基于混沌Hamilton振子的QAM接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳利民，付永慶

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通訊工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

基于混沌Hamilton振子的QAM接收機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳利民，付永慶

(哈爾濱工程大學(xué) 信息與通訊工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

引入時(shí)空混沌Hamilton振子，該振子具有呈平面多吸引子分布，且吸引子之間的軌跡互不干擾.為實(shí)現(xiàn)基于混沌Hamilton振子的多進(jìn)制數(shù)字通信，引用區(qū)域分割思想. 根據(jù)初值映射方法，提出了多進(jìn)制數(shù)字信息的混沌調(diào)制系統(tǒng)和解調(diào)系統(tǒng)的理論模型.設(shè)計(jì)了混沌Hamilton振子QAM接收機(jī)，并為驗(yàn)證該接收機(jī)的性能設(shè)計(jì)了QAM發(fā)射機(jī).整個(gè)混沌Hamilton振子通信系統(tǒng)主要由基帶調(diào)制、射頻調(diào)制、天線、射頻解調(diào)、區(qū)域分割解調(diào)等單元組成.硬件采用FPGA開(kāi)發(fā)平臺(tái)完成調(diào)制、解調(diào)算法，軟件采用Verilog語(yǔ)言進(jìn)行編程.完成基于混沌的Hamilton振子的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)果、性能進(jìn)行驗(yàn)證.

混沌通信；Hamilton振子；多進(jìn)制通信； 區(qū)域分割；接收機(jī)；FPGA

在傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中，發(fā)往信道的模擬采樣信號(hào)是正弦信號(hào)的加權(quán)和并且是線性的，然而在混沌通信系統(tǒng)中，其信道采樣信號(hào)為混沌波形的片段并且是非線性的.混沌信號(hào)的這種非線性，不穩(wěn)定并且非周期的特點(diǎn)使得其在通信上的應(yīng)用具有眾多優(yōu)勢(shì).

混沌參數(shù)調(diào)制方式利用了混沌的初值敏感性，即差別細(xì)微的不同初值會(huì)對(duì)混沌系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為造成很大的、不可預(yù)測(cè)的影響，通常在混沌振子的相軌跡上可以表現(xiàn)出不同的遷徙狀態(tài)它們的軌道將很快變得互不相關(guān)，這使得混沌信號(hào)具有長(zhǎng)期不可預(yù)測(cè)性和抗截獲能力.

在通信技術(shù)方面，混沌信號(hào)的非周期性連續(xù)帶寬頻譜，類似噪聲的特性，使它在保密通信方面顯示出得天獨(dú)厚的優(yōu)越性.同時(shí)混沌系統(tǒng)本身又是確定性的，由非線性系統(tǒng)的方程、參數(shù)和初始條件完全確定，因此又使得混沌信號(hào)易于產(chǎn)生和復(fù)制.因此，可以利用相軌跡呈現(xiàn)出不同狀態(tài)來(lái)表示不同的初值信息，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字信息到混沌振子的調(diào)制[1].

混沌信號(hào)的隱蔽性、不可預(yù)測(cè)性、高復(fù)雜度和易于實(shí)現(xiàn)都特別適用于保密通信.

本文將Hamilton振子應(yīng)用于多進(jìn)制數(shù)字通信，采用非常普及的多進(jìn)制數(shù)字通信，目的是與常規(guī)多進(jìn)制通信方式相比較，無(wú)需混沌同步，在保證具有保密性的同時(shí)提高信息的傳輸速率和頻帶利用率.

1 混沌Hamilton振子通信系統(tǒng)模型

1.1 混沌Hamilton振子數(shù)學(xué)理論模型

Hamilton振子屬于時(shí)空混沌模型，其數(shù)學(xué)表達(dá)式由如下映射表示：

xk+1=xk+f(yk)

yk+1=g(xk+1)+yk

(1)

其中：f和g的取值是任意的，當(dāng)f和g取值對(duì)稱時(shí)，其混沌振子相軌跡是對(duì)稱的.在f()=g()=psin()，p=0.1時(shí)，并進(jìn)行坐標(biāo)變換后，其相軌跡如圖1所示.

