CN112565132A - 基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，步骤包括：1)设置通信系统参数；2)准备待发送的第k帧HPS信息，对应的LPS信息和预定义的映射码；3)LPS信息数据映射；4)LPS信息经过数据映射后，再将映射序列送入如下混沌成型滤波器得到混沌参考信号；5)HPS信息调制，将混沌参考信号乘以HPS信息，得到传输信息信号；6)准备发射信号；7)接收信号下载频及匹配滤波；8)匹配滤波信号最大信噪比点采样；9)HPS信息估计；10)LPS信息估计；11)HPS、LPS估计信息相互校验，完成解码过程。本发明方法，既提升了通信速率，又显著减小了HPS和LPS的误码率。

Description

基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法

技术领域

本发明属于混沌扩频通信技术领域，涉及一种基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法。

背景技术

混沌通信作为通信领域的一个重要分支，近年来获得了越来越多研究人员的关注，并提出了大量的混沌扩频通信方案。尤其是近年来，研究发现混沌系统展现出一系列适合于通信的新特性，如混沌信号经过无线信道后的李亚普诺夫指数保持不变，理论证明了混沌信号所携带的信息经过无线信道后不会丢失，可以应用于无线通信中；混沌信号是最简单匹配滤波条件下的最优通信波形；利用混沌信号李亚普诺夫指数不变性可以有效抑制多径传输干扰，提高多径信道的通信性能；混沌信号可以直接由混沌成型滤波器在数字芯片中快速产生，不但能实现混沌调制，而且完全兼容现有通信设备。

现有的混沌扩频通信方案中通常采用的Logistic映射或者常规混沌系统，如洛伦兹系统，产生混沌信号，这些混沌信号一般作为伪随机码使用，不能传递信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，解决了现有技术中的混沌扩频通信方法通信速率低，复杂信道下信号畸变导致通信可靠性差；混沌信号一般作为伪随机码使用，不能传递信息的问题。

本发明采用的技术方案是，一种基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1、设置通信系统参数；

步骤2、准备待发送的第k帧HPS信息b_k，对应的LPS信息Α_k＝(a_k,1,a_k,2,...,a_k,N)和预定义的映射码Φ＝(φ₁,φ₂,...,φ_P)，其中HPS信息、LPS信息、映射码均为+1或-1；

步骤3、LPS信息数据映射；

步骤4、LPS信息经过数据映射后，再将映射序列送入如下混沌成型滤波器得到混沌参考信号；

步骤5、HPS信息调制，将混沌参考信号u_k(t)乘以HPS信息b_k，得到传输信息信号e_k(t)＝b_ku_k(t),(k-1)T_b≤t<kT_b；

步骤6、准备发射信号；

步骤7、接收信号下载频及匹配滤波；

步骤8、匹配滤波信号最大信噪比点采样；

步骤9、HPS信息估计；

步骤10、LPS信息估计；

步骤11、HPS、LPS估计信息相互校验，完成解码过程。

本发明的有益效果是，混沌信号由混沌成型滤波器产生，使得混沌信号可以携带任意编码信息，传输额外一路通信数据流，不仅如此，额外传输的通信数据流本身进行特定扩展编码的同时能够与差分键控等方案配合，利用参考信号的冗余和对应匹配滤波器作用提高数据传输可靠性，实现一加一大于二的倍增效能，相比于传统混沌扩频通信方案，带来了数据流相互校验的新特性，进一步增强了复杂信道下通信系统可靠性。包括以下几个方面：

1)本发明中使用预定义的扩频映射码实现了低优先级数据的映射处理，并通过混沌成型滤波器实现了映射后低优先级数据的调制。高优先级采用差分混沌键控方法，两路信息的传输使得本发明相较于其他同类混沌扩频通信方案，具有更高的通信速率；

2)接收端经过匹配滤波器增强了采样信号信噪比，由于高优先级扩频，低优先级映射提高了信号发送能量，提高了判决信号信噪比。此外，对高、低优先级数据估计完成后，利用高、低优先级数据间的冗余信息相互校验，使得信息恢复总是趋于正确率更高的一路信息，显著提升了通信系统误码性能。

