超寬帶混沌通信技術(shù)論述

李寧+劉剛+郭學(xué)玲

隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，超寬帶混沌通信技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其中超寬帶混沌信號(hào)具有較寬的頻譜范圍，因此具有高保密性、高速率、抗多徑衰落、低截獲率等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為解決通信速率、干擾和安全問題的理想信號(hào)。為了更好的提高混沌通信系統(tǒng)的運(yùn)行速率，本文將會(huì)對(duì)超寬帶混沌通信技術(shù)給予系統(tǒng)的論述。

【關(guān)鍵詞】超寬帶 混沌通信技術(shù) 探究

混沌雖然隸屬于確定系統(tǒng)，但是卻不可預(yù)測，其是非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)中獨(dú)特的一種運(yùn)動(dòng)形式，一般需要借助概率論的方法來對(duì)混沌系統(tǒng)的長期行為進(jìn)行有效的描述。超寬帶混沌系統(tǒng)具有連續(xù)寬帶功率譜、隨機(jī)行為和對(duì)初始條件的敏感性等優(yōu)點(diǎn)，在信息的編碼、傳輸和安全性方面具有更多的優(yōu)越性，可以更好的保證信息的傳輸，因此在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 混沌通信系統(tǒng)概述

與一般通信系統(tǒng)相比，混沌通信系統(tǒng)具有保密性強(qiáng)、復(fù)雜度高、不易截獲等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)混沌通信系統(tǒng)所采用的解調(diào)方式不同可以將其劃分為兩大類，分別是非相干解調(diào)和相干解調(diào)。如今，一些學(xué)者對(duì)混沌同步理論進(jìn)行了一系列的研究，但是在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn)混沌同步。因此，加大對(duì)混沌通信系統(tǒng)中非相干解調(diào)的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，應(yīng)用比較多的非相干解調(diào)混沌通信系統(tǒng)有DCSK、COOK、CDSK、FM.DCSK等形式，而DCSK和FM.DCSK應(yīng)用最為廣泛。DCSK和FM.DCSK形式具有結(jié)構(gòu)簡單、抗多徑性強(qiáng)等特點(diǎn)，但是該過程中一般選擇了差分的解調(diào)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致解調(diào)模板中包含了噪聲成分，這樣一來與相干解調(diào)系統(tǒng)相比就會(huì)出現(xiàn)一定的性能損失，導(dǎo)致信號(hào)傳輸效率大大降低。

在混沌通信系統(tǒng)中，要對(duì)多址通信問題給予充分的考慮，目前提出的多址方式主要包括改變幀結(jié)構(gòu)法、Walsh函數(shù)法、CDMA法和加入變換法等。上述方法具有一個(gè)共同點(diǎn)就是不同用戶可以占用同一時(shí)隙和頻段，但是只能借助不同混沌信號(hào)間的低互相關(guān)性來進(jìn)行多址通信，然而這樣的通信系統(tǒng)間會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，從而影響最終的通信效果。目前在DCSK系統(tǒng)多址方式的條件下又研發(fā)出了一種新的跳時(shí)多址方式——DCSK系統(tǒng)，其能夠?qū)⒉煌膫坞S機(jī)跳時(shí)碼分配給不同的用戶，并根據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)和跳時(shí)碼參考信號(hào)進(jìn)行相同量的跳時(shí)。通過對(duì)多址系統(tǒng)進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析發(fā)現(xiàn)，該方式不僅能夠有效的克服常見多址方案中大量用戶分享同一時(shí)隙帶來的對(duì)良好抗多徑性破壞和多址干擾的缺點(diǎn)，而且通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的調(diào)整可以有效的降低誤碼率。

2 混沌通信系統(tǒng)的特點(diǎn)

混沌通信系統(tǒng)屬于近些年來發(fā)展起來的一種新型系統(tǒng)，其具有非常誘人的發(fā)展前景，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為未來通信領(lǐng)域的一個(gè)新方向。同時(shí)混沌通信系統(tǒng)具有多方面的特點(diǎn)，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行介紹。