從圖1可以看出，Hamilton振子的相軌跡由多個(gè)分布在不同區(qū)域的細(xì)胞流組成.細(xì)胞流內(nèi)部形成閉環(huán)，之間互不干擾，且都分布在同一平面上，適合混沌多進(jìn)制調(diào)制.具備多吸引子，且分布在同一個(gè)平面上， Hamilton模型相軌跡呈平面分布，自由度大，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單.選用Hamilton振子實(shí)現(xiàn)混沌多進(jìn)制調(diào)制解調(diào)[2].

圖1 Hamilton模型局部細(xì)胞流相軌跡

Hamilton振子相軌跡由多個(gè)指紋區(qū)域組成，指紋區(qū)域間由于其規(guī)則整齊的分布可以由邊界線區(qū)分開(kāi)來(lái)；每個(gè)指紋區(qū)域由一組環(huán)狀相軌跡(環(huán)集)組成，而環(huán)集是由初值對(duì)Hamilton振子迭代得到，因此可以利用指紋區(qū)域攜帶數(shù)字信息，并建立初值與環(huán)狀相軌跡與指紋區(qū)域的映射關(guān)系，以此進(jìn)行混沌多進(jìn)制數(shù)字信息調(diào)制.進(jìn)一步通過(guò)建立M進(jìn)制信息與Hamilton振子初值(決定其相軌跡處于該子區(qū)域的初值)的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3]，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字信息對(duì)Hamilton映射的調(diào)制.

Hamilton振子相軌跡是圍繞其中心的一條近似圓形環(huán)線，且全部落入了某方形子區(qū)域內(nèi)，因此，為降低其計(jì)算復(fù)雜度，可將Hamilton振子的單環(huán)相軌跡用圓環(huán)線近似為：

u(t)=J+Acos(2πf0t)

v(t)=K+Asin(2πf0t)

(2)

其中：J，K∈±0.5,A為0.25.分別為圓形相軌跡中心點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo).A為圓線相軌跡的半徑.取f0為M進(jìn)制數(shù)字信號(hào)的符號(hào)速率，設(shè)置f0=10KB/s，保證在每一個(gè)數(shù)字符號(hào)周期內(nèi)生成一個(gè)完整的圓形相軌跡.此時(shí)，Hamilton振子調(diào)制的基帶信號(hào)帶寬Bω=f0.

1.2 混沌Hamilton振子通信系統(tǒng)理論實(shí)現(xiàn)模型

采用Hamilton振子簡(jiǎn)化處理模型進(jìn)行通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶通調(diào)制采用4QAM的調(diào)制方式.

混沌通信系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)框圖如圖2.原始數(shù)字多進(jìn)制信息調(diào)制到Hamilton振子的相空間的子區(qū)域中，完成數(shù)字多進(jìn)制信息的混沌調(diào)制，其中包括數(shù)字多進(jìn)制信息到Hamilton振子的初值映射.射頻調(diào)制模塊功能是將混沌基帶連續(xù)時(shí)間多進(jìn)制信號(hào)用較高的載波進(jìn)行發(fā)送傳輸.接收機(jī)接收到的發(fā)射信號(hào)首先要進(jìn)行射頻解調(diào)，其主要功能是對(duì)混沌通信系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)進(jìn)行降頻.混沌基帶多進(jìn)制解調(diào)模塊主要功能是對(duì)射頻解調(diào)后的基帶混沌信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，以恢復(fù)出原始多進(jìn)制信號(hào).區(qū)域分割器解調(diào)Hamilton振子相空間子區(qū)域信息，恢復(fù)出原始信號(hào).

