一種超寬帶混沌通信方法
2023-04-23 07:07:01 1
專利名稱：一種超寬帶混沌通信方法
技術領域：
本發明涉及超寬帶無線通信技術領域，尤其是涉及一種超寬帶混沌通信方法。
背景技術：
近年來，超寬帶(UWB)無線通信技術得到廣泛的重視和研究。在無線個域網(WPAN)無線傳輸技術中，繼藍牙、802.11a/b之後，超寬帶成為一項最具競爭力的熱門技術。IEEE802.15.4a工作組致力於研究低速率的無線個域網(LR-WPAN)，LR-WPAN中的設備具有低數據率、低成本、低能耗、低複雜度的特點。超寬帶混沌通信技術是滿足IEEE 802.15.4a標準要求的主要技術之一。
混沌信號是寬帶的、確定的、非周期和類隨機的信號。混沌信號的寬帶特點，以及混沌調製產生的不同的、非周期的、具有低互相關性的波形片段，使得它有良好的抗多徑性。混沌信號在時域具有非周期性，它在頻域的功率譜密度相對平坦，所以它很容易符合美國聯邦通信委員會(FCC)對超寬帶技術嚴格的規定，並且可以最大程度地利用頻帶。混沌信號的類隨機性，使得它被檢測和截獲的概率很低，增強了信息傳輸的安全性。
基於混沌的調製方案有混沌鍵控(CSK)，差分混沌鍵控(DCSK)和混沌開關鍵控(COOK)等。混沌鍵控調製方案的接收機實現起來比較困難，從易實現的角度考慮，超寬帶混沌通信系統一般採用混沌開關鍵控或差分混沌鍵控調製方案。
混沌開關鍵控是最簡單的調製方案之一，與傳統的調製方案相比，混沌開關鍵控系統收發機的複雜度更低，發射機不需要射頻混頻，就可以發送寬帶信號；接收機也不需要下變頻過程。另外，與差分混沌鍵控相比，混沌開關鍵控通信系統的節能效率要高出它3dB。因此，混沌開關鍵控調製方案更能滿足IEEE 802.15.4a低能耗、低複雜度、低成本的要求。
但是，混沌開關鍵控超寬帶系統存在一個缺點和技術難點系統接收機端非相干能量檢測後，需要最佳非零閾值估計。一方面，最佳非零閾值很難準確估計；另一方面，最佳非零閾值受信噪比影響，當信噪比變化時，為了獲得最佳的系統性能，需要改變最佳非零閾值。
發明內容
本發明的目的是提供一種超寬帶混沌通信方法，以克服現有的混沌開關鍵控超寬帶系統的缺點，避免系統接收機端的最佳非零閾值估計過程，解決噪聲對閾值的影響問題，降低實現系統的難度。
為達到上述目的，本發明實施例的技術方案提供一種超寬帶混沌通信的發送端方法，包括以下步驟 A.將待發送數據進行均衡正交編碼。所述待發送數據為二進位數據。所述均衡正交編碼有兩個碼字b0和b1，每個碼字裡有相同數量的碼元「0」或「1」，b0和b1相互正交； B.將所述待發送數據進行混沌開關鍵控調製，混沌開關鍵控調製後，待發送的數據以混沌信號的形式發射，待發射信號為s(t)；所述待發送數據為經過均衡正交編碼的數據。用於混沌開關鍵控調製的混沌脈衝信號c(t)的脈衝寬度為τc，τc要比混沌震蕩的準周期Tc長；所述混沌脈衝信號通過Logistic映射產生。
C.將所述待發射信號s(t)進行濾波及波形成型處理； D.將濾波及波形成型處理後的待發射信號s(t)發送到接收端；濾波及波形成型處理後的待發射信號s(t)為經過信道編碼的高頻數字基帶信號； 本發明實施例的技術方案還提供一種超寬帶混沌通信的接收端方法，包括以下步驟 S1.接收發射端發射的信號； S2.將所述接收到的信號進行濾波，接收濾波器輸出的信號為r(t)； S3.計算信號r(t)的能量yi；所述信號r(t)為接收濾波器輸出的信號，所述能量yi為所述信號r(t)的每幀信號的能量； S4.通過所述能量數據yi對所述信號r(t)進行解碼，解碼單元的輸出值為ρ；所述解碼是利用均衡正交碼的正交性和對稱性進行解碼； S5.根據解碼單元的輸出值ρ與零的大小關係，判決並輸出數據。
相對於現有的技術，本發明具有如下優點 1、本發明的通信系統接收機端避免了估計和尋找最佳非零閾值的過程，克服了現有的混沌開關鍵控超寬帶通信系統的缺點，從而降低了實現系統的難度，更加符合IEEE802.15.4a的標準要求。
