FMDCSK通信系统研究+曹沙沙+杨波.docx

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FMDCSK通信系统研究+曹沙沙+杨波

《数字通信》

学院：

信息科学与技术学院

系别：

通信工程系

题目：

FM-DCSK通信系统研究

姓名：

曹沙沙杨波

学号：

2332013115324323320131153272

2014-6-23

摘要

混沌信号，是一种对初值敏感的伪随机信号，它有着类似于白噪声那样很宽的频谱。

混沌信号还有着良好的自相关性，不同的混沌信号之间的互相关性很低。

上述这些特性，不仅使得混沌信号作为载波进行数字调制成为可能，而且使得混沌调制兼有传统扩频与调制综合功能，从而具有潜在的抗多径衰落的能力。

混沌通信是一种扩展频谱的通信技术，利用混沌信号的宽带特性，可以方便的构建混沌宽带通信系统。

目前，混沌通信的研究主要集中在混沌数字通信方面，类似于常规的数字调制方式，数字混沌通信技术也有多种形式的键控技术。

最常见的有混沌移位键控、差分混沌移位键控以及频率调制差分混沌移位键控等。

对应上面的混沌移位键控技术，有两类最常见的接收机结构，一是相干接收机，其次是非相干接收机（自相关接收机）。

基于相干接收的混沌移位键控主要用于理论分析的需要，在面向应用的研究方面，主要还是集中在基于自相关接收的差分混沌移位键控调制。

混沌调制的载波，采用的是非周期的混沌信号，同时接收采用非相干解调，避免了混沌载波的同步问题，使得这一技术具有现实的可能性。

本文的工作，集中于目前发现的抗衰落和误码性能最好的混沌调制即FM-DCSK上。

通过研究、设计与仿真，揭示了该技术的本质和优势。

关键词：

FM-DCSK；混沌信号；抗衰落

Abstract

Chaoticsignalissensitivetoinitialconditionsofapseudo-randomsignal,ithasaspectrumsimilartothewhitenoisethatisverywide.Chaoticsignalislowthereisagoodcross-correlationautocorrelation,differentchaoticsignals.Thesecharacteristics,notonlymakesthechaoticcarrierdigitalmodulationsignalaspossible,butalsomakesthechaoticmodulationandspreadspectrummodulationofbothtraditionalintegratedfunctions,whichhasacapacityofpotentialanti-multipathfading.

ChaosCommunicationisaspreadspectrumcommunicationtechnology,theuseofbroadbandchaoticsignalcharacteristics,youcaneasilybuildchaoticbroadbandcommunicationsystems.Currently,theresearchfocusedontheChaosCommunicationchaoticdigitalcommunications,similartoconventionaldigitalmodulation,digitalchaoticcommunicationtechnologieshavevariousformsofkeyingtechnology.ThemostcommonareChaosShiftKeying,DifferentialChaosShiftKeyingandDifferentialChaosShiftKeyingmodulationfrequencyandsoon.CorrespondingtotheaboveChaosShiftKeyingtechnology,therearetwotypesofthemostcommonreceiverstructure,onecoherentreceiver,followedbynon-coherentreceiver（autocorrelationreceiver）.ChaosShiftKeyingcoherentreceiverbasedontheneedsofthetheoreticalanalysisismainlyusedinapplication-orientedresearch,mainlyconcentratedintheauto-correlationbasedDifferentialChaosShiftKeyingmodulationreceiver.Chaosmodulatedcarrier,theuseofnon-periodicchaoticsignals,whilereceivingnon-coherentdemodulation,avoidingthechaoscarriersynchronizationproblems,makingthistechnologyhasrealpossibility.

Workofthispaper,focusedonthebestcurrentlyfoundinanti-fadingandchaoticmodulationerrorperformancethatFM-DCSK.Throughresearch,designandsimulation,revealsthenatureandadvantagesofthetechnology.

