CN115643140A - 一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统与方法，涉及无线通信中的混沌数字调制。发送端对信息比特序列进行串/并变换得到多组等长序列，对各序列进行索引调制得到相应的位置索引值，混沌发生器产生混沌序列作为参考信号，根据各索引对混沌序列循环移位产生多个信息承载信号，相互叠加后与参考信号共同组成发送信号；接收端采用非相干解调，接收机从接收信号中取出参考信号和信息承载信号，依次对参考信号进行循环移位得到多个副本，分别与信息承载信号进行相关得到各位置索引的估计值，经索引解调得到多组信息比特，并/串变换后恢复出原始信息比特序列。可提高系统信息传输速率，提高信息保密性。

Description

一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统与方法

技术领域

本发明属于无线通信中的混沌数字调制技术领域，尤其是涉及基于索引调制的一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统与方法。

背景技术

差分混沌移位键控(Differential Chaos Shift Keying,DCSK)作为最典型的混沌数字调制技术，发送端通过传输参考(Transmitted-Reference,T-R)模式传输用户比特信息，发送信号被分为两段传输，两段信号拥有相等的采样序列，利用两段信号幅值的正反表示用户比特信息是“0”还是“1”。发送信号可以直接实现扩频通信，省掉扩频码同步等繁琐过程，因此既简单又高效，具有很高的研究价值，接收端通过非相干解调来恢复用户比特信息，避免混沌同步对系统高要求的困扰。

但由此带来两个问题，一是发送无承载信息的参考信号占据一半的符号周期，导致的比特传输速率普遍偏低；二是参考信号在一定程度上类似于在同一个符号周期内发送的信息信号，致使DCSK系统保密性不强。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的差分混沌移位键控系统信息传输速率不高的问题，为提高DCSK系统的比特传输速率，改善误比特率(Bit Error Rate，BER)性能，提高系统保密性，提供可提高系统信息传输速率的一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统。

本发明的另一目的在于提供一种多级循环移位索引差分混沌移位键控方法。

一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统包括发射端、接收端和无线信道；

所述发射端设有混沌发生器、串/并转换模块、索引调制模块、发射端延时模块和发射端循环移位模块；

所述混沌发生器用于产生混沌序列；

所述串/并转换模块用于将信息比特序列由串行转换为并行；

所述索引调制模块用于将二进制数转换为自然数，作为位置索引值；

所述发射端延时模块用于对混沌信号延时θ个码片；

所述发射端循环移位模块用于根据位置索引值对延时后的混沌信号进行循环移位；

所述接收端设有接收端延时模块、接收端循环移位模块、索引检测模块、十进制/二进制转换模块、并/串转换模块；

所述无线信道用于信号的传输：信息比特经发射端调制产生已调信号，通过无线信道进行传输，接收端接收到经无线信道中噪声影响的已调信号；

所述接收端延时模块用于对参考信号延时θ个码片；

所述接收端循环移位模块用于对延时后的参考信号进行循环移位；

所述索引检测模块用于从I₁,I₂,…I_θ中检测出N个位置索引的估计值；

所述十进制/二进制转换模块用于将N个位置索引的估计值转换为N组

位二进制数；

所述并/串转换模块用于将N组二进制数由并行转换为串行。

一种多级循环移位索引差分混沌移位键控方法，包括以下步骤：

1)在发送端，对信息比特序列进行串/并变换得到多组等长序列，对各组信息比特进行索引调制得到位置索引值，同时混沌发生器产生混沌序列作为参考信号，根据各索引对混沌序列进行循环移位调制产生多个信息承载信号，各个信息承载信号相叠加，并与参考信号共同组成发送信号；

2)在接收端，采用非相干解调，接收机从接收信号中取出参考信号和信息承载信号，依次对参考信号进行循环移位，得到多个循环移位后的副本，与信息承载信号进行相关，得到各个位置索引的估计值，逆映射为二进制数，得到多组信息比特，再进行并/串变换，从而恢复出原始信息比特序列。

在步骤1)中，所述发送信号具体可由以下具体步骤得到：发射机发送用于索引调制的信息比特序列X_M，将X_M进行串/并变换，等分成N组子序列，将各组子序列转换成十进制数，并分别将N组子序列映射成N个自然数Z₁,Z₂,…,Z_N作为位置索引值；混沌发生器产生θ个码片的的混沌序列C_x作为参考信号，在前半个周期(θ个码片)发送该混沌序列，同时对混沌序列延时θ个码片得到延时信号，延时后的混沌序列分别循环右移Z₁,Z₂,…,Z_N个码片时间得到N个信息承载信号，在后半个周期将这N个信息承载信号叠加，并与参考信号组合形成发送信号s(t)。