2、用於判決輸出數據的閾值為零，不受信噪比的影響，這樣大大降低了系統的複雜度。與現有的方法相比，在加性高斯白噪聲信道下，其誤碼性能有所提高。
圖1是本發明的一種超寬帶混沌通信方法的原理框圖。
圖2是本發明採用的混沌信號的(a)時域波形和(b)頻域功率譜密度波形的示意圖，這裡給出的波形均為歸一化的波形。
圖3是本發明在MATLAB環境下仿真試驗得到的通信系統性能曲線。
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述，需要說明的是本發明要求保護的範圍並不局限於實施例記載的範圍。
本發明實施例的一種超寬帶混沌通信方法的原理圖如圖1所示，包括超寬帶混沌通信的發送端方法和超寬帶混沌通信的接收端方法。
(1)一種超寬帶混沌通信的發送端方法，包括以下步驟 A.將待發送數據進行均衡正交編碼。待發送數據為二進位數據。均衡正交編碼是一種二進位編碼，均衡正交編碼有兩個碼字b0和b1，每個碼字裡包含N個碼元，每個碼字有相同數量的碼元「0」或「1」，碼字b0和b1相互正交，即，bj＝[bj，1，bj，2，...，bj，i，...，bj，N]，bj表示信息比特j(0或1)對應的均衡正交碼的碼字，bj，i表示碼字bj的第i個碼元，b0，i+b1，i＝1，N表示均衡正交碼的碼長，N為偶數，1≤i≤N。
在MALAB仿真試驗中，待發送數據可以通過MATLAB函數rand產生。假如要產生10000個待發送數據，即要產生10000個二進位數據，則產生二進位數據的方法為rand(1,10000)＞0.5。仿真試驗中，如果取均衡正交碼的碼長N＝2，則均衡正交編碼的碼字b0和b1可以分別表示為b0＝
，b1＝[1，0]；如果取N＝4，則均衡正交編碼的碼字b0和b1可以分別表示為b0＝
，b1＝[1，0，1，0]或b0＝
，b1＝[1，0，0，1]；N的取值越大，符合均衡正交編碼條件的碼字數就越多。
編碼後，二進位數據「0」用碼字b0表示，二進位數據「1」用碼字b1表示。由此可見，編碼後的數據依然為二進位數據。
B.將待發送數據進行混沌開關鍵控調製，混沌開關鍵控調製後，待發送的數據將以混沌信號的形式發射，待發射信號為s(t)；所述待發送數據為經過均衡正交編碼後的數據。混沌開關鍵控調製過程如下，如果均衡正交編碼後的碼字的碼元bj，i為0，則不發送混沌信號c(t)；如果均衡正交編碼後的碼字的碼元bj，i為1，則發送混沌信號c(t)；由此可見，混沌開關鍵控調製後，待發送的數據將以混沌信號的形式發送，混沌信號是待發送數據的載體。混沌開關鍵控調製後，待發射信號s(t)可以表示為 式中，s(t)為待發射信號，c(t)為混沌脈衝信號，Ts為混沌脈衝幀周期，N表示均衡正交碼的碼長，bj，i為碼字bj的第i個碼元，1≤i≤N，j＝0或1。
超寬帶通信中的信號一般為脈衝信號。因此，混沌信號為混沌脈衝信號。本發明可設混沌脈衝信號c(t)的脈衝寬度為τc，τc要比混沌震蕩的準周期Tc長，即τc＞＞Tc。混沌脈衝信號的頻帶寬度Δfc與脈衝寬度τc無關，而是由混沌信號源產生的連續混沌信號的頻帶寬度決定。假定混沌信號源產生的連續混沌信號的頻帶寬度為AF，則有 式(2)中，Fu和Fl分別為混沌震蕩頻帶的上界和下界，Tc為混沌震蕩的準周期。由此可見，混沌脈衝信號的功率譜與連續混沌信號的功率譜幾乎一樣，這是與傳統的周期脈衝信號不同之處，傳統的脈衝信號頻帶寬度與脈衝寬度成反比。
本發明中，混沌脈衝信號通過Logistic映射產生。Logistic映射的表示式為 xn+1＝1-ax2n，1.40115...＜a≤2，-1≤xn≤1(3) 式(3)中，xn為n時刻混沌信號的值，x0為混沌信號的初始值，a為混沌系統的參數值，a的值一般取2。