2.1 信號(hào)的隱蔽性

通常情況下，混沌信號(hào)具有寬頻帶、非周期、似噪聲的特性。如Logistic映射混沌系統(tǒng)，與純粹的隨機(jī)過程相比，混沌演變的功率譜差異比較小，從而導(dǎo)致竊聽者無法通過頻譜信息來進(jìn)行混沌信號(hào)的跟蹤和竊取，經(jīng)常被當(dāng)作噪聲而加以忽略，從而使信號(hào)得到安全的傳輸。

2.2 大復(fù)雜度

變換序列及其混沌序列所具備的復(fù)雜度比較大，一般將序列的等效線性長度定義為復(fù)雜度。實(shí)際上，混沌序列是由一系列的非線性系統(tǒng)生成的，此時(shí)的復(fù)雜度就是序列的長度。通過對(duì)密碼學(xué)原理進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜度越大，則說明信號(hào)越難破譯。

2.3 不可預(yù)測性

通過混沌系統(tǒng)生成的混沌序列一般具有對(duì)初始條件的敏感依賴性特點(diǎn)。由于混沌具有遍歷性的特征，從而使其具有不可預(yù)測性的優(yōu)勢，借助混沌系統(tǒng)能夠生成大量的混沌序列，方便于通信系統(tǒng)的選址或組網(wǎng)。

2.4 種類繁多

在自然界中，混沌系統(tǒng)是普遍存在的一類現(xiàn)象，因此沒有必要害怕混沌系統(tǒng)被消耗殆盡。雖然已有的混沌系統(tǒng)被不斷被利用，但是新的混沌系統(tǒng)也在不斷的被人類發(fā)現(xiàn)，并且不同的混沌信號(hào)通過相關(guān)變換之后可以使混沌系統(tǒng)具有非常豐富的信息源，從而被廣泛的應(yīng)用于通信之中。

3 混沌通信系統(tǒng)類型

通常情況下，將混沌通信系統(tǒng)換分為相干通信和非相干通信兩大類，其中相干通信接收端一般需要生成與發(fā)送端相同的混沌載波信號(hào)，而非相干混沌通信只需要接收到相關(guān)信號(hào)就能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行解調(diào)。

3.1 相干混沌通信

目前，傳統(tǒng)通信中的正余弦信號(hào)逐漸被混沌信號(hào)所取代，并作為信息傳輸?shù)妮d體，在通信領(lǐng)域中，混沌信號(hào)得到了廣泛的應(yīng)用。在混沌通信系統(tǒng)中，一般需要將信息輸入到混沌系統(tǒng)中，然后對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)或者參數(shù)進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)調(diào)制的效果，對(duì)于調(diào)制好的信號(hào)可以看作發(fā)送信號(hào)輸出到接收端，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的提取。相干解調(diào)一般選擇同步的方法，從而使混沌載波信號(hào)得到有效的恢復(fù)。一般根據(jù)傳輸信號(hào)的形式，可以將相干混沌通信劃分為數(shù)字通信和模擬通信兩種方式。相干模擬通信中常用的方法包括逆系統(tǒng)方法和混沌掩蓋法，相干數(shù)字通信中常用的方法為混沌鍵控。

3.2 非相干混沌通信技術(shù)

3.2.1 COOK原理

COOK原理是Chaotic On-Ofr-Keying提出來的，圖1和圖2描述的是混沌通斷鍵控方式的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)原理圖。