圖2 基于Hamilton振子的四進(jìn)制混沌通信系統(tǒng)框圖

2 混沌Hamilton振子發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 基帶信號(hào)的調(diào)制

原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)源經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換變?yōu)樗倪M(jìn)制信息，用四進(jìn)制信息驅(qū)動(dòng)混沌模型得到混沌基帶信號(hào)，對(duì)Hamilton振子進(jìn)行離散化處理后，運(yùn)用DDS得到兩路進(jìn)行信號(hào)的調(diào)制[4]，之后進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存和D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)差分放大后外接低通濾波器，得到要求的兩路模擬基帶信號(hào).

由FPGA產(chǎn)生的信號(hào)為兩路正交的數(shù)字基帶模擬信號(hào)，通過(guò)DAC904將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)OPA690差分放大電路，然后經(jīng)過(guò)低通濾波器輸出后，得到四進(jìn)制混沌Hamilton振子基帶調(diào)制信號(hào).得到整個(gè)Hamilton振子基帶信號(hào)硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖3 Hamilton振子基帶信號(hào)硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

輸出兩路Hamilton基帶調(diào)制信號(hào)，分別為坐標(biāo)系的橫縱坐標(biāo)可得到Hamilton振子四進(jìn)制的相軌跡圖.以I路基帶信號(hào)、Q路基帶信號(hào)分別就示波器的Y軸輸入端和X軸輸入端，構(gòu)建李薩如圖，見(jiàn)圖4.這與混沌Hamilton振子模型是一致的.

圖4 兩路混沌Hamilton振子基帶調(diào)制信號(hào)李薩如圖

2.2 射頻調(diào)制模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家對(duì)無(wú)線帶頻譜的管制，144～145 MHz為空閑業(yè)余頻段，本文選擇甚高頻VHF頻段、米波段進(jìn)行射頻發(fā)射，載頻為145 MHz.射頻發(fā)射機(jī)的選擇ADI公司生產(chǎn)的ADRF6755射頻發(fā)射芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，發(fā)射機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示.

圖5 Hamilton振子發(fā)射機(jī)硬件結(jié)構(gòu)圖

FPGA數(shù)據(jù)輸出，使兩路DAC904輸入基帶數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)經(jīng)DAC904轉(zhuǎn)換變?yōu)榛鶐M信號(hào)，ADRF6775接入生成的兩路混沌Hamilton振子基帶信號(hào)，完成對(duì)載波的調(diào)制.天線經(jīng)過(guò)SMA接口與電路板相連，外接天線后接口完成基帶信號(hào)的射頻發(fā)射，進(jìn)而完成射頻調(diào)制模塊的設(shè)計(jì).

3 混沌Hamilton振子接收機(jī)的設(shè)計(jì)

3.1 射頻解調(diào)電路的設(shè)計(jì)

載波恢復(fù)電路采用同相正交環(huán)法，即科斯塔斯(costas)環(huán)法.ADRF6850集成有costas環(huán)，因此可以直接使用芯片完成載波恢復(fù)電路的設(shè)計(jì).

在FPGA芯片IO口引出SDA和SCL線，通過(guò)編程將寄存器數(shù)據(jù)內(nèi)容寫入ADRF6850芯片[5]，使其按照設(shè)定的參數(shù)和要求進(jìn)行工作，完成射頻信號(hào)的解調(diào)工作，得到兩路基帶模擬信號(hào).

3.2 基帶信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

射頻已信號(hào)經(jīng)過(guò)ADRF6850解調(diào)芯片后，再經(jīng)過(guò)兩路低通濾波器，得到兩路模擬基帶信號(hào)[6].為了解調(diào)所嵌入的信息，模擬基帶信號(hào)必須經(jīng)過(guò)區(qū)域分割器進(jìn)行相應(yīng)的解調(diào)工作，首先利用數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片AD7899將兩路模擬基帶信號(hào)數(shù)字化，進(jìn)一步將數(shù)據(jù)傳入FPGA芯片進(jìn)行解調(diào)處理.