附图说明

图1是本发明方法采用的发送端框图；

图2是本发明方法采用的接收端框图；

图3是本发明方法采用的混沌基函数；

图4是本发明方法实施例数据映射序列经过混沌成型滤波器产生的混沌参考信号；

图5是本发明方法实施例经过高优先级调制的信息信号；

图6是本发明方法实施例经过上载频后的发射信号；

图7是本发明方法实施例接收信号经过匹配滤波器的I路输出信号；

图8是本发明方法实施例接收信号经过匹配滤波器的Q路输出信号；

图9是高斯信道下不同方法的误码率仿真结果对比曲线；

图10是无线信道下不同方法的误码率仿真结果对比曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1和图2分别为本发明的方法采用的发射端和接收端结构框图。本发明的方法可以同时传输两路信息，一路由数据扩频映射和混沌成型滤波器调制的高速率数据流，定义为低优先级数据流(LPS,Low Priority Stream)；另一路采用传统差分混沌键控调制的高可靠数据流，定义为高优先级数据流(HPS,High Priority Stream)。两路数据流通过预定义的正交子载波发送至信道中。接收端将接收信号经过匹配滤波和最佳信噪比点采样后，通过逆映射和相关组合得到三路估计信息。再将估计信息进行数据校验和投票选择，选择准确率更高的一路估计信息作为解码信息。

本发明的方法，按照以下步骤具体实施：

步骤1、设置通信系统参数，

分别设置混沌成型滤波器基频频率f、采样频率f_s、低优先级数据流的LPS信息的码元周期T_a、高优先级数据流的HPS信息的码元周期T_b，则混沌符号过采样率n_s＝f_s/f，一帧信号传输1个HPS信息，N＝T_b/T_a个LPS信息，LPS信息映射编码长度P＝fT_a，HPS信息扩频增益L＝f_sT_b；

在实施例中，设置混沌成型滤波器基频f＝8Hz，采样频率f_s＝128，LPS信息的码元周期T_a＝0.25秒，HPS信息的码元周期T_b＝1秒，则混沌符号过采样n_s＝f_s/f＝16，一帧信号传输1个HPS信息和N＝T_b/T_a＝4个LPS信息，且LPS信息映射编码长度P＝fT_a＝2，HPS信息扩频增益L＝f_sT_b＝128。

步骤2、准备待发送的第k帧HPS信息b_k，对应的LPS信息Α_k＝(a_k,1,a_k,2,...,a_k,N)和预定义的映射码Φ＝(φ₁,φ₂,...,φ_P)，其中HPS信息、LPS信息、映射码均为+1或-1；

在实施例中，假定发送两帧信息，即k＝1,2，对应的HPS信息[b₁,b₂]＝[+1,-1]。由步骤1可知，一帧信号可以发送N＝4个LPS信息，假定k＝1和k＝2时的LPS信息分别为A₁＝(a_1,1,a_1,2,a_1,3,a_1,4)＝(1,-1,-1,1)和A₂＝(a_2,1,a_2,2,a_2,3,a_2,4)＝(-1,-1,-1,1)，设定预定义的扩频映射码Φ＝(φ₁,φ₂)＝(-1,1)。

步骤3、LPS信息数据映射，将LPS信息Α_k＝(a_k,1,a_k,2,...,a_k,N)送入数据映射模块，得到数据映射后二进制序列，表达式见式(1)：

其中s_k,m为第k帧映射序列S_k的第m个元素，S_k的序列长度为M＝PN；

在实施例中，分别将k＝1和k＝2时的LPS信息A₁＝(1,-1,-1,1)和A₂＝(-1,-1,-1,1)带入上式(1)，分别得到如下结果：

S₁＝(a_1,1Φ,a_1,2Φ,a_1,3Φ,a_1,4Φ)＝(s_1,1,s_1,2,s_1,3,s_1,4,s_1,5,s_1,6,s_1,7,s_1,8)

＝(-1,1,1,-1,1,-1,-1,1)

S₂＝(a_2,1Φ,a_2,2Φ,a_2,3Φ,a_2,4Φ)＝(s_2,1,s_2,2,s_2,3,s_2,4,s_2,5,s_2,6,s_2,7,s_2,8)