在步骤2)中，接收机收到受多径衰落和加性高斯白噪声影响的信号r(t)，从信号r(t)中取出估计的参考信号r_ref和估计的信息承载信号r_inf，对参考信号分别依次循环右移0,1,…,θ-1个码片，得到θ个右移后的移位信号，将各移位信号与信息承载信号r_inf做相关运算得到θ个值，根据前后顺序将θ个值等分为N个子序列，将N个子序列进行索引检测得到位置索引的估计值

即判别每个子序列最大值对应的位置索引，各索引的估计值经十进制/二进制转换模块转换为N组二进制数，将各组二进制数并/串转换，得到估计的原始信息比特序列

本发明提供一种多级循环移位索引差分混沌移位键控(A Multilevel CyclicShift Index Differential Chaotic Shift Keying,MCSI-DCSK)系统，在发送端对信息比特序列等长分组后进行索引调制得到多个位置索引值，各位置索引值分别控制混沌序列的循环移位得到多个信息承载信号，相互叠加后与参考信号组合得到发送信号。在接收端，对接收的参考信号依次循环移位得到多个副本并与接收的信息承载信号分别做相关，从各相关值中检测出估计的位置索引值，从而恢复出原始信息比特。本发明相对于传统的DCSK在传输速率上有巨大的优势，例如在混沌序列长度为θ时，传统DCSK只能传输一位信息比特，而本发明的系统可传输N[log₂(θ/N)]个信息比特，此处N表示叠加的信息承载信号个数。由于多级信息承载信号相互叠加，提高了信息保密性。计算机仿真结果表明，本发明在多径瑞利衰落信道下提高信息传输速率，且提高系统性能。

附图说明

图1为系统框图。

图2为系统发送端的框图。

图3为系统接收端的框图。

图4为在加性高斯白噪声信道下，多级循环移位索引差分混沌移位键控系统与传统差分混沌移位键控系统在不同扩频因子取值下的误比特率性能比较曲线。扩频因子分别取β＝128,β＝256,β＝384。

图5为在多径瑞利衰弱信道下，多级循环移位索引差分混沌移位键控系统与传统差分混沌移位键控系统在不同扩频因子取值下的误比特率性能比较曲线。扩频因子分别取β＝128,β＝256,β＝384，信道路径数取L＝3。

图6为在多径瑞利衰弱信道下，多级循环移位索引差分混沌移位键控系统在不同信道路径数和不同扩频因子取值下的误比特率性能比较曲线。扩频因子分别取β＝128，β＝384,信道路径数分别取L＝1,L＝3,L＝8。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例将结合附图进一步阐述本发明。

图1给出本发明系统框图。发射机发送长度为M的信息比特序列X_M，将X_M进行串/并变换得到N组等长子序列X_M,1,X_M,2,…,X_M,N(X_M,n的长度为

n＝1,2,…,N)。将X_M,1,X_M,2,…,X_M,N进行索引调制，即将X_M,1,X_M,2,…,X_M,N以一定的规则映射为自然数，得到各位置索引值Z₁,Z₂,…,Z_N。混沌发生器产生θ

个码片的混沌序列C_x作为参考信号，在前半个周期发送该参考信号，同时对混沌序列延时θ个码片得到延时信号，将延时后的混沌序列送入循环移位调制器，分别循环右移Z₁,Z₂,…,Z_N个码片时间得到N个信息承载信号，在后半个周期将各信息承载信号进行叠加得到最终的信息承载信号，与参考信号组合成发送信号s(t)。

接收机接收到信号r_i后，从r_i中取出接收的参考信号r_ref和接收的信息承载信号r_inf，对接收的参考信号分别依次循环右移0,1,…,θ-1个码片得到θ个移位信号r_ref,0,r_ref,1,…,r_ref,θ-1，将各移位信号与接收的信息承载信号r_inf做相关运算得到θ个值I₁,I₂,…,I_θ，再根据前后顺序将θ个值等分为N个子序列φ₁,φ₂,…，φ_N，然后检测每个子序列中最大值的位置索引得到N个位置索引的估计值