Keywords:

FM-DCSK;chaossignal;anti-fading

第一章数字通信理论基础

1．1传统数字通信系统的构成

通信，即信息从一方传输到另一方，从而实现双方之间的信息传递。

最早出现的是模拟通信，即传输的是模拟信号；现在特别在远程通信中，主要采用的是抗噪声性能好的数字技术，即传输“0”“1”或更多的有限个的数字信号。

数字（移动）通信系统的一般结构如下：

图1-1数字通信系统

数字通信系统的目标是尽量有效可靠的从一个数字信息源（如计算机、数字化的语音或视频）传输信息到一个接收端。

首先将数字信息映射成一系列信码，这个过程称为编码，包括信源编码和信道编码。

经过编码的信息序列又用于改变一个模拟电磁波（载波）的某些特性，如幅度、相位、频率等，这个过程称作调制。

调制总是必需的，因为所有实际的通信

信道都是带限的模拟信道，不能直接传输数字信号。

具体来说，调制就是将一个信码变换成一个适于传输的模拟波形。

一般的数字调制包括幅移键控，相移键控，频移键控，连续相位调制和幅度相位键控。

其中，信码分别和一正弦载波的幅度、相位、频率、相位和相位转变、及幅度和相位一一对应。

在扩频通信中，调制后的信号还要经过一个速率更高的扩频码作用，再送入

信道传输，扩频在窄带通信中是没有的。

当然，实际通信里可能有多个用户同时

发起通信，所以还要采用多址接入技术。

信道是一个物理媒体，载信模拟波形通

过它从发送端到达接收端。

在实际信道中，模拟信号不可避免的会受到各种线性

和非线性机制的损害：

衰减、扩散、码间干扰、互调干扰、PM/AM和AM/PM

转变、噪声、干扰、多径效应等。

因而接收端从来不可能精确的接收到发送的信

号。

在接收端，待接收的信号要相应做多址解复用、解扩、解调、译码，这样信

息才能恢复。

接收端的多址解复用是为了把该用户的信息从多个用户的叠加信号

中分离出来。

解扩是为了把经展宽的信号恢复成原来的窄带信号。

解调器的作用

就是从接收到的已损模拟信号中估计出一个传输码序列。

信道解码器的作用是从

估计的码序列中重构原始的比特流。

因为在实际通信信道中的干扰，无差错的传

输是从来不可能的。

由于实际需要传输的都是模拟信号，所以在上述数字通信系统的两端还分别

加有格式化模块，通过模/数和数/模转换器等实现数字和模拟信号之间的格式转

换。

混沌通信，有别于传统通信，体现在调制采用的是混沌调制方案。

它因为其

具有潜在的抗多径衰落的优异能力而被提出来。

有关混沌、混沌调制、混沌通信的概念和原理将在后续章节里详细阐述。

在目前提出的所有混沌调制方案中，FM-DCSK表现出最佳的抗噪声和抗多径衰落性能，故成为本文研究关注的重点。

1．2调制解调的基本原理和方法

1．2．1调制的性能量度

在数字通信系统中，主要的错误来源于模拟信道。

数字通信系统的基本问题

之一是在确保相应的误码率情况下尽量减小传输一比特信息所需要的能量。

数字通信系统的性能用误比特率来量度，它给出了接收到的比特流中错误比特的概率。

总的来说，它取决于所采用的编码方式、调制方式、发送功率、信道特性和解调方式等。

传统用BER－Eb/N0图形表示加性高斯白噪声线性信道的性能。

其中，Eb是每比特能量，N0是信道引入的噪声功率谱密度。

对于给定的背景噪声，可以通过增加每比特能量来减小BER。

发送更大的功率或增加每比特时间都可以增加每比特能量。

数字通信的挑战就是使用尽量小的每比特能量来达到一个特定的BER。

更深远的要考虑频带利用率，它定义为数据传数速率Rb与信道频带宽度W的比:

η=Rb/W[bit/s/Hz]