＝(1,-1,1,-1,1,-1,-1,1),

且每一帧S_k的数据量M＝PN＝8。

步骤4、LPS信息经过数据映射后，再将映射序列送入如下混沌成型滤波器得到混沌参考信号，表达式见式(2)：

其中t∈[(k-1)T_b,kT_b)为系统时间，u_k(t)为输出的第k帧混沌参考信号，s_k,m定义与步骤3中相同，f为步骤1中设定的混沌成型滤波器基频频率，

是小于t和f乘积的最大整数，N_p为满足当t≤-N_p/f时基函数δ(t)≈0的正整数，混沌基函数δ(t)的表达式见式(3)：

其中ω＝2πf，β＝fln2为系统参数；

在实施例中，混沌基函数δ(t)如图3所示，当选择N_p＝6，基本满足当t≤-6/8秒时δ(t)≈0的要求。将数据映射序列S₁,S₂带入式(2)的CSF中，得到的混沌信号如图4所示，其中实线为产生的混沌信号，虚线为对应的数据映射序列S＝[S₁,S₂]，且第k＝1帧信号持续时间为[0,1)秒，第k＝2帧信号持续时间为[1,2)秒。

步骤5、HPS信息调制，将混沌参考信号u_k(t)乘以HPS信息b_k，得到传输信息信号e_k(t)＝b_ku_k(t),(k-1)T_b≤t<kT_b；

在实施例中，当k＝1时，b₁＝1，则e₁(t)＝u₁(t),0≤t<1；当k＝2，b₂＝-1，则e₂(t)＝-u₂(t),1≤t<2，对应的信息信号如图5所示。对比图4和图5，当k＝1(0≤t<1)时，参考信号与信息信号一致，当k＝2(1≤t<2)时，参考信号与信息信号反相。

步骤6、准备发射信号，将混沌参考信号u_k(t)和传输信息信号e_k(t)分别以一对正交载波上载频发送，得到发射信号，表达式见式(4)：

T_k(t)＝u_k(t)sin(2πf_ct)+e_k(t)cos(2πf_ct), (k-1)T_b≤t＜kT_b (4)

其中f_c为载波频率；

在实施例中，设置载波频率f_c＝0.5MHz，发射信号T_k(t),k＝1,2，如图6所示。

步骤7、接收信号下载频及匹配滤波，接收信号v_k(t)＝T_k(t)+w(t)，其中w(t)为信道噪声，接收信号乘以与步骤6同频同相的正交载波得到下载频信号，表达式见式(5)：