在圖1和圖2中bj∈（O，1）表示了待發(fā)送的第j個(gè)數(shù)據(jù)，當(dāng)進(jìn)行符號(hào)“1”的發(fā)送時(shí)，會(huì)產(chǎn)生混沌載波x（t），反之如果發(fā)送符號(hào)“0”時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生空信號(hào)。接收端一般會(huì)按照設(shè)定的門限值來實(shí)現(xiàn)對(duì)能量的有效檢測，當(dāng)小于門限值輸出“0”，反之，輸出“1”。當(dāng)處于比較安靜的環(huán)境下時(shí)，可以將門限值設(shè)定為1比特混沌載波能量的50%。但是在實(shí)際使用過程中，COOK信號(hào)的比特能量處于不斷的變化之中，同時(shí)在噪聲的影響下，最佳門限值也會(huì)發(fā)生一定的變化。

3.2.2 FM-DCSK原理

FM-DCSK原理是由Frequency Modulated Differential Chaos.Shift.Keying提出來的，圖3和圖4是頻率調(diào)制差分混沌鍵控的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)原理圖。

與DCSK方式原理圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)M-DCSK方式成功加入了頻率調(diào)制技術(shù)，隨后又進(jìn)行了DCSK調(diào)制。因此，在擁有DCSK方式優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，F(xiàn)M-DCSK方式又具備了恒定的比特能量，有效的提高其存儲(chǔ)性能。

4 超寬帶混沌通信系統(tǒng)

通常情況下，超寬帶混沌通信系統(tǒng)具有良好的平穩(wěn)性，并且他們的信號(hào)頻譜比較寬闊，從而使通信系統(tǒng)具有低截獲率和高保密性，同時(shí)具有較高的多徑分辨率和較好的抗多徑衰落特點(diǎn)，已經(jīng)成為解決干擾問題和UWB安全的有效方法之一。IEEE802.15.4a工作組通過對(duì)超寬帶混沌通信系統(tǒng)進(jìn)行研究后，提出了各種低速超寬帶系統(tǒng)，而其中主要的解決方案是混沌方式。超寬帶混沌通信技術(shù)除了被應(yīng)用到民用通信之外，還在軍事通信和保密通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了不錯(cuò)的應(yīng)用效果。

超寬帶混沌通信系統(tǒng)中信號(hào)的產(chǎn)生是其比較關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)，而且越來越多的人開始致力于生成寬帶混沌信號(hào)，由于寬帶混沌信號(hào)能夠在一定程度上提高系統(tǒng)的抗截獲性、保密性，從而使系統(tǒng)信息的傳輸速率得到有效的提高，并且其生成的混沌信號(hào)能夠在超寬帶通信技術(shù)系統(tǒng)中被應(yīng)用。通常情況下，超寬帶通信所使用的超寬頻段為3.1.10.6GHz，極易與其他同頻系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。而FCC有效的規(guī)范和限制了超寬帶系統(tǒng)的功率譜密度。此外，由于超寬帶通信具有較低的傳輸功率，也會(huì)受到周圍噪音和其它同頻無線電的干擾，因此如何解決干擾和兼容問題就成為目前超寬帶通信技術(shù)亟待解決的主要問題之一。而超寬帶混沌通信技術(shù)的出現(xiàn)有效的解決了上述問題，其不僅能夠有效的抵抗外界干擾，而且還能拓寬超寬帶系統(tǒng)的功率譜密度，從而提高信息的傳輸速度。

5 超寬帶混沌通信技術(shù)論述

5.1 超寬帶調(diào)制技術(shù)

對(duì)于單個(gè)脈沖來說，其脈沖的位置、幅度和極性變化都可以進(jìn)行信息的傳遞，而超寬帶調(diào)制技術(shù)主要包括脈沖位置調(diào)制（PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PAM）、開關(guān)鍵控（OOK）和二相調(diào)鋅JJJ（BPSK）等。脈沖位置調(diào)制（PPM）一般是借助改變脈沖幅度的大小來實(shí)現(xiàn)信息傳遞的一種技術(shù)；脈沖幅度調(diào)制（PAM）不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖幅度極性的改變，而且也可以低脈沖幅度的絕對(duì)值大小進(jìn)行改變。實(shí)際上，PAM只是對(duì)脈沖幅度的絕對(duì)值進(jìn)行了改變。開關(guān)鍵控（OOK）和二相調(diào)鋅JJJ（BPSK）是PAM的兩種簡化形式。OOK通過脈沖的有無來進(jìn)行信號(hào)的傳遞，BPSK通過調(diào)整脈沖的正負(fù)極性來進(jìn)行信息的傳輸，并且該過程中采用相同絕對(duì)值的脈沖幅度。