将各位置索引的估计值经十进制/二进制转换模块转换成N个长度为

的二进制序列Y₁,Y₂,…,Y_N，再将Y₁,Y₂,…,Y_N进行并/串转换，得到估计的原始信息比特序列

图2为系统发送端的框图，其中包括：串/并转换模块将信息比特序列由串行转换为并行、索引调制模块将二进制数映射为自然数作为位置索引值、发送端延时模块对混沌序列延时θ个码片、发送端循环移位模块根据位置索引值对延时后的混沌序列进行循环移位，其具体工作过程如下：

在发送端，假设发送的原始信息比特序列为X_M＝[x₁,x₂,…,x_M]，混沌发生器产生的混沌序列为C_x，则发送信号可以表示为：

其中，C_x＝[c₁,c₂,…,c_θ]表示θ个码片的混沌序列，发送信号的长度为β＝2θ，将其定义为扩频因子，C_x-θ表示对C_x延时θ个码片后的混沌序列，N表示将长度为M的原始信息比特序列X_M等分成N个子序列，则X_M＝[X_M,1,X_M,2,…,X_M,N]。T_θ表示大小为θ×θ的循环移位矩阵，表达式为：

其中，式(1)中C_x-θ右乘T_θ ⁿ表示对序列C_x-θ循环右移n个码片。符号θ、M、N三者有如下关系：

Z_n是由X_M,n按一定规则映射成的自然数的，映射规则如下：

Δ(2→10)表示将Δ从二进制数转换成十进制数。

假设发送信号受到多径衰落和加性高斯白噪声的污染，则接收到的基带离散信号表示为：

其中，L是信道路径数，α_i,l和τ_i,l分别是第L条路径的信道系数和路径延迟，n_i为均值为零、协方差为

的宽带加性高斯白噪声向量，H是单位矩阵。注意：当通道参数满足L＝1时，单位信道系数α_i,1＝1和零时间延迟τ_i,1＝0，信道退化为加性高斯白噪声信道的情况。

图3显示系统的接收端框图，其中包括：接收端延时模块对接收的参考信号延时θ个码片、接收端循环移位模块对延时后的接收参考信号进行循环移位、索引检测模块从I₁,I₂,…I_θ中检测出N个位置索引的估计值、十进制/二进制转换模块将N个位置索引的估计值转换为N组

位二进制数、并/串转换模块将N组二进制数由并行转换为串行，其具体工作过程如下：

将接收信号表示为：

r_i＝[r₁,r₂,,…r_θ,…,r_2θ] (6)

得到接收的参考信号和信息承载信号分别为：

r_i,ref＝[r₁,r₂,,…r_θ]，r_i,inf＝[r_θ+1,r_θ+2,,…r_2θ] (7)

接收的参考信号r_i,ref依次循环右移0,1,…,θ-1个码片得到θ个移位信号，各移位信号分别与信息承载信号r_i,inf进行相关得到θ个相关值，其中第k个相关值表示为：

索引检测模块将θ个相关值等分为N个子序列，其中第n个子序列表示为：

进一步将φ_n写为

其中下标k表示序列φ_n中的第k个元素。

索引检测模块检测出的N个位置索引的估计值表示为：

再将各位置索引的估计值转换为

位数的二进制序列，表示为：

其中，

表示将Δ从十进制数转换为

位二进制数。

经并/串转换最终得到估计的原始信息比特序列，表示为：

为更好阐述本发明有效性，在此展示一些计算机仿真结果。在仿真中，分别取扩频因子为β＝128,β＝256，β＝384，对应的信息比特序列长度分别为M＝6,M＝12,M＝18，多径瑞利衰落信道的路径数分别为L＝1,L＝3,L＝8。

图4和5分别显示MCSI-DCSK系统以及原DCSK系统在加性高斯白噪声信道和多径瑞利衰落信道上的仿真结果。其中扩频因子取β＝128,β＝256，β＝384，信道的路径数为L＝3。不论扩频因子取128，256或者384，原DCSK系统在一个扩频周期内传输的信息比特数都为1，而MCSI-DCSK系统则分别为6，12和18比特。如图4和5所示，扩频因子取值相同的情况下，在低信噪比时，BER曲线表明两个系统性能几乎一致，当信噪比不断增大至8dB时，MCSI-DCSK系统的性能逐渐好于DCSK系统的性能，在高信噪比下MCSI-DCSK系统的性能大大好于DCSK系统的性能。由此表明所提出的新系统不仅大大提高信息传输速率，且系统的误码性能也得到较大改善。随着扩频因子的变大，系统的误码性在一定程度上略有变差，尽管如此，在每个MCSI-DCSK符号携带的信息比特数取M＝6,M＝12,M＝18时，系统都有不错的性能。

