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一种差分混沌键控通信方案的研究_王冬光.pdf

一种差分混沌键控通信方案的研究_王冬光

要活出你的霸气劲
2018-12-04 0人阅读 0 0 0 暂无简介 举报

简介:本文档为《一种差分混沌键控通信方案的研究_王冬光doc》,可适用于IT/计算机领域

第卷第期哈尔滨工程大学学报Vol№年月JournalofHarbinEngineeringUniversityJun一种差分混沌键控通信方案的研究王冬光,刘文(哈尔滨工程大学自动化学院,黑龙江哈尔滨)摘要:为了提高效率及传输中的安全性,提出改进的DCSK方案利用已有的transmittedreference(TR)通信方式将差分混沌键控(DCSK)中的参考信号和信息信号通过不同的线路信道或不同的频带信道传输,在接收端通过相关接收解调二进制数字信号,这一方案回避了延时结构和切换结构,且发送端可以连续工作改进方案中参考信号和信息信号不在同一频带或线路信道中提高了信号在传输中的安全性并对方案性能进行了仿真分析,仿真分析表明改进方案具有与DCSK相似的噪声特性,在混沌信号源带宽和信息信号长度相同的条件下,改进系统有更快的信息传输速率仿真结果说明了该算法有效可靠关键词:混沌通信差分混沌键控参考信号传输系统噪声特性中图分类号:TK文献标识码:A文章编号:()StudyofanimprovedschemeofDCSKWANGDongguang,LIUWen(SchoolofAutomation,HarbinEngineeringUniversity,Harbin,China)Abstract:Inordertoimproveefficiencyandsafety,thispaperpresentsanimprovedDCSKscheme,whichtransmitsthereferencechipandinformationbearingchipofthedifferentialchaosshiftkeying(DCSK)throughrespectivechannels(lineorbandwidth),andthendemodulatesthebinarydigitalsignalusingcorrelatorinthereceiverThisschemeavoidsdelayandswitchconstructanditcantransmitcontinuouslyBecausethereferencechipandinformationbearingchiparetransmittedthroughrespectivechannels,itssignalsaremoredifficulttointerceptduringtransmissionTheperformanceofthisschemeissimulatedandanalyzed,indicatingthatthenoiseperformanceoftheenhancedschemeissimilarwithDCSKItcantransmitthesignalsmorequicklythanDCSKwhentheyhavethesamechaoticsignalbandwidthandinformationbearingchiplengthTheresultofthesimulationprovestheeffectandreliabilityoftheschemeKeywords:chaoticcommunicationsdifferentialchaoticshiftkeying(DCSK)transmittedreferencesystemnoiseperformance混沌通常是指确定性动力系统的长期行为对系统初始状态异常敏感,却又不发散,而且无法精确重复的现象,它是非线性系统普遍具有的一种复杂动力学行为,被公认为是世纪最重要的科学发现之一在过去多年,混沌在数字通信领域的应用有了很大的发展~在众多的混沌通信方案中,差分混沌键控(DCSK)具有最强的鲁棒性,同时又利用了混沌信号在时域和频域图样的类似噪声的特性,达到了隐藏信号的目的这几年来DCSK成为混沌通信研究的主要方向收稿日期:作者简介:王冬光(),男,博士研究生MichaelPeterKennedy等人从通信理论和统计分析等方向上对混沌数字通信技术作了研究~通过理论分析和计算机仿真,比较了DCSK、相关延迟键控(CDSK)、同步混沌键控(SCDK)等通信方案的噪声性能,并且指出了各个通信方案的长处和在实际应用中的难点如DCSK方案具有比较好的噪声性能,但是在发送端有延时结构和switch结构在硬件实现上有一定的难度,参考信号和信息信号在同一频带信道中传输,传输过程中被截获后容易被破译CDSK的发送端用加法器代替了switch结构,使其可以连续工作,且信号更均匀,截获后不容易被破译,但是付出了噪声性能下降的代价本文提出的改进的DCSK方案,利用已有的··哈尔滨工程大学学报第卷transmittedreference(TR)通信方式,中参考信道和信息信道的概念,把参考信号和信息信号通过不同的线路信道或频带信道传输,在接收端通过互相关器判决解调并对其性能进行