在PAM、OOK和BPSK調(diào)制中，一般采用固定不變的發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔，同時(shí)也可以采用發(fā)射脈沖相對(duì)基準(zhǔn)時(shí)間的位置或改變發(fā)射脈沖的時(shí)間間隔來進(jìn)行信息的傳遞，這就是所謂的PPM的基本原理。在PPM中，一般不會(huì)改變脈沖的幅度和極性。

5.2 超寬帶多帶技術(shù)

超寬帶多帶技術(shù)是近些年來新研發(fā)的一種新型超寬帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是由Intel等公司首次提出，并在全世界范圍內(nèi)積極推廣的新型超寬帶系統(tǒng)體制結(jié)構(gòu)。其通常是將FCC允許使用的7.5GHz帶寬按照一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)分解成若干部分的頻率子帶，然后借助傳統(tǒng)的載波調(diào)制方式來進(jìn)行信號(hào)的傳輸。通過對(duì)頻率坐標(biāo)軸進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，由于多個(gè)頻帶呈現(xiàn)出并列的形狀，所以被稱之為多頻帶方式。超寬帶多帶技術(shù)在通信領(lǐng)域就要有多方面的優(yōu)勢，具體介紹如下：

5.2.1 在抗干擾方面，多頻帶超寬帶技術(shù)可以有效的避開某些特定的頻帶

例如，美國FCC一般要求超寬帶民用領(lǐng)域選擇7.5GHz的帶寬，但是為了有效的避開IEEE802.11a等無線LAN設(shè)備所使用的5GHz頻段，一般不會(huì)選擇在該頻段劃分子頻帶。由于世界上不同的國家所采用的頻譜劃分規(guī)定存在一定的差異，選擇多頻帶方式不僅可以使配置系統(tǒng)變得更加靈活，而且還能更好的滿足各國頻譜管理規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.2 在速率擴(kuò)展性方面

通常情況下，需要將超寬帶允許使用的頻段按照一定的要求劃分成若干個(gè)子頻帶，從而使其具備了從低速到高速的有效擴(kuò)展，此時(shí)就可以根據(jù)產(chǎn)品的發(fā)展要求和應(yīng)用的不同需要為其提供更加靈活的傳輸數(shù)據(jù)率，如果對(duì)傳輸速率提出較高要求時(shí)，可以通過增加頻段的方式給予有效的解決。在選擇多頻帶方式時(shí)，可以不選擇亞納秒級(jí)的窄脈沖就能夠有效的達(dá)到超過100Mbps的傳輸速率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、模數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)器及基帶數(shù)字信號(hào)的有效簡化，從而降低了信號(hào)處理的難度。同時(shí)由于該過程會(huì)導(dǎo)致采樣時(shí)鐘隨之降低，從而降低了收發(fā)信機(jī)數(shù)字信號(hào)處理過程中的時(shí)鐘頻率。實(shí)際上，數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)鐘頻率和功耗基本呈線性關(guān)系，系統(tǒng)的功耗一般會(huì)隨著時(shí)鐘頻率的降低而出現(xiàn)一定幅度的降低，但是可以有效提高系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間，因此該技術(shù)在無線手持設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

5.3 相干超寬帶混沌通信系統(tǒng)