图6显示MCSI-DCSK系统在多径瑞利衰落信道上选取不同路径数的仿真结果，其中路径数分别为L＝1,L＝3,L＝8，MCSI-DCSK系统选择每个符号携带的信息比特数分别为M＝6,M＝18，扩频因子分别对应为β＝128,β＝384。如图所示，在信噪比低于10dB时，路径数和扩频因子的取值变化对系统的误码性能几乎没有影响。随着信噪比的逐渐增大，路径数的增加对系统误码性能的影响越来越明显，多路径的复杂性使得系统的误码性能变差，同时扩频因子的变大也降低系统的误码性能。但从整体趋势看，本系统都有良好的误码性能。

以上给出本发明的基本原理、主要特征和优点。本发明提出的多级循环移位索引差分混沌移位键控系统通过选择扩频因子的不同来传输不同长度的信息比特序列，大大提高系统的信息传输速率，并且多级信息承载信号相互叠加提高信息的保密性，仿真结果也表明系统具有良好的性能。

Claims (4)

1.一种多级循环移位索引差分混沌移位键控系统，其特征在于包括发射端和接收端；

发射端设有混沌发生器、串/并转换模块、索引调制模块、发送端延时模块和发送端循环移位模块；

所述混沌发生器用于产生混沌序列；

所述串/并转换模块用于将信息比特序列由串行转换为并行；

所述索引调制模块用于将二进制数转换为自然数，作为位置索引值；

所述发送端延时模块用于对混沌序列延时θ个码片；

所述发送端循环移位模块用于根据位置索引值对延时后的混沌序列进行循环移位；

接收端设有接收端延时模块、接收端循环移位模块、索引检测模块、十进制/二进制转换模块、并/串转换模块；

所述接收端延时模块用于将参考信号延时θ个码片；

所述接收端循环移位模块用于将延时后的参考信号进行循环移位；

所述索引检测模块用于从I₁,I₂,…I_θ中检测出N个位置索引的估计值；

所述十进制/二进制转换模块用于将N个位置索引的估计值转换为N组M位二进制数；

所述并/串转换模块用于将N组二进制数由并行转换为串行。

2.一种多级循环移位索引差分混沌移位键控方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在发送端，对信息比特序列进行串/并变换得到多组等长序列，对各组信息比特分别进行索引调制得到位置索引值，同时混沌发生器产生混沌序列作为参考信号，根据各位置索引值对混沌序列进行循环移位调制产生多个信息承载信号后相互叠加并与参考信号共同组成发送信号；

2)在接收端，采用非相干解调，接收机从接收信号中取出参考信号和信息承载信号，依次对参考信号进行循环移位得到多个循环移位后的副本，分别与信息承载信号进行相关，得到各个位置索引的估计值，经十进制/二进制转换得到多组估计的信息比特序列，对其进行并/串变换，从而恢复出原始信息比特序列。

3.如权利要求2所述一种多级循环移位索引差分混沌移位键控方法，其特征在于在步骤1)中，所述发送信号具体可由以下具体步骤得到：发射机发送用于索引调制的信息比特序列X_M，将X_M进行串/并变换，等分成N组子序列，然后进行索引调制，即将各组子序列以一定的规则分别映射成自然数Z₁,Z₂,…,Z_N，混沌发生器产生θ个码片的的混沌序列C_x作为参考信号，在前半个周期发送该混沌序列，同时对混沌序列延时θ个码片得到延时信号，延时后的混沌序列分别循环右移Z₁,Z₂,…,Z_N个码片时间得到N个信息承载信号，在后半个周期将这N个信息承载信号叠加并与参考信号组合形成发送信号S_i。

4.如权利要求2所述一种多级循环移位索引差分混沌移位键控方法，其特征在于在步骤2)中，所述接收机接收受多径衰落和加性高斯白噪声影响的信号r_i，从信号r_i中取出估计的参考信号r_ref和估计的信息承载信号r_inf，对估计的参考信号分别依次循环右移0,1,…,θ-1个码片得到θ个循环右移后的移位信号，将各移位信号与估计的信息承载信号r_inf进行相关得到θ个值，根据前后顺序将θ个值等分为N个子序列，将N个子序列进行索引检测得到位置索引的估计值

各索引的估计值经十进制/二进制转换模块转换为N组二进制序列，将各组二进制序列并/串转换得到估计的原始信息比特序列

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