CN113114600A - 一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器，在DPI‑DCSK单用户传输方案中，每次传输的（n+1）个比特的参考信号同时也是前（n+1）个比特的信息承载信号，因而相对于PI‑DCSK系统传输了没有承载比特信息的混沌参考信号，该DPI‑DCSK方案解决了传输能量浪费的问题。与传统PI‑DCSK系统相比，本发明的方法具有更好的误比特性能，有效降低了误比特率，并且节省了一半的传输能量。

Description

一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器及方法。

背景技术

非线性科学作为科学的一个重要分支，是当今学术界的热点课题之一，它可以很好地解决牛顿力学所存在的局限性问题。混沌是非线性科学的一个重要组成部分，被誉为物理界的第三次革命。混沌信号容易于生成，具有宽带、非周期性、确定性、类噪声性以及良好的自相关性和互相关性。这些特性对于提高多用户接入性能、提高抗干扰能力和抗多径效应非常重要，使得混沌信号在扩频通信系统中得到了越来越广泛的应用。与此同时，混沌通信在保密通信以及超宽带通信系统中也具有良好的发展前景。

混沌通信系统中研究最广泛的一种系统是差分混沌移位键控(DCSK)系统，该系统的接收机结构简单，在多径衰落信道下性能良好。DCSK系统以混沌信号作为载波，调制部分采用的方式是传输-参考模式。在发送端，混沌信号通过混沌映射的方式产生，该混沌信号作为参考信号，在传输信号的前半个符号周期传输参考信号，后半个符号周期传输信息承载信号，当信息比特为1时，信息承载信号为该混沌信号；当信息比特为0时，信息承载信号为混沌信号的反转信号。传输信号经过信道到达DCSK系统的接收端，由于一个符号周期的传输信号包括参考信号和信息承载信号两部分，接收端将这两部分信号送入相关接收机，计算这两部分信号间的相关特性，并且依据计算得到的相关特性的结果来判决传输的信息比特。

由于DCSK系统在一个符号周期只能够传输1个调制比特，使得数据传输率较低。为了获得更高的传输数据率,Herceg M等人在文献《Permutation Index DCSK ModulationTechnique for Secure Multiuser High-Data-Rate Communication Systems》中排列索引的差分混沌移位键控(PI-DCSK)系统，将输入比特流每次以(n+1)个比特进行传输，其中n个映射比特由不同排列的参考信号副本进行承载，再根据1个单独的调制比特用来重复或者反转n个映射比特的载波。PI-DCSK中的其它过程与传统DCSK系统具有相似的结构，每个数据帧被分成两个时隙，在第一个时隙中发送混沌参考信号，第二个时隙中的调制位通过所选的排列序列进行扩频后发送。在接收端，先将参考段的所有排列副本与信息承载信号进行相关特性的运算，通过运算结果绝对值的最大值所对应的相关器索引判决出n个映射比特，再根据其相关特性运算结果的符号判决出调制比特。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器及方法，具有更好的误比特性能，有效降低了误比特率(BER)，并且节省了一半的传输能量。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器，所述调制器具体如下：调制部分采用的方式是传输-参考模式，利用再差分排列索引的方法，即用户传输的比特都以前若干个比特的传输段作为参考段，再利用排列索引的规则对信号进行调制和解调；

在发送端，比特流以(n+1)个比特为模块进行划分，混沌信号通过混沌映射的方式产生，该混沌信号作为第1个发送模块的参考段；

其中，n个映射比特用来选择预定义的排列索引规则，对参考段进行相应规则排列后的混沌信号作为n个映射比特的载波，再根据1个调制比特的值重复或者反转n个映射比特的载波；传输的第2个发送模块以第1个发送模块的传输段为参考段，调制过程与第1个发送模块相同，依次类推，直至完成n个发送模块；

在接收端，将参考段使用排列索引规则进行排列，所有排列后的参考段与信息段进行相关特性的计算，通过比较相关特性的结果的绝对值大小，根据绝对值最大的排列索引判决出对应的n个映射比特，再根据其相关特性结果的符号进行判决调制位。

一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器的解调方法，在发送端，包括以下步骤：

步骤1：生成β长度的离散混沌信号序列；

步骤2：传输比特流以(n+1)个比特为模块进行分割，每个模块包括n个映射比特和1个调制比特；

步骤3：步骤1所生成的混沌信号序列作为第1个发送模块发送信号的参考段信号，通过预定义的排列规则将参考信号进行排列，产生2ⁿ种排列副本分别携载2ⁿ种映射比特的情况；

