旋轉混沌鍵控通信方法

2023-10-24 01:29:17 4

專利名稱：旋轉混沌鍵控通信方法
技術領域：
本發明屬於通信技術領域，具體涉及一種利用混沌信號在投影平面上的旋轉方向來代表二進位編碼的混沌數字通信方法。
背景技術：
近年來，通信技術飛速發展，其中數字通信更是研究的重點。人們不斷尋求新的通信方案和系統。一個理想的數字通信系統應該具有傳輸效率高、抗幹擾能力強、保密性好等特性。然而在實際應用中，難以對上述指標全部達到最優化，而是根據不同的應用場合的需要，對某些特性進行特別優化。因此，在通信系統設計過程中，需要對通信性能、系統複雜度等因素作綜合和折中的考慮。擴頻通信技術由於其特有的優點，一直是研究的熱點。在傳統的窄帶通信方案中，傳輸信號所佔用的帶寬與二進位信息速率可比擬。而在擴頻系統中，擴頻信號所佔用的帶寬遠遠大於信息速率。相對窄帶通信，擴頻通信具有抗幹擾能力強，發射功率低，保密性好等特點。擴頻技術首先被開發用於軍用通信中。隨著通信技術的發展，擴頻通信系統也進入民用領域。例如碼分多址(CDMA)技術已經成為一種廣泛應用的手機標準之一。在全球定位系統(GPS)中，衛星發送也是擴頻信號。此外，在下一代通信系統中，如無線區域網(WLAN)以及超寬帶通信(UWB)，都將利用擴頻技術來進行數字通信。
混沌通信方法可能為未來的寬帶通信系統提供低成本、高可靠性的解決方案，因此成為近期的研究熱點。較之傳統的窄帶通信方案，混沌通信系統具有保密性好、抗幹擾性強等特點。在混沌通信系統中，二進位編碼被映射到混沌信號上。對於同步的混沌通信方法，需要在接收端恢復出混沌載波信號的基函數。一般是通過混沌振蕩器的同步來實現的。而對於非同步的通信方法，不需要恢復載波信號的基函數。雖然同步的混沌通信系統能夠比非同步的系統具有更好的性能，但是迄今為止，尚缺乏可靠的方法能夠在實際信道條件下實現混沌振蕩器的同步。因此，現有的研究多是基於非同步的方案。
從現有的文獻和報導來看，在諸多非同步混沌數字通信方案中，差分混沌鍵控(DifferentialChaos Shift-KeyingDCSK)具有很好的性能。但該方法沒有利用混沌信號本身的特點，因而應該存在比DCSK性能更加優越的非同步混沌鍵控方案。

發明內容
本發明的目的在於提出一種新的混沌鍵控通信方法旋轉混沌鍵控(Rotational ChaosShift-KeyingRCSK)。
本發明提出的旋轉混沌鍵控通信方法，是利用混沌信號的投影旋轉方向來代表二進位編碼。許多混沌振蕩器都能夠產生一對混沌信號，當把這對信號繪製在投影圖上時，能夠形成一種定向旋轉的圖形。舉例而言，Rossler振蕩器就具有這種特性，它的狀態方程如下dz1dt=-z2-z3;]]>dz2dt=z1+az2;----(1)]]>dz3dt=b-cz3+z1z3.]]>假如參數選取為a＝0.37，b＝0.3，c＝5， (2)那麼在z1(t)-z2(t)的投影平面上可以形成一種大致上逆時針旋轉的圖形，而原點為近似的中心，如圖1所示。在上面的參數選取情況下，旋轉的方向為逆時針的。利用投影旋轉的不同方向(順時針與逆時針)來代表『0』、『1』二進位編碼。
設x(t)與y(t)是具有上述特性的一對混沌信號，即它們能夠在x-y投影平面上形成一種以原點為近似中心的定向旋轉的圖形，並且設旋轉為逆時針方向的。令Tb為傳輸一個比特所需的時間。每一個比特周期都被分為兩個時間長度相等的部分。在前半周期，x(t)作為參考信號被發送。y(t)則被延遲Tb/2，根據所需傳送的二進位編碼，乘以『1』或『-1』後發送。如圖2所示。
在接收端，通過判斷信號投影的旋轉方向來判別二進位編碼，可以通過相關器結構來實現。設擴頻係數為2β，在離散採樣以後，每一個比特接收到的信號可以由如下的兩個集合來表示{xi}＝[x1，x2，...，xβ]和{yi}＝[y1，y2，...，yβ]。 (3)在接收端，我們稱能完成如下功能的模塊為『相關器』
Sk=i=1kj=1[/k]-1[x(j-1)k+iyjk+i-y(j-1)k+ixjk+i]----(4)]]>(4)式中的k代表1到2M-1的正整數，其中的M為一個正整數，其定義如下所述。設相鄰兩個投影向量之間的夾角為θ，如圖3所示。可以通過選取接收端的採樣頻率，使得θ的M倍的數學期望為90度，即E(Mθ)＝90°(5)那麼當信號投影旋轉方向為逆時針的，Sk為正，否則為負。因此，可以根據相關器輸出的正負符號來判斷二進位編碼。
一般，接收端由奇數個相關器構成{Sk}＝{...，SM-1，SM，SM+1，...}(6)最終的二進位編碼由多個相關器的投票結構確定，即當大多數相關器的輸出為「正」時，則最終判定二進位編碼為「1」，反之為「0」。
綜上所述，旋轉混沌鍵控系統的接收和發送原理圖如圖4所示。該方法利用混沌信號投影的旋轉方向來代表二進位編碼，在接收端採用多相關器結構投票判斷二進位編碼，本發明除了具有抗幹擾能力強，保密性能的特點以外，還大大降低了誤碼率。