将两路下载频信号

和

送入如下的匹配滤波器，得到滤波输出信号，表达式见式(6)：

其中(·)分别表示I路和Q路，

和

分别表示第k帧I路和Q路的滤波输出信号，g(t)＝δ(-t)表示基函数δ(t)的时间逆函数，τ为积分变量；

在实施例中，设定信道噪声w(t)＝0,将下载频后的I路和Q路信号

和

分别送入式(6)的匹配滤波器，得到的I路和Q路滤波器输出信号分别如图7和图8中实线所示。

步骤8、匹配滤波信号最大信噪比点采样，

以采样频率1/f分别对匹配滤波输出信号

和

的最大信噪比点采样，得到包含M个采样点的I路和Q路采样序列

和

其中第m个最大信噪比采样点

见式(7)：

在实施例中，由步骤1和步骤3可知，采样频率f_s＝128Hz，f＝8Hz,M＝8，则I路和Q路的采样时刻和采样值按照(7)式可得表1：

表1、I路和Q路滤波信号的最大信噪比点采样时刻及采样值

步骤9、HPS信息估计，将采样序列

和

累加求和，得到判决向量，表达式见式(8)：

第k帧的HPS信息b_k估计见式(9)：

在实施例中，第k＝1帧和k＝2帧的判决向量，按照式(8)得：

则HPS信息b_k的估计值按照(9)可得

和

步骤10、LPS信息估计，通过采样序列

和估计的

计算第三路采样序列

的第m个采样值

见式(10)：

将序列

和

中的M个元素依次送入下式得到各自的N个判决向量见式(11)：

其中[·]分别表示I路、M路和Q路，步骤1给出了LPS信息映射数据长度P，步骤2给出了预定义的扩频映射码Φ＝(φ₁,φ₂,...,φ_P)，

采用I路、M路和Q路的判决向量分别对第k帧的LPS信息进行估计，并定义估计信息分别为

和

其中第n个估计信息表达式见式(12)：

在实施例中，将表1中

的采样值和估计的

带入(10)式得到采样序列

如表2所示。

表2、第k＝1和k＝2帧序列

的估计结果

分别将

和

带入式(11)得到三组判决向量如表3所示，其中Φ＝(φ₁,φ₂)＝(-1,1)，由步骤1可知N＝4。

表3、序列

和

的判决计算结果

将表3中I路、Q路和M路的判决向量分别按照式(12)计算得到估计信息为

和

如表4所示。

表4、I路、Q路、M路的估计信息

和

步骤11、HPS、LPS估计信息相互校验，将估计信息

和

按照下式累加求和，表达式见式(13)：

其中上标Tr表示转置操作，

HPS信息按照下式恢复，表达式见式(14)：

其中sgn函数表达式见式(15)：

LPS信息按照下式恢复，表达式见式(16)：

至此，完成解码过程。

实施例中，将第k＝1和k＝2帧的估计信息

和

按照式(13)得：

和

HPS信息按照式(14)和式(15)恢复为

和

LPS信息按照式(16)，第k＝1帧恢复为

第k＝2帧恢复为

解码过程结束。

仿真验证：

1)高斯信道下的误码率。

仿真中采用高斯信道模型，测试了传统差分混沌键控(DCSK)，降噪差分混沌键控(NR-DCSK)与本发明方法(CSF-SM-DCSK)的性能对比。设置三种方法扩频增益L＝640，f＝2.5MHz，f_s＝40MHz，f_c＝5MHz，本发明方法T_b＝L/f_s＝1.6×10^-5秒，LPS信息码元周期分别设置为T_a＝4×10^-6秒和T_a＝8×10^-6秒，则对应映射扩频码长度P＝10和P＝20。仿真结果如图9所示，其中HPS表示本发明方案仅采用传统的估计方法，即式(9)得到的高优先级数据流解码结果；HPS-DC/LPS-DC表示完整采用本发明的高优先级数据流和低优先级数据流解码结果。可以看到，如果仅采用传统估计方法，HPS的性能与映射扩频码长度P无关，性能保持不变。当采用了本发明中数据校验方法后，随着P的增加，HPS-DC和LPS-DC的误码性能均有一定提升，并且都明显优于NR-DCSK和传统DCSK方案。

2)无线多径信道仿真结果。

系统参数设置与高斯信道下系统设置相同，仿真对比了映射扩频码长度分别为P＝10和P＝40两种情况。仿真中设定了3条多径传输，平均功率增益为[0.6,0.3,0.1]，对应延迟时间为[0,0.1,0.225]微秒。仿真结果如图10所示，可以看到低信噪比下，本发明的低优先级数据流误码性能略强于高优先级数据流，而随着噪声的减小，两者的误码率逐渐趋于相同。本发明方案误码性能明显优于对比方法。

综上所述，本发明的低优先级数据流信息通过扩频映射和混沌成型滤波器产生混沌信号，同时作为高优先级数据流信息的参考信号。接收端经过匹配滤波和最大信噪比采样后，先通过传统解码方法估计解码信息，再通过使用特殊设计的数据校正技术，同时增强了HPS和LPS的抗噪声、抗多径能力。本发明相对同类方案，不但通过CSF调制信息额外提升了通信速率，而且考虑了信道间的冗余信息，显著减小了HPS和LPS的误码率。

Claims (10)

1.一种基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于，按照以下步骤具体实施：

步骤1、设置通信系统参数；

步骤2、准备待发送的第k帧HPS信息b_k，对应的LPS信息Α_k＝(a_k,1,a_k,2,...,a_k,N)和预定义的映射码Φ＝(φ₁,φ₂,...,φ_P)，其中HPS信息、LPS信息、映射码均为+1或-1；