步骤4：根据第1个发送模块的n个映射比特，选择2n种排列副本的其中一种携带该n个映射比特；

步骤5：根据第1个发送模块的调制比特进行重复或者反转步骤4所选择的排列副本，当调制比特为“1”时，信息段信号与所选择的排列副本相同，当调制比特为“0”，信息段信号是所选择的排列副本的反信号；

步骤6：将第1个发送模块的信息段信号作为第2个发送模块的参考信号，根据第2个发送模块的n个映射比特，选择对应的一种排列规则对第1个发送模块的信息段信号进行排列，用来携载n个映射比特；

步骤7：根据第2个发送模块的调制比特进行重复或者反转步骤6所选择的排列副本，与步骤5的方法相同，从而得到第2个发送模块的信息段信号；

步骤8：将第2个发送模块的信息段信号作为第3个发送模块的参考信号，重复步骤6和步骤7的方法，得到第3个发送模块的信息段信号；

同理，将所有模块的数据比特流调制完成。

进一步的，所述扩频因子β，所产生的排列副本之间满足

xP_j(x)≈0， (1)

P_z(x)P_j(x)^T≈0，z≠j

(2)

其中，x表示β个混沌样本，P_j(.)表示第j个排列操作，(.)^T表示转置。需要携载n个映射位，则需生成2ⁿ种排列副本。DPI-DCSK系统的调制进制数为M＝2ⁿ⁺¹，需要有

种准正交信号。

一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器的解调方法，在接收端，包括以下步骤：

步骤1：接收来自发送端的信号，将第1个模块的参考段信号使用预定义的2ⁿ种排列规则进行排列，得到2ⁿ种排列副本；

步骤2：将步骤1得到的2ⁿ种排列副本与第1个模块信息段信号进行相关特性的计算，生成2ⁿ个相关值；

步骤3：将步骤2生成的2ⁿ个相关值取绝对值，判定绝对值中的最大值所对应相关器的排列索引，通过该排列索引恢复出第1个模块解调的n个映射比特；

步骤4：将步骤3中的最大值对应的相关值进行门限判决，恢复出第1个模块解调的调制比特，即相关值大于0，则调制比特为“1”，否则调制比特为“0”。

步骤5：将第1个模块信息段信号作为第2个模块信号解调的参考信号，重复步骤1到步骤4的类似操作，解调出第2个模块的n个映射比特和调制比特；

同理，恢复出每个模块的(n+1)个比特流，解调出所发送端所传输的数据比特流。

进一步的，所述步骤4具体为：将参考信号利用预定义的2ⁿ种排列规则

进行操作，将所有的排列后的参考段信号分别与信息段信号进行相关运算，得到2ⁿ个相关值D_i，m，其中m∈{1，2，...，2ⁿ}，比较2ⁿ个相关运算结果的绝对值大小，根据最大值所对应的排列索引

判决出n个映射比特

调制比特

根据最大值所对应的相关值的符号进行判决：

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明有效的降低了误比特率(BER)，表现出更好的误比特性能，并节省了一半的传输能量。

附图说明

图1是现有的DCSK以及PI-DCSK的帧结构示意图；

图2是发送信号的排列索引调制过程示意图；

图3为本发明DPI-DCSK的帧结构示意图；

图4为本发明DPI-DCSK的接收机示意图；

图5为两径瑞利衰落信道下，DPI-DCSK和PI-DCSK的误比特率性能的比较，调制进制数M＝4，扩频因子的一半β分别为100和200；

图6为在UWB CM7信道下，DPI-DCSK和PI-DCSK的误比特率性能的比较，调制进制数M＝4，扩频因子的一半β为240。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施例提供一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器，将传输比特流以(n+1)个比特为一个模块进行划分，将第i个发送模块的比特信息写成[a_i，1，a_i，2，...，a_i，n+1]＝[S_i，a_i，n+1]，其中S_i＝[a_i，1，a_i，2，...，a_i，n]表示第i个发送模块的n个映射比特，a_i，n+1表示调第i个发送模块的调制比特。