5.3.1 PCTH超寬帶系統(tǒng)

自從PCTH超寬帶系統(tǒng)提出之后，越來越多的學(xué)者認(rèn)為可以借助各種不同形式的跳時(shí)碼來有效提升多址性能。PCTH模型是目前我們經(jīng)常使用的多址模型，其一般采用偽混沌作為跳時(shí)碼。通過對(duì)符號(hào)動(dòng)力學(xué)的相關(guān)概念進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PCTH一般是借助輸入信號(hào)來生成非周期的擴(kuò)頻序列，該技術(shù)將多級(jí)脈沖位置調(diào)制和偽隨機(jī)混沌編碼有效的結(jié)合在一起。偽隨機(jī)混沌編碼器通常選擇了類似卷積碼的方式進(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的有效編碼，其可以通過生成跳時(shí)序列來進(jìn)行脈沖間隔的隨機(jī)分配，從而生成一系列類似噪聲的頻譜。

5.3.2 CPPM超寬帶系統(tǒng)

借助復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理器所生成的偽隨機(jī)序列具有一定的周期性，同時(shí)也可以借助一些簡單的非線性電路來生成復(fù)雜的非周期混沌信號(hào)。CPPM超寬帶系統(tǒng)中所生成的每一個(gè)脈沖波形都是固定不變的，但是每一個(gè)脈沖間的時(shí)間間隔缺是混沌變換的，這樣一來不僅可以有效的去除信號(hào)中的周期成分，而且還能使功率譜變得更加平滑。實(shí)際上，超寬帶混沌通信系統(tǒng)的狀態(tài)信息多發(fā)生于相鄰的脈沖之間，此時(shí)通過信道誘發(fā)的脈沖形狀會(huì)對(duì)混沌脈位產(chǎn)生器的同步產(chǎn)生輕微的干擾。此時(shí)，在較理想的信道情況下進(jìn)行同步解調(diào)，借助濾波器能夠有效的降低噪聲。

圖5是CPPM接收端原理框圖。當(dāng)收發(fā)雙方可以實(shí)現(xiàn)有效的同步時(shí)，將會(huì)使接收方在每一幀的相應(yīng)位置配備一個(gè)檢測窗，然后按照檢測窗的檢測時(shí)移來對(duì)接收到的信息進(jìn)行判斷。當(dāng)檢測窗的檢測時(shí)移是△時(shí)，則會(huì)選擇發(fā)送數(shù)據(jù)為“1”，反之如果檢測窗的檢測時(shí)移是0時(shí)，則會(huì)選擇發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”。通常情況下，檢測窗一般在檢測數(shù)據(jù)的過程中才會(huì)開啟，其余的時(shí)間均處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗外噪聲的有效抑制。

在實(shí)際使用過程中，CPPM具有非常地的截獲概率，當(dāng)非線性關(guān)系無法實(shí)現(xiàn)有效匹配時(shí)，則無法順利完成解調(diào)工作。當(dāng)竊聽者無法及時(shí)了解和掌握混沌脈位產(chǎn)生器生成的混沌間隔信息時(shí)，將會(huì)無法對(duì)發(fā)送的是0還是1做出準(zhǔn)確的判定。該過程中一般將混沌脈位產(chǎn)生器的參數(shù)設(shè)定為密鑰，從而提升了系統(tǒng)的保密性。由于超寬帶混沌通信系統(tǒng)的非周期性和初值敏感性，可以生成一系列具有良好的低互相關(guān)性和自相關(guān)性的序列，并將其分配給不同的用戶，有效的實(shí)現(xiàn)了多址通信。

6 結(jié)束語

近些年來，超寬帶通信技術(shù)逐漸發(fā)展成為通信領(lǐng)域的新型技術(shù)，由于其具有低截獲率和高保密性的特征，因此可以有效解決系統(tǒng)運(yùn)行過程中的干擾問題和UWB安全問題，從而確保信息的有效傳輸，提高了系統(tǒng)的整體性能。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.91917部隊(duì) 北京市 102401

2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 北京市 100083