相序列发生器调制跳相序列的示意图；

图4是接收端对跳相扩频调制信号的解调过程示意图；

图5是本发明提供的基于跳相扩频调制的通信系统架构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

从序列构造方式上来看，大都采用混沌序列。针对密码学序列的产生方式，传统的方法主要是在线性反馈移位寄存器的基础之上，通过非线性前馈以及其前馈的组合方式产生，这些产生方法效果虽然较为理想，但是在构造方面仍然有一些潜在的缺陷。从密码学的角度来看，生成的序列需要具备随机性、宽噪声特性和非周期性。混沌系统是一种动态的高复杂度非线性系统，满足上述所有特征，同时对始值以及混沌参数具有较高的敏感性，这些特性使得混沌系统适合作为加密处理方法用于保密通信。混沌序列实际上是非线性反馈序列，与传统采用非线性前馈的线性反馈移位寄存器序列相比，具有复杂度高，非周期性，随机性强以及保密性好等特点，其更适合于通信与密码学的应用。在实际工程中，用混沌系统产生的非线性反馈序列在电路实现方面也相对简单。

为使得跳相扩频调制信号更易被己方捕获，而不易被敌方截获。需要设计出一种多进制改进型混沌序列，使得该序列足够随机和足够复杂，同时也应该具备优秀的自相关性和互相关性。

具体地，常见的混沌序列映射有改良型Logistic映射，其映射函数：

当1.4≤μ≤2的时候，改良型Logistic映射在(-1,1)处于混沌状态。概率密度函数为：

Chebyshev映射的映射函数：

x_n+1＝cos(ωarccos(x_n)),x∈(-1,1)

其中，x_n指的是迭代公式前一个状态，x_n+1指的是迭代公式后一个状态，μ指的是改良型Logistic映射的参数，ω指的是Chebyshev映射的参数。

当ω≥2时，上式是混沌的。概率密度函数与改良型Logistic映射相同。

图1是本发明提供的基于跳相扩频调制的通信方法流程图，如图1所示，包括如下步骤：

S110，基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；N＞1，M＞2，N和M均为整数；

S120，基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；

S130，基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；

S140，向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。

需要说明的是，跳相扩频调制通信指的是通过跳相调制方式将每个数据码元的相位进行多次改变，从而扩展信号频谱，提升抗干扰、防截获能力的通信方法。

在一个可选的实施例中，所述混沌序列映射函数包括：改良型Logistic映射函数、第一Chebyshev映射函数以及第二Chebyshev映射函数；

所述改良型Logistic映射函数接收到输入信号后，产生对应的第一输出信号；

所述改良型Logistic映射函数的参数和第一输出信号决定第一Chebyshev映射函数的参数；

所述第一Chebyshev映射函数接收到输入信号后，在第一Chebyshev映射函数参数的控制下产生对应的第二输出信号；

所述第二Chebyshev映射函数接收到输入信号后，产生对应的第三输出信号；

所述第二输出信号和第三输出信号相加取模得到对应的码元；

所述第二输出信号循环输入到改良型Logistic映射函数和第一Chebyshev映射函数，作为二者下一循环的输入信号，使得所述混沌序列映射函数循环输出不同的码元。

本发明设计的多进制改进型混沌序列的构造结构如图2所示，该图分为两部分结构，第一部分为传统的Chebyshev映射混沌函数，图2中的Chebyshev映射1，采用方法一的量化方式得到多进制序列。第二部分为图1下半部分内容。初始值x输入到改良型Logistic映射得到的结果假定为f，该f取值范围为(-1,1)。将Chebyshev映射1的参数设为w1，则输入参数w＝f+w1，满足Chebyshev映射2的参数为w。为了使映射处于混沌状态，w必须大于2，可知w1取值需要大于3。输入x到Chebyshev映射2后得到的输出结果为x1，并将x1作为下一次运算的输入，得到的输出结果再采用方法二进行量化。实际上改良型Logistic映射主要负责控制Chebyshev映射2的参数，使其随输入值发生动态变化。最后将得到的两部分多进制伪随机序列再进行相加取模处理，得到多进制改进型混沌序列，所得的多进制混沌序列具有较高的复杂性以及较好的跳相自相关性与跳相互相关性。

需要说明的是，值序列的多进制量化有两种方法：

方法一：通过概率密度函数进行非均匀量化。以改良型Logistic映射函数为例，假设需要得到q进制的序列，将区间为(-1,1)的改良型Logistic序列通过映射G(x_n)对应到相应的取值{0,1,2,...,q-1}，其中，G是指xn对应到k的映射函数。在区间[-1,1]之间取q个量化区间：ɑ₀，ɑ₁,...，ɑ_q令ɑ₀＝-1，ɑ_q＝1。若满足ɑ_k≤x_n≤ɑ_k+1则：：