在调制方式的选择上，就要考虑上述两个方面的因素。

同时，一些特殊应用，

如室内无线电中的其他影响如多径传输，限制了整个系统的性能。

这些设计要求

会影响所选择使用的调制方式。

1．2．2调制和解调的基本函数法

调制是将码元映射为模拟波形[“信号集”的元素Sm（t）]的过程。

信号Sm

（t）通过模拟信道传输，那里它可能变形失真，同时还伴随有噪声存在。

解调是将接收到的信号Rm（t）（一个受损模拟波形）映射回码序列的过程。

1．2．2．1正交的基本函数

让Sm（t），m=1,2,…，M代表信号集的元素。

我们的目标是尽量减少基本函数的数目，在接收端必须知道基本函数来实现解调。

我们引入N个实值正交基本函数：

T表示码元持续时间。

信号集的每个元素都能被N个基本函数的线性组合所表示：

其中N≤M。

传统的数字通信系统使用正弦基本函数，最常见的情况是正弦函数积分对（正余弦函数对）。

信号集的产生

系数smj可以看作是一个N维信号向量sm的第j个元素。

进来的比特流首先经编码变换成码序列；信号向量元素由码元决定。

待传输的信号sm（t）通过基本函数的加权和产生。

图1-2信号集产生

信号向量的相关恢复

因为基本函数是正交的，如果接收端知道每个基本函数的话，信号向量的元素可以从信号集的元素中恢复，如从接收信号，即

因此，解调器可以看作一组N个相关器，每个相关器恢复基本函数

的加权

。

由于在信号向量和码元之间存在一一映射，传输的码元能够通过相关器输出的后续处理中得以恢复，于是解调的比特流得以再生。

图1-3信号集恢复

1.3扩频的直接原理和方法

扩展频谱（简称扩频）的精确定义为：

扩频（SpreadSpectrum）是指用来传输传输信息的信号带宽远远大于信息本身带宽的一种传输方式。

频带的扩展由独立于信息的码元来实现。

在接收端用同步接收实现解扩和数据恢复。

该技术称为扩频，而传输该信号的系统称为扩频系统。

1.3.1直接扩频原理

基带信号的信码是欲传输的信号，它通过速率很高的编码程序（通常用伪随机序列）进行作用将其频谱展宽，这个过程称作扩频。

频谱展宽后的序列进行射频调制（多采用PSK调制），其输出则是扩展频谱的射频信号，经天线发射出去。

在接收端，射频信号经混频器后变为中频信号，它与本地的和输入端相同的编码序列作用反扩展，将宽带信号恢复成窄带信号，这个过程称为解扩。

解扩后的中频窄带信号经普通信息解调器解调，恢复成原始的信码。

图1-4直接扩频原理

（a）在接收机输入端的扩展频谱（b）在接收机输出端的频谱

图1-5扩频-解扩处理过程

由频谱扩展对抗干扰带来的好处，称扩频增益，可表示为：

Gp=Bw/Bs，式中，Bw为发射扩频信号的带宽，Bs为信码的带宽，Gp又可以称为扩频因子β，因为它度量了原始窄带信号被展宽的倍数。

其中，Bw与所采用的伪码（伪随机

序列或伪随机噪声序列的简称）速率有关。

为获得高的扩频增益，通常希望增加

射频带宽Bw，即提高伪码的速率。

例如，当信码带宽Bs=10KHz，射频带宽Bw=2MHz，Gp=200时，近似获得23dB的扩频增益，这是很可观的。

直扩系统有以下优点：

①它可以在很低的，甚至负信噪比环境中使系统正常工作；②通过分配给不同用户正交或准正交的扩频码序列可以区分用户，即实现CDMA；③CDMA系统对频谱的利用效率高于TDMA（如GSM）。

第二章混沌通信理论基础

2.1混沌与混沌信号

混沌起源于非线性系统对初始条件的敏感依赖性，是非线性系统的一个重要分支。

混沌现象早在20世纪初就已经被发现，后来又被许多科学家仔细研究，特别是到了20世纪70年代，学术界对混沌以及混沌现象更为关注。

其标志事件是，美国学者费根鲍姆受气象学家洛伦兹的启发，发现了很大一类简单重复迭代的映射系统，并且居然具有普适的性质。

随后，混沌在各个领域得到广泛研究与应用，尤其是混沌科学与其它科学相互渗透相互融合形成了一些新兴交叉学科和技术。

混沌在自然科学，如生物学、数学、物理学、化学、电子学、信息学、气象学、宇宙学、地质学等领域都得到了应用；并且在人文科学，如经济学、人脑科学甚至是音乐、美术、体育等多个领域中也都得到了应用。

混沌通信系统就是以混沌信号作为信息载体的通信系统，主要利用了混沌信号的初始敏感性、类噪声特性以及宽带特性等，在安全通信、扩频通信以及超宽带通信方面得到了广泛的研究。