在MATLAB仿真環境下，對式(3)所表示的混沌信號進行仿真，取混沌系統的參數值a＝2，混沌信號的初始值x0＝0.1，仿真得到的時域混沌信號波形如圖2(a)所示，圖中還給出了a＝2，x0＝0.10001時的混沌信號波形，可以看出，雖然初值僅相差0.00001，但導致了兩個混沌信號在短時間內迅速分開，體現了混沌信號的初值敏感性。另外，因為混沌信號可以用很簡單的電路產生，而混沌信號又具有初值敏感性，所以可以產生大量的混沌脈衝波形，與傳統的超寬帶通信系統相比，本發明降低了系統的成本。在MATLAB仿真環境下，對式(3)所表示的混沌信號的頻域功率譜密度進行仿真，取混沌系統的參數值a＝2，混沌信號的初始值x0＝0.1，得到的混沌信號的頻域功率譜密度波形如圖2(b)所示，可以看出混沌信號的功率譜密度相對平坦，顯示出寬帶特性和類噪聲性，寬帶特性使它更加容易符合超寬帶技術的技術規範，類噪聲性提高了信息傳輸的安全性。
C.將所述待發射信號s(t)進行濾波及波形成型處理。為了在收發端建立無碼間幹擾的頻域濾波，待發射信號s(t)經過發送濾波器進行濾波，慮除帶外信號，以及進行波形成型處理。發送濾波器為帶通濾波器，波形成型處理由高性能波形整形濾波器完成。
D.將濾波及波形成型處理後的待發射信號發送到接收端。濾波及波形成型處理後的待發射信號為經過信道編碼後的高頻數字基帶信號；待發射信號通過發射天線輻射發射。
(2)一種超寬帶混沌通信的接收端方法，包括以下步驟 S1.接收發射端發射的信號。信號通過噪聲信道後，接收端用接收天線進行接收； S2.將接收到的信號進行濾波，接收濾波器輸出的信號為r(t)。濾波的過程由帶通濾波器來實現。
假定信道為加性高斯白噪聲(AWGN)信道，帶通濾波後的信號可以表示為 其中，h(t)為混沌脈衝c(t)的信道響應；n(t)是雙邊功率譜密度為No/2的AWGN信號，Ts為混沌脈衝幀周期，N表示均衡正交碼的碼長，bj，i為碼字bj的第i個碼元，1≤i≤N，j＝0或1。
S3.計算信號r(t)的能量yi；信號r(t)為接收濾波器輸出的信號，能量yi為信號r(t)的每幀信號的能量。計算r(t)每幀信號的能量yi的公式為 r(t)為接收濾波器輸出的信號，yi為r(t)每幀信號的能量，Ts為混沌脈衝幀周期，1≤i≤N，N為均衡正交碼的碼長。
S4.通過能量數據yi對所述信號r(t)進行解碼，解碼單元的輸出值為ρ。所述解碼是利用均衡正交碼的正交性和對稱性進行解碼；解碼的過程如下每N個數據碼元yi組成一向量yj＝[y1，y2，...，yN]，j＝0或1，由b0和b1間的正交性，可以推出j＝0時，同理可推出j＝1時，解碼單元的輸出值為 b0和b1為均衡正交碼的碼字，yj為數據碼元yi組成的向量，No/2是加性高斯白噪聲信號的雙邊功率譜密度，ρ為解碼單元的輸出值。
S5.根據解碼單元的輸出值ρ與零的大小關係，判決並輸出數據。判決過程如下如果ρ≥0，則判決輸出數據為「0」；如果ρ＜0，則判決輸出數據為「1」。
在MATLAB仿真環境下，使用Monte Carlo法對本發明的通信系統的誤碼性能進行仿真。待發送數據的數量為40000個，獨立運行10次仿真後對仿真結果取平均，在加性高斯白噪聲信道下，本發明的系統的誤碼率隨信噪比變化的曲線如圖3所示，圖中還給出了在相同仿真條件下，傳統的超寬帶混沌通信系統的誤碼率曲線。對比可以看出，本發明的通信系統具有更好的誤碼性能。
由以上說明可以看出，本發明避免了估計和尋找最佳非零閾值的過程，用於判決輸出數據的閾值為零，不受信噪比的影響，克服了傳統的混沌開關鍵控通信系統的缺點，降低了實現系統的難度，與現有的方法相比，在加性高斯白噪聲信道下，其誤碼性能有所提高。本發明適用於低速無線個域網，亦適用於使用混沌開關鍵控的通信系統。
權利要求
1、一種超寬帶混沌通信方法，其特徵在於包括超寬帶混沌通信的發送端方法和超寬帶混沌通信的接收端方法；