在发送端，混沌信号发生器产生β样本信号的混沌序列作为第1个发送模块的参考信号，将参考信号送入排列模块，根据预定义的排列规则进行操作，得到不同的排列副本。预定义的排列规则是要使排列后的副本间具有准正交性，由于混沌信号具有良好的自相关特性和互相关特性，对于较大的扩频因子β，所产生的排列副本之间满足

xP_j(x)≈0， (1)

P_z(x)P_j(x)^T≈0，z≠j

(2)

其中，x表示β个混沌样本，P_j(.)表示第j个排列操作，(.)^T表示转置。需要携载n个映射位，则需生成2ⁿ种排列副本。DPI-DCSK系统的调制进制数为M＝2ⁿ⁺¹，需要有

种准正交信号。

在本实施例中，如图2所示，根据映射比特S_i选择预定义的2n种排列规则

中的其中一种对参考信号进行排列，之后再根据调制比特a_i，n+1对排列后的参考信号进行重复或反转，即调制比特为1时信息信号与排列后的参考信号相同，否则与排列后的参考信号相反。第i个模块发射信号e_i表示为e_i＝[X_i，0a_i，n+₁P_j(X_i，β)]，其中X_i，0表示β长度无延时的参考信号，X_i，β表示时延β长度的参考信号的副本，j∈{1，2，...，2ⁿ}。

在本实施例中，如图3所示，F₁到F_N分别表示N个发送模块的发射信号的结构，R₀表示混沌发生器所生成的参考混沌信号，D₁到D_N分别对应N个发送模块所调制的信息段信号。如前所述，我们可知第1个发送模块的调制过程；本提案的第2个发送模块的调制过程是以第1个发送模块的信息段D₁作为参考信号，将参考信号D₁送入排列模块，如图2所示，根据第2个发送模块的映射比特S₂在预定义的2ⁿ种排列规则

中选取对应规则，将D₁进行排列，再根据第2个发送模块的调制比特a_2，n+1对排列后的D₁进行重复或反转得到D₂；第3个发送模块则以第2个发送模块的信息段D₂作为参考信号，再进行如第2个发送模块相同的调制过程得到D₃。同理，将N个发送模块调制完成后发送，经过信道后，到达接收端。

在本实施例中，如图4所示，在接收端，将对应部分的参考段信号送入排列模块，将参考信号利用预定义的2ⁿ种排列规则

进行操作。将所有的排列后的参考段信号分别与信息段信号进行相关运算，得到2ⁿ个相关值D_i，m，其中m∈{1，2，...，2ⁿ}。为了决定匹配的排列索引，比较2ⁿ个相关运算结果的绝对值大小，根据最大值所对应的排列索引

判决出n个映射比特

调制比特

根据最大值所对应的相关值的符号进行判决。

如图5所示为本发明DPI-DCSK系统和传统PI-DCSK系统在两径瑞利衰落信道下的误比特率性能比较，调制进制数为M＝4。当β为100，即扩频因子2β为200时，本发明DPI-DCSK系统相比于传统PI-DCSK系统在BER＝10^-4时约有3dB的增益；当β为200，即扩频因子2β为400时，本发明DPI-DCSK系统相比于传统PI-DCSK系统在BER＝10^-4时约有3dB的增益；由此可得，当β相同时，DPI-DCSK系统的性能明显优于PI-DCSK系统，并且DPI-DCSK系统相比于PI-DCSK系统还可节省一半的传输能量。当本实施例中DPI-DCSK系统的β为200，PI-DCSK系统的β为100时，二者传输能量基本相同，本发明DPI-DCSK系统相比于PI-DCSK系统在BER＝10^-4时约有1dB的增益。综上所述，本发明可有效降低误比特率，表现出较好的误比特性能。

如图5所示为本发明DPI-DCSK系统和传统PI-DCSK系统在UWB CM7信道下的误比特率性能比较，调制进制数为M＝4，β为240。在信噪比SNR为21dB时，DPI-DCSK系统比传统PI-DCSK系统，有大于一个数量级的BER性能优势。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器，其特征在于，所述调制器具体如下：调制部分采用的方式是传输-参考模式，利用再差分排列索引的方法，即用户传输的比特都以前若干个比特的传输段作为参考段，再利用排列索引的规则对信号进行调制和解调；

