- 相關(guān)推薦
探討基于混沌序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真研究
1 引言
擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)（Spread Spectrum Communication），它與光纖通信、衛(wèi)星通信一同被譽(yù)為進(jìn)入信息時(shí)代的三大高新技術(shù)通信傳輸方式[1].到目前為止，擴(kuò)頻通信已經(jīng)成為比較成熟的一門技術(shù)，在個(gè)人通信方面，它具有特殊的優(yōu)點(diǎn)。擴(kuò)頻通信的基本原理是將待傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)用高速偽隨機(jī)編碼調(diào)制，實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展后再傳輸，接收端則采用同步的碼序列進(jìn)行解調(diào)及相關(guān)處理，以恢復(fù)原始數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻通信的關(guān)鍵在于有同步的偽隨機(jī)碼，因此偽隨機(jī)碼的選擇就成為一個(gè)影響擴(kuò)頻系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。
擴(kuò)頻通信有直接序列擴(kuò)頻、跳頻擴(kuò)頻、跳時(shí)擴(kuò)頻等幾種方式[2].擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中常采用的m 序列和Gold 序列，它們都有著較好的自相關(guān)特性，但其互相關(guān)函數(shù)存在大量的尖峰脈沖，這種現(xiàn)象特別是在多徑效應(yīng)的情況下對擴(kuò)頻通信十分不利。另外序列的數(shù)量有限，特別是m 序列，Gold 序列是通過m 序列優(yōu)選對生成的，其可用序列的數(shù)量也是有限的。同時(shí)它們都有安全性問題，只需知道序列的2n 個(gè)比特（n 為寄存器級數(shù)）的碼元就很容易破譯，這就影響到了擴(kuò)頻通信的安全。可見擴(kuò)頻技術(shù)主要受傳統(tǒng)的PN 碼的相關(guān)特性以及PN 地址碼個(gè)數(shù)的限制，且其抗截獲能力比較差，這對于采用擴(kuò)頻技術(shù)的CDMA 系統(tǒng)都是十分不利的。
混沌擴(kuò)頻通信使用混沌序列代替擴(kuò)頻通信的PN 碼，混沌序列的研究為選擇擴(kuò)頻碼開辟了新的途徑�；煦缡怯纱_定性方程產(chǎn)生的，只要方程參數(shù)和初值確定就可以重現(xiàn)混沌現(xiàn)象，而且由于它對初值極端敏感，所以混沌過程既非周期又不收斂[3].從理論上，混沌序列是非周期序列，具有逼近于高斯白噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，并且混沌序列數(shù)目眾多，更適合應(yīng)用于擴(kuò)頻通信中作為擴(kuò)頻序列碼�；煦缦到y(tǒng)有著對初始條件特別敏感的特點(diǎn)，對于一個(gè)確定的混沌系統(tǒng)，兩個(gè)非常接近的初始條件（或參數(shù)）經(jīng)過長時(shí)間發(fā)展后，可以輸出完全不相關(guān)的結(jié)果。這樣就可以很方便的產(chǎn)生出大量的不相關(guān)的混沌序列，只需通過簡單的改變初始值。同時(shí)，這些混沌序列具有良好的相關(guān)特性，從有限長序列中不可能導(dǎo)出系統(tǒng)的初始條件，從而可達(dá)到保密通信的目的，這些特點(diǎn)使得混沌系統(tǒng)很適合于產(chǎn)生擴(kuò)頻通信中系統(tǒng)性能優(yōu)良的擴(kuò)頻序列。由此，本文用混沌序列作為擴(kuò)頻序列進(jìn)行了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的Simulink 建模仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性，先進(jìn)性。
2 混沌擴(kuò)頻的基本原理
2.1 混沌擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)
該擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示，它按功能主要可以分為5 個(gè)部分：混沌序列產(chǎn)生部分、擴(kuò)頻調(diào)制部分、信道部分、解擴(kuò)部分和誤碼比較部分。信號在系統(tǒng)的處理過程為：
�。�1）先由信源端隨機(jī)生成準(zhǔn)備傳送的有用信號，有用信號經(jīng)過信息調(diào)制形成數(shù)字信號。
�。�2）然后由混沌序列生成模塊產(chǎn)生混沌序列去調(diào)制數(shù)字信號以展寬信號的頻譜，將擴(kuò)展頻譜的寬帶信號經(jīng)信道傳送，疊加上信道噪聲。
�。�3）經(jīng)過信道傳送以后，由本地產(chǎn)生的與發(fā)送端相同的混沌序列去完成相關(guān)檢測，即將收到的寬頻信號進(jìn)行解擴(kuò)。