G(x_n)＝k(k＝0,1,2,...,q-1)

对多进制伪随机序列进行均匀取值，其概率为：

得到：

即有：

则对于任意k(k＝0,1,2,...,q-1)可以得到如下的区间：

若y_n＝G(x_n)，那么，y_n为取值为{0,1,2,...,q-1}的混沌多进制伪随机序列。本方法的优势在于得到序列的平衡性较好。

方法二：根据小数进制进行量化。将迭代过程中的每一个实值序列点经表示为每一位都是多进制序列的m比特数，然后抽取其中的N位多进制序列，依次首尾相接来构造成多进制混沌序列。其中实值序列值x的绝对值用m比特的多进制码可以表示为：

|x|＝0.b₁(x)b₂(x)b₃(x)...b_i(x)...b_m(x),bi∈(0,1,2...,q-1)

bi(x)表示实值序列x的第i比特，然后取其中的L位的多进制序列。本发明的优点在于工作效率高，每次一个实值序列点能够产生L位的多进制序列，节约了运算时间。

具体地，本发明的多进制改进型混沌序列作为跳相序列用于跳相扩频调制。跳相调制单元的基本模型如图3所示：

图3所示在时钟基准的控制下发送端通过跳相序列发生器产生跳相序列的示意图，在跳相序列的控制下对待调制信号中每个码片的波形进行相应的移相后获得调制信号。其中，跳相序列c(n)为M进制，共包括N个码元，第n个码元为c(n)，且c(n)∈{0,1,2,....,M-1}(为本文发明的序列)；所述跳相序列c(n)的相位偏移

两个相位偏移之间的最小间隔为

其中，若第n个码元对应的待发送信号为T_in(t)，则该待发送信号对应的跳相扩频调制信号为：

其中

为移相因子；信号在每个码片内的初始相位在0～360度范围内以

度的分辨率随机变化。

如图4所示为接收端对跳相扩频调制信号的解调过程示意图。如图4所示，在跳相序列c(n)的控制下，相位补偿器(本质上是一个移相器)对Rin(t)的每个码片的波形进行不同程度的移相，得到Rout(t)：

其中

为相位补偿因子。此即完成了解跳相的过程。

在跳相序列c(n)的控制下，移相器对T_in(t)的每个码片的波形进行不同程度的移相，得到：

其中

为移相因子，序列的长度为L。

在时钟基准的控制下，跳相序列发生器产生M进制的跳相序列c(n)，对应的相位偏移为：

关于自相关公式有如下定义：

将相位偏移公式代入移相公式中，并将移相因子

当作s(t)带入到自相关公式，得到跳相调制自相关函数：

由于自相关函数得到的结果为复数，将上式取模并归一化得到：

关于互相关公式有如下定义：

同理进行公式的代入，可以得到跳相调制互相关函数：

上述跳相调制互相关函数中c₁(n)与c₂(n)表示不同的跳相序列(多进制伪随机序列)，将上式取模并归一化得到：

根据上式取模并归一化可以得到跳相自相关旁瓣均方根值定义为：

根据上式取模并归一化可以得到跳相互相关均方根值定义：

优秀的跳相序列应该具备良好的相关性，即跳相自相关旁瓣最大值以及跳相自相关旁瓣均方根值较小，跳相互相关最大值以及跳相互相关均方根值较小。前者目的是方便跳相补偿器进行解调，后者的目的是不同序列之间的相关性很小，相互不易对解调造成干扰。

具体地，Logistic型映射的映射函数：

x_n+1＝μx_n(1-x_n),x∈(0,1)

当3.5699…≤μ≤4时，Logistic映射的取值在0到1的范围内，且处于混沌状态，其迭代得到的序列具有非周期、非收敛且对初值极其敏感的特性。

Logistic映射的概率密度函数为：

将7进制作为低进制，随机取5组不同的初始值，等间隔取值为3位，序列长度取500。四种7进制混沌序列进行跳相自相关对比，如下表1所示：

表1不同初始值7进制跳相自相关对比表

上表1显示改进型混沌序列的跳相自相关旁瓣最大值以及跳相自相关旁瓣均方根值都最小(相对于其他三种)，说明7进制条件下，本发明设计的混沌序列的跳相自相关性最好。

将上述五组数据与下述五组数据做互相关处理，等间隔取值为3位，序列长度为500。在取值时去掉前100个值，以消除相同项带来的误差，其他条件保持不变。跳相互相关对比如表2：