在发送端，比特流以(n+1)个比特为模块进行划分，混沌信号通过混沌映射的方式产生，该混沌信号作为第1个发送模块的参考段；

其中，n个映射比特用来选择预定义的排列索引规则，对参考段进行相应规则排列后的混沌信号作为n个映射比特的载波，再根据1个调制比特的值重复或者反转n个映射比特的载波；传输的第2个发送模块以第1个发送模块的传输段为参考段，调制过程与第1个发送模块相同，依次类推，直至完成n个发送模块；

在接收端，将参考段使用排列索引规则进行排列，所有排列后的参考段与信息段进行相关特性的计算，通过比较相关特性的结果的绝对值大小，根据绝对值最大的排列索引判决出对应的n个映射比特，再根据其相关特性结果的符号进行判决调制位。

2.根据权利要求1所述的一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器的解调方法，其特征在于，在发送端，包括以下步骤：

步骤1：生成β长度的离散混沌信号序列；

步骤2：传输比特流以(n+1)个比特为模块进行分割，每个模块包括n个映射比特和1个调制比特；

步骤3：步骤1所生成的混沌信号序列作为第1个发送模块发送信号的参考段信号，通过预定义的排列规则将参考信号进行排列，产生2ⁿ种排列副本分别携载2ⁿ种映射比特的情况；

步骤4：根据第1个发送模块的n个映射比特，选择2ⁿ种排列副本的其中一种携带该n个映射比特；

步骤5：根据第1个发送模块的调制比特进行重复或者反转步骤4所选择的排列副本，当调制比特为“1”时，信息段信号与所选择的排列副本相同，当调制比特为“0”，信息段信号是所选择的排列副本的反信号；

步骤6：将第1个发送模块的信息段信号作为第2个发送模块的参考信号，根据第2个发送模块的n个映射比特，选择对应的一种排列规则对第1个发送模块的信息段信号进行排列，用来携载n个映射比特；

步骤7：根据第2个发送模块的调制比特进行重复或者反转步骤6所选择的排列副本，与步骤5的方法相同，从而得到第2个发送模块的信息段信号；

步骤8：将第2个发送模块的信息段信号作为第3个发送模块的参考信号，重复步骤6和步骤7的方法，得到第3个发送模块的信息段信号；

同理，将所有模块的数据比特流调制完成。

3.根据权利要求2所述的一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器的解调方法，其特征在于，所述扩频因子β，所产生的排列副本之间满足

xP_j(x)≈0, (1)

P_z(x)P_j(x)^T≈0，z≠j (2)

其中，x表示β个混沌样本，P_j(.)表示第j个排列操作，(.)^T表示转置。需要携载n个映射位，则需生成2ⁿ种排列副本。DPI-DCSK系统的调制进制数为M＝2ⁿ⁺¹，需要有

种准正交信号。

4.根据权利要求1所述的一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器的解调方法，其特征在于，在接收端，包括以下步骤：

步骤1：接收来自发送端的信号，将第1个模块的参考段信号使用预定义的2ⁿ种排列规则进行排列，得到2ⁿ种排列副本；

步骤2：将步骤1得到的2ⁿ种排列副本与第1个模块信息段信号进行相关特性的计算，生成2ⁿ个相关值；

步骤3：将步骤2生成的2ⁿ个相关值取绝对值，判定绝对值中的最大值所对应相关器的排列索引，通过该排列索引恢复出第1个模块解调的n个映射比特；

步骤4：将步骤3中的最大值对应的相关值进行门限判决，恢复出第1个模块解调的调制比特，即相关值大于0，则调制比特为“1”，否则调制比特为“0”。

步骤5：将第1个模块信息段信号作为第2个模块信号解调的参考信号，重复步骤1到步骤4的类似操作，解调出第2个模块的n个映射比特和调制比特；

同理，恢复出每个模块的(n+1)个比特流，解调出所发送端所传输的数据比特流。

5.根据权利要求4所述的一种再差分排列索引的差分混沌移位键控调制器的解调方法，其特征在于，所述步骤4具体为：将参考信号利用预定义的2ⁿ种排列规则

进行操作，将所有的排列后的参考段信号分别与信息段信号进行相关运算，得到2ⁿ个相关值D_i,m，其中m∈{1,2,...,2ⁿ}，比较2ⁿ个相关运算结果的绝对值大小，根据最大值所对应的排列索引

判决出n个映射比特

调制比特

根据最大值所对应的相关值的符号进行判决：

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