�。�4）經(jīng)過解擴(kuò)的信號再經(jīng)過信息解調(diào)，恢復(fù)出發(fā)送的信號。將恢復(fù)出的信號與發(fā)送端的原始信號同時(shí)送入誤碼比較器進(jìn)行比較，計(jì)算出系統(tǒng)的誤碼率。
2.2 混沌序列性質(zhì)分析
目前應(yīng)用于產(chǎn)生擴(kuò)頻偽隨機(jī)序列碼的混沌映射主要有：Logistic 映射、改進(jìn)型Logistic映射、Chebyshev 映射和Tent 映射。這幾種混沌映射都屬于離散時(shí)間混沌系統(tǒng)，是目前研究較為集中的幾種映射。本文中選用Logistic 映射動(dòng)力方程[4].它具有很好的自相關(guān)性和互相關(guān)抑制性。
其動(dòng)力方程定義為：xn 1 μ xn （1 xn ） + = ? , n x ∈（0,1）其中，稱為μ 為分枝參數(shù)，根據(jù)μ 值的不同，序列呈現(xiàn)周期性或混沌性。當(dāng)0<μ ≤3.57,k x 是周期為2m 的周期函數(shù)，當(dāng)且3.57<μ ≤4 時(shí)，序列為非周期不收斂的，Logistic 映射工作于混沌態(tài)。由兩個(gè)不同初始態(tài)的0 x ,在上式映射的作用下所產(chǎn)生的兩個(gè)序列是非周期的、不收斂的、不相關(guān)的，并對初始值非常敏感。
對于保密通信而言，既要求對初值的敏感性又要求信號的隨機(jī)性，敏感性越強(qiáng)同時(shí)隨機(jī)性越好，則保密性越強(qiáng)。這些特性可由概率統(tǒng)計(jì)特性均值、自相關(guān)和互相關(guān)性來定量描述。
當(dāng)混沌序列無限長時(shí)，Logistic 序列的自相關(guān)特性和白噪聲是一致的。Logistic 序列越長，互相關(guān)性越好。在碼分多址系統(tǒng)中，最主要的干擾是多址干擾，衡量抗多址干擾能力的主要指標(biāo)主要是碼間互相關(guān)性的大小。利用概率密度函數(shù)，可以計(jì)算得到所關(guān)心的一些統(tǒng)計(jì)特性p（x）關(guān)于偶對稱，自相關(guān)函數(shù)近似為δ 函數(shù)，互相關(guān)為零。其概率統(tǒng)計(jì)特性與白噪聲一致，適合于在保密通信中的應(yīng)用。
2.3 混沌序列與PN 序列的比較
在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，大都采用線性或非線性移位寄存器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻序列，例如，m序列和Gold 序列。然而，這些序列碼集中的碼個(gè)數(shù)都很有限。在具有大容量的CDMA通信系統(tǒng)中，這些序列的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了容量的要求。另外，他們提供的保密性也很有限，容易破譯。根據(jù)以上所述的混沌序列的特性，可將混沌序列代替一般的偽隨機(jī)序列來作為擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻序列，即所謂的混沌擴(kuò)頻序列。
使用混沌擴(kuò)頻序列主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)[5]:
（1）混沌序列是偽隨機(jī)信號，具有較好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，其自相關(guān)函數(shù)是δ 函數(shù)，如圖2 所示，參數(shù)設(shè)置如下：初始值為0 x = 0.2,擴(kuò)頻序列長度N =1024,μ = 4.從圖2 中可以看出，混沌序列具有良好的自相關(guān)特性，另外其互相關(guān)函數(shù)為零。而m 序列具有良好的二值自相關(guān)特性，但其互相關(guān)特性不夠理想。Gold 碼序列的互相關(guān)特性較m 序列的互相關(guān)特性有較大的改善，但Gold 碼序列不再具有m 序列完美的二值自相關(guān)函數(shù)特性和平衡性。
�。�2）混沌序列容易產(chǎn)生和存儲�；煦缧蛄兄恍枰粋�(gè)模型和初始條件就可以產(chǎn)生，而m序列、Gold 碼等PN 序列，由多級移位寄存器或其它延遲元件通過線性反饋產(chǎn)生，要獲得不同的隨機(jī)序列，必須對其產(chǎn)生的隨機(jī)二進(jìn)制序列進(jìn)行緩存，不如混沌序列產(chǎn)生方便。
�。�3）混沌序列對初始參數(shù)極其敏感，即使對相差為10?6的兩個(gè)初值，經(jīng)過混沌模型數(shù)次迭代后產(chǎn)生的序列也將變得毫不相關(guān)，這樣可通過混沌模型產(chǎn)生大量不相關(guān)的序列。而m序列和Gold 碼序列長度只能固定，并且序列的數(shù)量有限。
�。�4）混沌序列的保密性要好于PN 序列。混沌序列具有確定的、隨機(jī)的和不可預(yù)測的特征，并且具有連續(xù)寬頻譜特征�；煦缦盗袥]有周期，類似于一個(gè)隨機(jī)過程，且任意截取一段序列，均不能預(yù)測出整個(gè)序列，不同于普通擴(kuò)頻系統(tǒng)中的偽隨機(jī)序列。