步骤3、LPS信息数据映射；

步骤4、LPS信息经过数据映射后，再将映射序列送入如下混沌成型滤波器得到混沌参考信号；

步骤5、HPS信息调制，将混沌参考信号u_k(t)乘以HPS信息b_k，得到传输信息信号e_k(t)＝b_ku_k(t),(k-1)T_b≤t<kT_b；

步骤6、准备发射信号；

步骤7、接收信号下载频及匹配滤波；

步骤8、匹配滤波信号最大信噪比点采样；

步骤9、HPS信息估计；

步骤10、LPS信息估计；

步骤11、HPS、LPS估计信息相互校验，完成解码过程。

2.根据权利要求1所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤1中，具体过程是，分别设置混沌成型滤波器基频频率f、采样频率f_s、低优先级数据流的LPS信息的码元周期T_a、高优先级数据流的HPS信息的码元周期T_b，则混沌符号过采样率n_s＝f_s/f，一帧信号传输1个HPS信息，N＝T_b/T_a个LPS信息，LPS信息映射编码长度P＝fT_a，HPS信息扩频增益L＝f_sT_b。

3.根据权利要求2所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤3中，具体过程是，将LPS信息Α_k＝(a_k,1,a_k,2,...,a_k,N)送入数据映射模块，得到数据映射后二进制序列，表达式见式(1)：

其中s_k,m为第k帧映射序列S_k的第m个元素，S_k的序列长度为M＝PN。

4.根据权利要求3所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤4中，具体过程是，混沌参考信号的表达式见式(2)：

其中t∈[(k-1)T_b,kT_b)为系统时间，u_k(t)为输出的第k帧混沌参考信号，s_k,m定义与步骤3中相同，f为步骤1中设定的混沌成型滤波器基频频率，

是小于t和f乘积的最大整数，N_p为满足当t≤-N_p/f时基函数δ(t)≈0的正整数，混沌基函数δ(t)的表达式见式(3)：

其中ω＝2πf，β＝f ln2为系统参数。

5.根据权利要求4所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤6中，具体过程是，将混沌参考信号u_k(t)和传输信息信号e_k(t)分别以一对正交载波上载频发送，得到发射信号，表达式见式(4)：

T_k(t)＝u_k(t)sin(2πf_ct)+e_k(t)cos(2πf_ct),(k-1)T_b≤t＜kT_b (4)

其中f_c为载波频率。

6.根据权利要求5所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤7中，具体过程是，接收信号v_k(t)＝T_k(t)+w(t)，其中w(t)为信道噪声，接收信号乘以与步骤6同频同相的正交载波得到下载频信号，表达式见式(5)：

将两路下载频信号

和

送入如下的匹配滤波器，得到滤波输出信号，表达式见式(6)：

其中(·)分别表示I路和Q路，

和

分别表示第k帧I路和Q路的滤波输出信号，g(t)＝δ(-t)表示基函数δ(t)的时间逆函数，τ为积分变量。

7.根据权利要求6所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤8中，具体过程是，以采样频率1/f分别对匹配滤波输出信号

和

的最大信噪比点采样，得到包含M个采样点的I路和Q路采样序列

和

其中第m个最大信噪比采样点

见式(7)：

8.根据权利要求7所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤9中，具体过程是，将采样序列

和

累加求和，得到判决向量，表达式见式(8)：

第k帧的HPS信息b_k估计见式(9)：

9.根据权利要求8所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤10中，具体过程是，通过采样序列

和估计的

计算第三路采样序列

的第m个采样值

见式(10)：

将序列

和

中的M个元素依次送入下式得到各自的N个判决向量见式(11)：

其中[·]分别表示I路、M路和Q路，步骤1给出了LPS信息映射数据长度P，步骤2给出了预定义的扩频映射码Φ＝(φ₁,φ₂,...,φ_P)，

采用I路、M路和Q路的判决向量分别对第k帧的LPS信息进行估计，并定义估计信息分别为

和

其中第n个估计信息表达式见式(12)：

10.根据权利要求9所述的基于混沌成型滤波和相互校验的差分混沌键控方法，其特征在于：所述的步骤11中，具体过程是，将估计信息

和

按照下式累加求和，表达式见式(13)：

其中上标Tr表示转置操作，

HPS信息按照下式恢复，表达式见式(14)：

其中sgn函数表达式见式(15)：

LPS信息按照下式恢复，表达式见式(16)：

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