表2不同初始值7进制跳相互相关对比表

上表显示改进型混沌序列的跳相互相关最大值以及跳相互相关均方根值都最小(相对于其他三种)，说明7进制条件下，本发明设计的混沌序列的跳相互相关性最好。

另外，将128进制作为高进制，针对不同初始值进行了对比统计表，随机取5组不能同的初始值，将其量化为128进制，且长度为取2500。如下表3所示：

表3不同初始值128进制跳相自相关对比表

上表3显示改进型混沌序列的跳相自相关旁瓣最大值以及跳相自相关旁瓣均方根值都最小(相对于其他三种)，说明128进制条件下，本发明设计的混沌序列的跳相自相关性最好。

将上述数据与下述数据做互相关处理，保证量化为128进制且长度为2500，等间隔取值为3位，其他条件保持不变。跳相互相关对比如表4所示：

表4不同初始值128进制跳相互相关对比表

上表4显示改进型混沌序列的跳相互相关最大值以及跳相互相关均方根值都最小(相对于其他三种)，说明高进制条件下，本发明设计的混沌序列的跳相互相关性最好。

表1、表2、表3以及表4结果显示无论序列是以128进制为代表的高进制还是以7进制为代表的低进制，四种序列中本发明设计的改进型混沌序列在跳相自相关性与跳相互相关性上优于其它三种传统混沌序列，说明本发明设计的改进型混沌序列更适合作为跳相扩频调制的跳相序列。

图5是本发明提供的基于跳相扩频调制的通信系统架构图，如图5所示，包括：

序列生成单元510，用于基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；N＞1，M＞2，M和N均为整数；

相位偏移确定单元520，用于基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；

跳相信号生成单元530，用于基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；

信号发送单元540，用于向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。

需要说明的是，图5中各个单元的功能参见前述方法实施例中的详细介绍，在此不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于跳相扩频调制的通信方法，其特征在于，包括如下步骤：

基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；N＞1，M＞2，N和M均为整数；所述混沌序列映射函数包括：改良型Logistic映射函数、第一Chebyshev映射函数以及第二Chebyshev映射函数；所述改良型Logistic映射函数接收到输入信号后，产生对应的第一输出信号；所述改良型Logistic映射函数的参数和第一输出信号决定第一Chebyshev映射函数的参数；所述第一Chebyshev映射函数接收到输入信号后，在第一Chebyshev映射函数参数的控制下产生对应的第二输出信号；所述第二Chebyshev映射函数接收到输入信号后，产生对应的第三输出信号；所述第二输出信号和第三输出信号相加取模得到对应的码元；所述第二输出信号循环输入到改良型Logistic映射函数和第一Chebyshev映射函数，作为二者下一循环的输入信号，使得所述混沌序列映射函数循环输出不同的码元；

基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；

基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；

向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。

2.根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移，具体为：

第n个码元c(n)对应的相位偏移

3.根据权利要求1所述的通信方法，其特征在于，所述基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，具体为：

若第n个码元对应的待发送信号为T_in(t)，则该待发送信号对应的跳相扩频调制信号为：

4.一种基于跳相扩频调制的通信系统，其特征在于，包括：

序列生成单元，用于基于混沌序列映射函数生成N个码元组成一个序列，每个码元均为一个M进制的数；N＞1，M＞2，N和M均为整数；所述序列生成单元所用的混沌序列映射函数包括：改良型Logistic映射函数、第一Chebyshev映射函数以及第二Chebyshev映射函数；所述改良型Logistic映射函数接收到输入信号后，产生对应的第一输出信号；所述改良型Logistic映射函数的参数和第一输出信号决定第一Chebyshev映射函数的参数；所述第一Chebyshev映射函数接收到输入信号后，在第一Chebyshev映射函数参数的控制下产生对应的第二输出信号；所述第二Chebyshev映射函数接收到输入信号后，产生对应的第三输出信号；所述第二输出信号和第三输出信号相加取模得到对应的码元；所述第二输出信号循环输入到改良型Logistic映射函数和第一Chebyshev映射函数，作为二者下一循环的输入信号，使得所述混沌序列映射函数循环输出不同的码元；

相位偏移确定单元，用于基于各个码元的数值和进制M确定各个码元对应的相位偏移；

跳相信号生成单元，用于基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，得到跳相扩频调制信号；

信号发送单元，用于向接收端发送所述跳相扩频调制信号；基于混沌序列映射函数生成的序列是离散的，相应生成的不同跳相扩频调制信号之间的相关性低，使得接收端对不同跳相扩频调制信号的解调不会相互干扰。

5.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述相位偏移确定单元得到的第n个码元c(n)对应的相位偏移

6.根据权利要求4所述的通信系统，其特征在于，所述基于各个码元对应的相位偏移对待发送的信号进行相应的相位调制，具体为：

若第n个码元对应的待发送信号为T_in(t)，则该待发送信号对应的跳相扩频调制信号为：

Images