可見，混沌序列用于擴(kuò)頻調(diào)制，理論上可以進(jìn)一步改善其性能。
3 MATLAB/SIMULINK 簡介
MATLAB 是美國Mathworks 公司生產(chǎn)的一個(gè)為科學(xué)和工程計(jì)算專門設(shè)計(jì)的交互式大型軟件，是一個(gè)可以完成各種精確計(jì)算和數(shù)據(jù)處理的、可視化的、強(qiáng)大的計(jì)算工具。MATLAB軟件包括兩大部分：數(shù)值計(jì)算和工程仿真。其數(shù)值計(jì)算部分提供了強(qiáng)大的矩陣處理和繪圖功能；在工程仿真方面，MATLAB 提供的軟件支持幾乎遍布各個(gè)工程領(lǐng)域，并且不斷加以完善。SIMULINK 是基于框圖的仿真平臺，它掛接在MATLAB 環(huán)境上，以MATLAB 強(qiáng)大的計(jì)算功能為基礎(chǔ)，以直觀的模塊框圖進(jìn)行仿真和計(jì)算。在SIMULINK 環(huán)境下使用通信系統(tǒng)仿真模塊庫中的模塊，可以很方便的進(jìn)行通信系統(tǒng)的仿真，直觀的圖形輸出讓我們可以很清楚地看到仿真結(jié)果。
4 混頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的建模與實(shí)現(xiàn)
4.1 混沌擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型設(shè)計(jì)
在 simulink 環(huán)境下，在通信系統(tǒng)仿真模塊庫中選擇本系統(tǒng)仿真所需要的各個(gè)模塊，搭建仿真模型，如圖3 所示。
仿真參數(shù)設(shè)置是仿真過程中的重要環(huán)節(jié)，直接影響到仿真的效果，主要參數(shù)設(shè)置如下：在擴(kuò)頻部分，首先由隨機(jī)信號發(fā)生器（Random Integer Generator）產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的信號，Random Integer Generator 中設(shè)置采樣時(shí)間為0.1s,設(shè)置產(chǎn)生的隨機(jī)信號為二值序列；在混頻序列產(chǎn)生模塊中，設(shè)產(chǎn)生混沌擴(kuò)頻序列的初值0 x =0.2,即將常數(shù)3 的值設(shè)置為0.2,之后的每次計(jì)算都是把第n 次的結(jié)果當(dāng)作第n+1 次計(jì)算所需x 的值，循環(huán)迭代計(jì)算就可以得到一個(gè)隨機(jī)性很強(qiáng)的序列。常數(shù)1 的值設(shè)置為-0.7,常數(shù)2 的值設(shè)置為-0.5,常數(shù)2 的值與最終結(jié)果相加是為了改變輸出結(jié)果的區(qū)間，通過它將函數(shù)模塊輸出的結(jié)果變換到[-1,1],以便于通過Sign 模塊將結(jié)果變換到[0,1]區(qū)間�；祛l序列產(chǎn)生模塊中函數(shù)模塊是計(jì)算混沌擴(kuò)頻序列的中國科技論文在線關(guān)鍵部分，混沌序列產(chǎn)生模塊的計(jì)算基于Logistic 映射動(dòng)力方程，因此需將映射動(dòng)力方程的數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式xn 1 μ xn （1 xn ） + = ? , n x ∈（0,1），分枝參數(shù)μ =3.98（3.5699456<μ ≤4），定義到模塊中，通過它得到Logistic 混沌序列；然后，隨機(jī)信號經(jīng)BPSK 調(diào)制之后被生成的混沌擴(kuò)頻序列調(diào)制，產(chǎn)生擴(kuò)頻信號；信號傳輸?shù)男诺啦捎肕ATLAB 通信工具箱提供的高斯信道（信噪比設(shè)置為l0dB），擴(kuò)頻后的信號通過加性高斯白噪聲信道時(shí)，會出現(xiàn)多徑衰落、自由空間信號功率的衰減，從而導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重下降；在解擴(kuò)部分，擴(kuò)頻信號輸入Product 之后系統(tǒng)利用與擴(kuò)頻部分相同的混沌擴(kuò)頻序列對擴(kuò)頻信號進(jìn)行解擴(kuò)，將接收到的信號和原來的偽隨即序列進(jìn)行相乘，把寬帶信號恢復(fù)到一個(gè)很窄的頻帶內(nèi)；對解擴(kuò)后的信號，再用BPSK 解調(diào)，把信號從頻帶信號轉(zhuǎn)化成基帶信號，便能恢復(fù)出原始信號；最后將初始的信號和恢復(fù)出的信號同時(shí)輸入到誤碼率分析器中對比得到該系統(tǒng)的誤碼率，計(jì)算結(jié)果通過顯示模塊顯示。
4.2 系統(tǒng)仿真結(jié)果與性能分析