了仿真分析通过分析可以知道:这一方案回避了延时结构和switch结构,且发送端可以连续工作在性能不变的条件下,有更高的数据传输速率参考信号和信息信号不在同一频带或线路信道中,只截获一条信道的情况下,破译信息更为困难现有的混沌通信方案DCSK通信方案在DCSK方案中(如图),每一比特信息由个混沌信号片表示,第个混沌信号片为参考信号,第个混沌信号片用来承载信息信号由两个连续的相同混沌信号表示,信号由参考信号和紧随其后的与之相反的信号表示在接收端参考信号和信息信号通过互相关器判决解调从DCSK发送端输出的每一比特信号由参考信号和信息信号组成,表示为si=xi,<i<M()blxiM,M<i<M式中:xi为混沌序列,bl为值为±的数字信号,M为信号片的长度,是混沌信号的带宽与信号片时间的乘积本文用logistic映射产生混沌信号,得到DCSK的误码率表示式为BER=EbEbN=erfcMNMNEberfcSNRMSNRSNR()式中:N是在连续信号中的信道噪声平均功谱密度,Eb为bit信号的能量,SNR=PsPn,Eb=PsMPn=SNRM由误码率公式可知,在较大的M情况下,增大M会引起误码率的上升,但能提高多径条件下的性能,,反之亦然要提高DCSK传输速率必须减小M,势必影响多径条件下的性能DCSK需要将混沌信号在信道中传输两次,信号被截获后容易被破译在发送端有延迟和switch结构,或者要有能够产生完全相同混沌信号的两个混沌信号发生器switch结构具有丰富的非线性特性,而即使相同的混沌系统,初值有微小的差别,产生的混沌信号也是不同的因此,这在实际应用中可能造成困难CDSK通信方案CDSK(见图)与DCSK的不同之处在于发送端的switch结构被加法器代替CDSK的信号没有重复的信号接收端与DCSK相同CDSK的信号一个混沌序列与延迟后的信息序列的和,可以表示为si=xciblxiL()其混沌信号发生器与前者一样为logistic映射,则其误码率可表示为BER=EbEbMN=erfcNEbNMerfcSNRSNRMSNR()CDSK在发送端将DCSK的switch结构改为了加法器,简化了系统结构其发送的信号中没有重复信号,信号更为均匀,减少了截获后被破译的可能性图DCSK系统框图FigDiagramofDCSKsystem第期王冬光,等:一种差分混沌键控通信方案的研究··图CDSK系统框图FigDiagramofCDSKsystem图改进的DCSK系统框图FigDiagramofimprovedDCSKsystem但是其性能要比DCSK差~dB主要是因为其信号中有项信号与噪声的相关项,而DCSK只有项除此之外还有项由相邻的混沌信号段的不完全正交性引起的干扰项改进的DCSK通信方案本文提出改进的DCSK方案,其基本思想是引入参考信道的概念,把参考信号和信息信号在不同频带或线路信道中传输(如图)在发送端将数字信号转化为双极性信号,用混沌信号源作为扩频信号,一个信道中传输数字信号和混沌扩频信号的乘积,另一个信道传输扩频信号,在接收端将两路信号输入相关器,判决接收对DCSK误码率的分析过程,根据改进DCSK方案系统框图可以得到发送端发送的两路信号可以表示为si=blxi,si=blxi()在接收端,相关器的输出可以表示为MS=∑(siξi)(siξi)=i=M∑(blxiξi)(blxiξi)=i=MMblbl∑xi∑(blξixiblξixiξξ)iii=i=将相关器的输出写成如下形式:()S=blblAblblζη,A>()式中:AMA,η==(xi)M,ζ=∑xii=MMMbi∑xiξibl∑xiξi∑ξiξi对于整个信i=i=i=号来说,A=Eb在混沌系统中xi与xik之间的相关性随着|k|的增大快速衰减假定M足够大,ξ和ζ可近似看作为高斯过程由于在任何(i,j)条件下,xi统计独立于ξj,可以得到对于任何i≠j,ξ与ζ的互相关为同理,η中的各项间的互相关性也为所以η的方差可以表示为··哈尔滨工程大学学报第卷,<x<()MMσσσM=ρ=πxση=∑xiσ∑xi,elsei=i=计算得到EbσEbσσσM=NNσζ=Eb,()EbNEbNM()M则得到ζξ的方差为ζ的方差取决于产生混沌扩频信号的混沌系统,与EbNN以上DCSK系统一样用logistic映射作为产生混沌信号的混沌系统logistic映射可以表示为σ=MEbNEbNM()()xi=xi误码率可以表达为SchusterHG证明了logistic映射的混沌序列的概率分布密度函数为BER=P((ζξ)>A)=erfc=σerfcNNMNN=MEbEbMSNRSNRSNRSNRSNRSNR()()式中:SNR=PsPn,Eb=PsM=SNRM,NPnEbPsM=Pn=SNRM如果两个信道的噪声水平相N同,即N=N=N,则误码率可表达为NNNNBER=erfcM=EbEb=EbEbN=erfcNMNMEberfcSNRMSNRSNR()改进的DCSK方案在发送端没有了延时和switch结构,在各自的频带信道中没有重复的混沌信号,信号是连续发送的DCSK的性能主要受限于参数M由于新的方案中参考信号和信息信号在同一时间片中通过不同的线路信道或频带信道同时传输,而DCSK中,参考信号和信息信号要在两个时间片里传输在M相同的情况下,即在各项性能相同的情况下,新方案的信息速率是DCSK的