(1)超寬帶混沌通信的發送端方法包括以下步驟
A.將待發送數據進行均衡正交編碼；所述待發送數據為二進位數據；所述均衡正交編碼有兩個碼字b0和b1，每個碼字裡有相同數量的碼元「0」或「1」，b0和b1相互正交；
B.將所述待發送數據進行混沌開關鍵控調製，混沌開關鍵控調製後，待發送的數據以混沌信號的形式發射，待發射信號為s(t)；所述待發送數據為經過均衡正交編碼的數據；用於混沌開關鍵控調製的混沌脈衝信號c(t)的脈衝寬度為τc，τc要比混沌震蕩的準周期Tc長；所述混沌脈衝信號通過Logistic映射產生；
C.將所述待發射信號s(t)進行濾波及波形成型處理；
D.將濾波及波形成型處理後的待發射信號發送到接收端；濾波及波形成型處理後的待發射信號為經過信道編碼的高頻數字基帶信號；
(2)超寬帶混沌通信的接收端方法包括以下步驟
S1.接收發射端發送的信號；
S2.將所述接收到的信號進行濾波，接收濾波器輸出的信號為r(t)；濾波的過程由帶通濾波器來實現；若信道為加性高斯白噪聲(AWGN)信道，帶通濾波後的信號為
其中，h(t)為混沌脈衝c(t)的信道響應；n(t)是雙邊功率譜密度為No/2的AWGN信號，Ts為混沌脈衝幀周期，N表示均衡正交碼的碼長，Bj，i為碼字bj的第i個碼元，1≤i≤N，j＝0或1；
S3.計算帶通濾波後的信號r(t)的能量yi；所述能量yi為所述信號r(t)的每幀信號的能量；T≤Ts，
r(t)為帶通濾波後的信號，Ts為混沌脈衝幀周期，1≤i≤N，N為均衡正交碼的碼長；
S4.通過能量數據yi對所述信號r(t)進行解碼，解碼單元的輸出值為ρ；所述解碼是利用均衡正交碼的正交性和對稱性進行解碼；
S5.根據解碼單元的輸出值ρ與零的大小關係，判決並輸出數據；如果ρ≥0，則判決輸出數據為「0」；如果ρ＜0，則判決輸出數據為「1」。
2、根據權利要求1所述的超寬帶混沌通信方法，其特徵在於所述Logistic映射的表示式為xn+1＝1-ax2n，1.40115...＜a≤2，-1≤xn≤1
其中，xn為n時刻混沌信號的值，x0為混沌信號的初始值，a為混沌系統的參數值，a＝2。
3、根據權利要求1所述的超寬帶混沌通信方法，其特徵在於所述待發送數據進行混沌開關鍵控調製形成待發射的信號s(t)，待發射的信號s(t)表示為
式中，s(t)為待發射信號，c(t)為混沌脈衝信號，Ts為混沌脈衝幀周期，N表示均衡正交碼的碼長，bj，i為碼字bj的第i個碼元，1≤i≤N，j＝0或1。
4、根據權利要求1所述的超寬帶混沌通信方法，其特徵在於所述利用均衡正交碼的正交性和對稱性進行解碼是指每N個數據碼元yi組成一向量yj＝[y1，y2，...，yN]，j＝0或1，由b0和b1間的正交性，推出j＝0時，j＝1時，解碼單元的輸出值為
b0和b1為均衡正交碼的碼字，yj為數據碼元yi組成的向量，No/2是加性高斯白噪聲信號的雙邊功率譜密度，ρ為解碼單元的輸出值。
全文摘要
本發明公開了一種超寬帶混沌通信方法，該方法先將待發送數據進行均衡正交編碼；均衡正交編碼有兩個碼字b0和b1，每個碼字裡有相同數量的碼元「0」或「1」，b0和b1相互正交；然後將所述待發送數據進行混沌開關鍵控調製，並將待發射的信號s(t)進行濾波及波形成型處理後發送到接收端；接收端接收發射端發送的信號後進行濾波，計算信號的能量，並進行解碼；解碼是利用均衡正交碼的正交性和對稱性進行解碼；最後根據解碼單元的輸出值與零的大小關係，判決並輸出數據。本發明的通信系統接收機端避免了估計和尋找最佳非零閾值的過程，克服了現有的混沌開關鍵控超寬帶通信系統的缺點，從而降低了實現系統的難度。
文檔編號H04L25/03GK101605112SQ20091004112
公開日2009年12月16日 申請日期2009年7月15日 優先權日2009年7月15日
發明者寧鑫斐, 馮久超 申請人:華南理工大學