本文進(jìn)行的仿真，主要對直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的波形、系統(tǒng)誤碼率進(jìn)行了分析。按照上述選定模塊和設(shè)置仿真參數(shù)后，通過對混沌序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到以下結(jié)果，從仿真圖形上的發(fā)送端示波器1（如圖4）和接收端示波器2（如圖5），兩圖中橫坐標(biāo)代表采樣時(shí)間，采樣間隔為0.1 秒，縱坐標(biāo)代表發(fā)送序列的幅度，圖中發(fā)送序列為二值序列，只有取0 和1 兩個(gè)值。對比波形可以看出，顯示原始信號的波形和在接收端經(jīng)過解擴(kuò)解調(diào)后的信號波形較為一致，區(qū)別在于接收端的信號和原始信號相比有一定的時(shí)間延遲，且在某些時(shí)刻有一定的誤碼，這說明系統(tǒng)能夠正確接收信號。從仿真模型圖上的誤碼率分析儀上（如圖3）可以看出，系統(tǒng)誤碼率大約達(dá)到0.7%,也就是說，用混沌序列進(jìn)行擴(kuò)頻通信，平均傳輸10000個(gè)碼字，出現(xiàn)錯(cuò)誤碼字還不到為70 個(gè)，在這種誤碼率的條件下，能較理想地傳輸信號和恢復(fù)信號。通過計(jì)算和比較，可以發(fā)現(xiàn)它們的曲線幾乎是一致的，考慮到數(shù)據(jù)精度，舍入等計(jì)算誤差，這應(yīng)是一個(gè)合理的結(jié)果，這說明此本文的仿真模型以及仿真結(jié)果是可信的。
5 結(jié)論
本文給出了一種基于MATLAB/SIMULINK 的混沌擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證了基于混沌序列的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的工作機(jī)理。從仿真的結(jié)果中的誤碼率和信號波形兩個(gè)方面都可以驗(yàn)證利用混沌序列進(jìn)行擴(kuò)頻通信是一種更為優(yōu)良、可靠的通信傳輸手段。本文所設(shè)計(jì)的仿中國科技論文在線真框圖，具有良好的性能和可視化的優(yōu)點(diǎn)，下一步可以研究具有自適應(yīng)特性的、對調(diào)制方式、載波數(shù)、擴(kuò)頻碼的參數(shù)可以適時(shí)更改的、更加智能化和實(shí)用化的混沌序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)。隨著第三代通信的發(fā)展，保密傳輸變得越來越重要了，混沌序列直接擴(kuò)頻提供了比傳統(tǒng)的擴(kuò)頻系統(tǒng)更好安全性[7].比如非周期性、對初始值及參數(shù)的敏感性、非二元性、偽隨機(jī)性等都在傳輸安全中有更好的優(yōu)越性，再加上混沌序列具有無窮的多樣性，從而為通信質(zhì)量和系統(tǒng)容量的提高奠定了理論基礎(chǔ)[8, 9]。
參考文獻(xiàn)
[1] 何世彪，譚曉衡。擴(kuò)頻技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.1.
[2] 胡健棟，鄭朝輝等。碼分多址與個(gè)人通信[M].北京人民郵電出版社，1996.
[3] 田日才。擴(kuò)頻通信[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.4.
[4] 舒冰清�；煦缧蛄屑捌湓跀U(kuò)頻通信中的應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.
[5] 劉瑞芹，任陽，張鳳元，蔡秀雄。混沌擴(kuò)頻序列的改進(jìn)與仿真[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009,45（11）：pp.92-94.
[6] 米良，朱中梁�；煦缧蛄信c一類基于移位寄存器的非線性序列的性能比較[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2003,25（11）：pp.1476-1481.
[7] 蔡國權(quán)，宋國文，于大鵬。Logistic 映射混沌擴(kuò)頻序列的性能分析[J].通信學(xué)報(bào)，2000,21⑴：pp.60-63.
[8] 王亥，胡健棟。數(shù)字混沌擴(kuò)頻通信系統(tǒng)[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，1998,21（4）：pp.7-11.
[9] 任陽。 混沌序列在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用[D].北京：北京化工大學(xué)，2009.
【探討基于混沌序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的仿真研究】相關(guān)文章：
船舶遠(yuǎn)程操縱仿真系統(tǒng)的研究03-07
跳頻通信系統(tǒng)的仿真研究12-05
基于PARAMICS的感應(yīng)信號控制仿真研究03-07
基于鍵圖的機(jī)電作動(dòng)系統(tǒng)的建模與仿真03-02
基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的研究03-07
基于盲源分離的無線視頻通信研究與仿真03-07