因此，混沌信号的产生就成为一个研究重点。

近几年来，科学家们建立了多种混沌系统的模型，如：

Logistic映射、Lorenz映射及Henon映射等。

在实现方面，目前的混沌信号产生主要有：

模拟电路法：

该方式主要由运算放大器和储能元件组成。

这些电路包括Chua氏电路、Colpitts振荡电路、Wien氏电桥电路以及由此得到的简化的“二阶”磁滞型混沌电路等。

这类系统是根据由混沌微分方程所给定的模型，利用储能元件（电容、电感）、非线性器件和自动控制理论的有关知识来设计混沌信号产生电路。

它的特点是实时性比较好，产生混沌信号的方法和电路比较简单，具有较为丰富的频率分量，但缺点时带宽较窄，且不好控制，电路参数的微小变换都可能导致混沌特性的不稳定。

数字电路法：

此类系统是根据离散混沌映射公式而设计的。

因为数字电路中的移位寄存器能够很方便地实现差分运算，故用它可实现混沌信号的产生。

该类系统的特点是电路的形成简单、系统的复杂度低、可直接得到二进制混沌信号，但受到数字电路最高时钟频率或非线性电路中的有源器件带宽的限制，且带宽越高，系统越复杂。

另外，数字电路存在有限字长效应，在一定的精度下，混沌特性可能会变差。

2.2数字混沌调制技术

（1）相干混沌键控调制（CSK）

相干混沌键控系统原理框图如图2.4所示，发射机有两个混沌发生器，分别产生两个混沌样本函数

和

，它们用于承载信息符号

。

在接收端，经同步电路恢复出与发射端一样的混沌信号，该同步信号与接收信号进行相关运算，再经门限判决器恢复发送符号。

假定单个符号发送，则两个相关器的输出分别是

（2.1）

（2.2）

式中T表示比特周期，将两个输出之差送门限判决器，即可恢复发送的符号，

（2.3）

图2-1CSK调制解调原理框图

（2）混沌开关键控COOK

混沌开关键控是CSK的一种特例，它只要一个混沌样本函数，原理如图2.5所示，当信息符号

时，开关闭合，当

时，开关断开。

接收端采用自相关接收机接收。

图2-2混沌开关键控（COOK）系统原理框图

（3）差分混沌移位键控（DCSK）

DCSK调制器通过传输两段连续的混沌样本信号实现对信息符号的调制，第一段信号作为参考，第二段信号作为信息承载信号，当发送的符号为“+1”时，第二段信号与第一段信号一样，当发送的符号为“-1”时，第二段信号是第一段信号的起反信号，原理如图2.6所示。

通常，参考样本占用前半个符号周期，信息承载信号占用后半个周期，因此，如果发送符号为“+1”，发送信号为

（2.4）

如果发送符号为“-1”，发送信号为

（2.5）

式中，

为符号周期，

为混沌信号。

在接收端，通过对参考信号和信息承载信号进行相关运算完成对发送符号的估计，则第l个符号周期相关器输出为

（2.6）

图2-3DCSK系统原理框图

（4）频率调制DCSK（FM-DCSK）

DCSK相对于非相关CSK和COOK的优势在于：

其最佳的判决门限为0，并且不会受信道信噪比的影响。

但DCSK和其它所有的混沌调制一样，存在一个明显缺点是：

即使发送相同的二进制符号，每个符号对应的比特能量也不是恒定的，这将导致性能的损失。

如图2.7所示了DCSK判决统计量在无噪声和有噪声情况下的直方图。

为了解决估算问题，在DCSK的基础上，通过引入FM解决了比特能量不恒定的问题，原理框图如图2.7所示。

图2.9给出了判决统计量的直方图，可以看到当无噪声时，相关器输出的判决统计量仅仅对应了两个符号，因此，FM-DCSK相比于DCSK具有更稳健的性能。

图2-4FM-DCSK系统原理框图

第三章FM-DCSK通信系统及其性能研究

3.1FM-DCSK通信发展

2005年，基于混沌调制的超宽带无线传输技术――直接混沌UWB通信系统由Y.H.Kim、C.C.Chong等人首次提出，并将其作为一项IEEE802.15.4a标准提案提交给到了IEEE802.15.4a工作组。

在最后通过的IEEE802.15.4a标准中，混沌信号作为一种可选的载波形式写入文件。

自此，混沌UWB系统的研究和开发工作进入到了一个新的水平。

在接下来的研究中，诸多潜在的混沌调制方案被尝试着在UWB系统中找到用武之地。

其中，由G.Kolumbán等人提出的调频差分混沌位移键控（FM-DCSK）方案被认为是最有竞争力的方案之一。

因为相比于其他的混沌调制技术，FM-DCSK不仅具有优越的抗噪声性能，而且还在抗多径衰落上表现出了其特有的优势。

G.Kolumbán首次确定了FM-DCSKUWB通信系统的可行性，并且通过对基于混沌脉冲的FM-DCSK方案和传统的高斯脉冲非相关接收方案对比研究，给出了在加性高斯白噪声（AWGN）信道下两者统一的误码性能公式。

S.K.Yong、C.C.Chong等人通过对基于FM-DCSK调制的UWB方案的重要特性和原理的揭示，表明了FM-DCSKUWB系统在多径环境下确实具有潜在的优势。