两倍,频带的利用率不变而CDSK方案在简化结构、提高信息速率的同时降低了噪声性能仿真及分析用计算机仿真改进的DCSK方案在仿真中M=,统计比特信息的误码率图和图是对新的混沌通信方案噪声性能的仿真曲线图中一条曲线是两条信道的噪声情况相同的条件下的噪声特性曲线,另一条曲线是一条信道的噪声固定在dB的情况下,另一条信道的噪声变化的曲线,两条曲线在dB左右相交图中一条曲线是两条信道的噪声情况相同的条件下的噪声特性曲线,另一条曲线是一条信道的噪声固定在dB的情况下,另一条信道的噪声变化的曲线,两条曲线在dB左右相交可以看到数值仿真与理论曲线是基本相符合的,在信噪比较高的情况下受到仿真用的比特数的限制,有一定的出入图信道信噪比为dBFigChannelSNR=dB图是新的混沌通信方案、DCSK、CDSK噪声性能的仿真曲线和理论曲线当新的混沌通信方案的两条信道有相同的噪声条件,其具有和DCSK相同的噪声性能而CDSK的噪声性能比前二者的噪声性能要差第期王冬光,等:一种差分混沌键控通信方案的研究··图信道信噪比为dBFigChannelSNR=dB图DCSK、改进DCSK和CDSK方案的比较FigComparisoncurvesofDCSK,improvedDCSKandCDSKsystem在实际的系统中更关心的是在SNR条件下的误码率通过式()、()、()可以知道在较大的SNR情况下误码率主要取决于SNRM较大的M可以在较低的SNR条件下得到相同的通信可靠性结束语本文提出了一种新的混沌通信方案,并与DCSK、CDSK的性能结构作了比较新的混沌通信方案将参考信号和信息信号分别在不同的频带信号或线路信道中传输,在接收端用相关接收机判决接收通过仿真可以看到,在M相同的情况下,新的混沌通信方案与DCSK有相同的噪声性能,通信速率是DCSK的两倍,频带的利用率不变同时新的混沌通信方案在发送端取消了延时和switch结构,改善了系统结构参考信号和信息信号在不同的频带和线路信道中,提高了信息在传输中的安全性参考文献:KOLUMBNG,KENNEDYMP,CHUALOTheroleofsynchronizationindigitalcommunicationsusingchaosPartI:FundamentalsofdigitalcommunicationsJIEEETransCircuitsSyst,,():ROVATTIR,SETTIG,MAZZINIGChaoticcomplexspreadingsequencesforasynchronousDSCDMAPartII:SometheoreticalperformanceboundsJIEEETransCircuitsSyst,,():KOLUMBNG,KENNEDYMPTheroleofsynchronizationindigitalcommunicationusingchaosPartIII:PerformanceboundsforcorrelationreceiversJIEEETransCircuitsSyst,,():KOLUMBNG,VIZVRIB,SCHWARZW,etalDifferentialchaosshiftkeying:ArobustcodingforchaoscommunicationJProcNDES,Seville,,():SUSHCHIKM,TSIMRINGL,VOLKOVSKIIAPerformanceanalysisofcorrelationbasedcommunicationschemesutilizingchaosJIEEETransCircuitsSyst,,():KOLUMBNGTheoreticalnoiseperformanceofcorrelatorbasedchaoticcommunicationsschemesJIEEETransCircuitsSyst,,():ABELA,GTZM,SCHWARZWStatisticalanalysisofchaoticcommunicationschemesJProcIEEEISCAS',,():ABELA,SCHWARZW,GTZMNoiseperformanceofchaoticcommunicationsystemsJIEEETransCircuitsSyst,,():KENNEDYMP,KOLUMBNG,KISG,etalPerformanceevaluationofFMDCSKmodulationinmultipathenvironmentsJIEEETransCircuitsSyst,,():BATANINPerformanceanalysisofdirectsequencespreadspectrumsystemwithtransmittedcodereferenceJCircuitsandSystems,,:JIANGZhongpingAnotechaoticsecurecommunicationsystemsJIEEETransCircuitsSyst,,():SCHUSTERHGDeterministicchaos:anintroductionMBerlin:VCH,责任编辑:刘玉明

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