3.3 基帶信號(hào)解調(diào)器的設(shè)計(jì)

域分割思想是在混沌振子相軌跡上劃分區(qū)域，以檢測(cè)相軌跡的相變狀態(tài).其劃分區(qū)域的輸出電平可以將二維相圖信息轉(zhuǎn)變成一維的時(shí)間序列輸出，而Hamilton混沌多進(jìn)制信息是嵌入在Hamilton振子相軌跡所在的指紋區(qū)域中，倘若對(duì)指紋區(qū)域建立區(qū)域邊界進(jìn)行劃分，通過(guò)判斷劃分的區(qū)域內(nèi)有無(wú)環(huán)狀相軌跡輸出不同的電平，則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Hamilton振子多進(jìn)制調(diào)制信號(hào)的解調(diào).

根據(jù)區(qū)域分割解調(diào)思想，完成區(qū)域分割解調(diào)器的FPGA算法實(shí)現(xiàn)，該方法將二維平面軌跡變量轉(zhuǎn)換成一維變量，不僅可以進(jìn)行實(shí)時(shí)解調(diào)，而且硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無(wú)需混沌同步.Hamilton振子接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖6所示.

3.4 混沌Hamilton振子發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的整體聯(lián)調(diào)

為了驗(yàn)證整個(gè)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的正確性實(shí)現(xiàn)與否必須將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)通電工作，外接天線后，設(shè)置接收機(jī)的增益[7-9]為60 dB.

將發(fā)射機(jī)發(fā)射的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，通過(guò)接收機(jī)解調(diào)電路得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)對(duì)比可知，發(fā)射數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)之間僅有幾個(gè)時(shí)鐘的延遲.發(fā)射數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)對(duì)比波形如圖7所示.

圖6 Hamilton振子接收機(jī)硬件實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

圖7 發(fā)射數(shù)據(jù)與接收機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比波形

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以混沌Hamilton振子多進(jìn)制數(shù)字通信作為研究的重點(diǎn)，提出了相應(yīng)的多進(jìn)制調(diào)制解調(diào)方法并進(jìn)行通信應(yīng)用，完善了混沌通信技術(shù)的相關(guān)理論[10-11].根據(jù)理論模型，進(jìn)行混沌Hamilton振子發(fā)射機(jī)、接收機(jī)的設(shè)計(jì).驗(yàn)證了Hamilton振子用于混沌通信的可行性、實(shí)用性.根據(jù)區(qū)域分割思想，完成區(qū)域分割解調(diào)器的FPGA算法實(shí)現(xiàn)，在信號(hào)解調(diào)過(guò)程中無(wú)需復(fù)雜的混沌同步，且在通信中具有較高信息的傳輸速率、頻帶利用率和較高的保密性，顯示出Hamilton振子在保密通信領(lǐng)域具有強(qiáng)大的生命力.

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Research on design and implementation of QAM receiver based on chaos Hamilton oscillator

CHEN Li-min, FU Yong-qing

(School of Information and Communication Engineering,Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

The spatiotemporal chaos Hamilton oscillator was introduced in this paper, which has planar multiple attractors distribution, and the attractor trajectories between each other. For the realization of the multi-band digital communication based on chaos Hamilton oscillator, ideas of regional segmentation were introduced. The multi-band digital information theory model of the chaotic modulation and demodulation system was put forward based on the initial value mapping method. The Hamilton chaos oscillator QAM receiver was designed, and to test and verify the performance of the receiver QAM transmitter was also designed. The chaotic communication system consists of baseband modulation, RF modulation, antennas, RF demodulation and regional segmentation demodulation unit. Modulation and demodulation algorithms were implemented on FPGA, while Verilog was used as the programming language. The transmitter and receiver system hardware design were finished based on chaotic Hamilton oscillator, and results and performance of the design were validated.

chaos communication; Hamilton oscillator; multi-band communication; region segmentation; receiver; FPGA

2015-12-03.

國(guó)家自然科學(xué)基金(61172038)

陳利民(1989-)，碩士,研究方向：通信與信息系統(tǒng).

TN851

A

1672-0946(2017)01-0077-05