在系统应用的可行性研究方面，S.Y.Chen、L.Wang等人最近提出了一种适用于FM-DCSKUWB系统的定时同步算法。

该算法具备同步速度快和复杂度低等优势，从而解决了系统接收机实现方面的一大挑战。

3．2FM-DCSK的基本原理

3．2．1FM-DCSK的调制

二元DCSK调制之后的传输信号可以表示为：

其中，基本函数为：

其中，c（t）是某种混沌波形。

当

和互相关（正交性）：

满足成立时，可以得到最佳的调制性能。

因为混沌信号的非周期性和随机性难以估计和保证，带来了每比特能量的估算问题。

为解决估算问题，我们引入FM-DCSK调制，即先对混沌信号进行模拟调频，再将调频后的混沌信号作为载波进行数字调制。

只要比特周期T是正余弦信号周期的整数倍，由于周期的正余弦信号的在一个周期内的能量是恒定的，就可以保证FM-DCSK调制后的信号每比特能量不再随机变化。

而要保证比特周期T是正余弦信号周期的整数倍，只要采用相对混沌信号频率高得多的正余弦信号对混沌信号进行调频，就能很容易的实现。

这样，混沌调制方案普遍存在的估算问题就得以解决。

这样的调制方式就是FM-DCSK调制，它为混沌调制方案应用于现代高速信息传输的通信系统开辟了道路。

FM-DCSK的调制过程如图3-1所示：

图3-1FM-DCSK的调制原理图

由图可以看出，FM-DCSK调制与DCSK调制唯一的不同就在于载波的发生过程：

DCSK直接采用混沌发生器产生的低频混沌信号作为载波，而FM-DCSK的载波采用的是经过模拟调频从而频率提高了的混沌信号。

为了实现无线通信，中心频率通常提高到RF段。

3．2．2FM-DCSK的解调

因为作为载波的混沌信号的非周期性和随机性，所以在接收端精确恢复作为载波的混沌信号是几乎不可能的。

而FM-DCSK和DCSK一样，是将数字信号影射到每个比特周期前后两个半周期的相关性上，于是可以简单的采用差分相干解调，同时还不用FM解调器，从而避免了同步问题。

FM-DCSK差分相干解调的过程和原理与DCSK差分相干解调的一样，这里我们详细分析一下有噪情况下差分相干解调的原理：

其中，

为接收到的信号，可以分解为四项之和。

信号信息是第一项，第二、

三、四项是干扰，不过第四项可以通过信道滤波器消除。

因为估算问题解决了，

，于是我们有z1≈+Eb/2和z2≈-Eb/2。

于是可以简单地通过其结果和0的比较恢复出所传输的信号。

差分相干FM-DCSK的理论噪声性能：

噪声性能依赖于RF带宽

（是信道滤波器带宽B的两倍）和比特持续时间T。

T越小，B越小，噪声性能越好。

当BT=1时，它的噪声性能达到最佳。

3.3FM-DCSK性能仿真及分析

仿真系统框图

FM-DCSK调制解调系统仿真的原理框图如下图所示：

图3-2FM-DCSK调制解调系统仿真原理图

低通等效模型

在RF段，信号频率很高，仿真里就需要很高的采样频率，这样仿真速率和效率就很低。

为了获得较高的仿真速度和效率，就需要降低抽样频率。

为了可以用较低的抽样频率实现仿真，引入低通等效模型。

采用低通等效模型进行仿真，就是将频带信号搬移到基带进行仿真。

框图如下所示：

图3-3FM-DCSK性能仿真实验系统的低通等效模型

仿真参数设置：

混沌信号：

立方映射（Cubicmap），

，扩频因子

=60和120，M=2。

信道环境：

1.AWGN信道：

AWGN信道的模型如图：

图3-4AWGN信道模型

此时，设噪声为0均值，方差为

的高斯白噪声，则

，

为白噪声的功率谱密度，

，则

2．瑞利平衰落信道：

信道模型如图：

信号s经过衰落因子g的乘性作用（瑞利平衰落）后再经过AWGN的加性作用后输出。

其中衰减因子g满足幅度a为（0，1）的瑞利分布，相位θ为（0，2π）的均匀分布。

图3-5瑞利衰落信道模型

误码性能分析：

1.AWGN信道下的误码性能分析：

假定接收滤波器无失真，接收信号仅仅受到均值为0、方差为

的加性白高斯噪声污染且假定发送比特