圖1 Rossler混沌振蕩器的輸出投影。
圖2 旋轉混沌鍵控(RCSK)一比特的發送信號。
圖3 旋轉混沌鍵控(RCSK)接收端相關器工作原理圖。
圖4 旋轉混沌鍵控(RCSK)收發系統框圖。
圖5 模擬得到的旋轉混沌鍵控(RCSK)與差分混沌鍵控(DCSK)的性能比較。
圖中標號1為混沌振蕩器電路，2為待發送的二進位信息序列，3為發送端的延遲電路，4為通信信道，5為接收端的延遲電路，6為多相關器模塊，7為投票判決器。
具體實施例方式
利用某種混沌振蕩器(例如Rossler振蕩器)產生一組混沌信號x(t)與y(t)。將x(t)作為參考信號，±y(t)作為信息信號。在每一比特的前半周期，x(t)被發送，根據待發送的二進位編碼的不同，在後半周期發送y(t)或-y(t)，如圖2和圖4所示。
在接收端，通過判定信號投影旋轉方向來恢復二進位編碼。利用如(4)式和(6)式的多相關器(奇數個)結構來實現。相關器的輸出送入投票判決器，由它得出最終的二進位編碼，如圖4所示。
通過計算機模擬來比較旋轉混沌鍵控(RCSK)與差分混沌鍵控(DCSK)的性能。信道為加性高斯白噪聲信道，擴頻係數選取為2β＝300。通過選取接收端的採樣頻率，使得相鄰投影向量之間的夾角平均為15°，那麼(5)式子中的M等於6。接收端採用9相關器結構，即最終的二進位編碼由{S2，S3，S4，S5，S6，S7，S8，S9，S10}這9個相關器的的投票結果來確定。模擬結果顯示，RCSK誤碼率性能優於DCSK，如圖5所示。
權利要求
1.一種旋轉混沌鍵控通信方法，其特徵在於利用混沌信號投影的旋轉方向來代表二進位編碼，具體步驟如下設x(t)與y(t)為混沌振蕩器產生的一組信號，它們在x-y投影平面上能夠形成以原點為近似中心的定向旋轉圖形，令Tb為傳輸一個比特所需的時間，每一個比特周期都被分為兩個時間長度相等的部分，在前半周期，x(t)作為參考信號被發送，y(t)則被延遲Tb/2，根據所需傳送的二進位編碼，乘以「1」或「-1」後發送；在接收端，採用相關器結構判斷信號投影的旋轉方向，從而判別二進位編碼。
2.根據權利要求1所述的旋轉混沌鍵控通信方法，其特徵在於所述的相關器結構如下設擴頻係數為2β，經過離散採樣以後，每一比特接收到的信號為{xi}＝[x1，x2，...，xβ]和{yi}＝[y1，y2，...，yβ](3)則相關器由如下的公式表示Sk=i=1kj=1/k-1x(j-1)k+iyjk+i-y(j-1)k+ixjk+i.---(4)]]>其中，k為1～2M-1的正整數，而M由如下的方式確定設相鄰兩個投影向量之間的夾角為θ，選取接收端的採樣頻率，使得θ的M倍的數學期望為90°；那麼，當信號投影旋轉方向為逆時針時，Sk為正，否則為負，從而根據相關器的輸出正負符號來判別二進位編碼。
3.根據權利要求2所述的旋轉混沌鍵控通信方法，其特徵在於所述的相關器個數為奇數，採用投票判決器來最終判定所接收到的二進位編碼當大多數相關器的輸出為「正」時，則最終判定的二進位編碼為「1」，反之為「0」。
全文摘要
本發明為一種旋轉混沌鍵控通信方法，即利用混沌信號的投影旋轉方向來代表二進位編碼，並通過相關器結構設計，判斷信號投影的旋轉方向，來判別二進位編碼。本發明除具有抗幹擾能力強，保密性能的特點以外，還大大降低了誤碼率。
文檔編號H04L9/28GK1581776SQ200410018509
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月20日 優先權日2004年5月20日
發明者任俊彥, 譚俊, 周昌, 徐棟麟 申請人:復旦大學