CN105187347B

CN105187347B - 多元正交混沌移位键控调制解调方法

Info

Publication number: CN105187347B
Application number: CN201510638143.XA
Authority: CN
Inventors: 杨华; 蒋国平
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Nanjing University Of Posts And Telecommunications Nantong Institute Ltd
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2018-05-08
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: CN105187347A

Abstract

本发明公开了多元混沌移位键控调制解调方法，该方法通过对混沌信号进行Hilbert正交变换和正交Walsh序列加权，构造多个彼此正交的混沌载波信号，随后再利用多元正交调制的方法进行调制/解调。该发明消除了现有二进制/多进制DCSK接收机中的延时单元，减少了发射机中的延时单元，降低了实现的复杂度，大大提高了系统的比特传输速率，并且较大程度地提升了系统的比特误码性能。

Description

多元正交混沌移位键控调制解调方法

技术领域

本发明涉及一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，属于通信技术领域。

技术背景

目前，混沌理论在保密通信和扩频通信中的典型应用，其混沌数字调制技术不但可以保留传统扩频通信系统具有的低截获概率和减轻多径效应等特性，而且还在许多其他方面表现出了独特的优势，包括：降低系统的硬件成本；提升通信安全性；适合在多用户环境中有效区分不同用户；提高扩频通信系统的性能等。因此，混沌数字调制技术已成为非线性科学与信息科学界关注和研究的热点问题之一。

但是，在实际信道条件下，目前缺乏在接收端实现混沌同步的可靠和有效的方法。因此，现有的混沌数字调制解调方法大多基于传输参考方法，即把载波信号和携带信息的信号都发送给接收端。其中，差分混沌移位键控(Differential Chaos Shift Keying,DCSK)调制解调方法能够获得较好的误码性能,无需完成信道估计，在许多实际应用场合下(即：包括无线个人局域网、无线传感器网络等)都表现出了很强的竞争力。但是，由于花费了一半的时间和功率发送不含任何信息的参考信号，DCSK系统的比特传输速率和频带利用率都较低。为此，四相混沌移位键控(Quadrature Chaos Shift Keying,QCSK)使用正交的2路混沌信号进行调制，将可实现的比特传输速率提高了一倍，但是系统的比特误码性能并未得到提高。此外，由于DCSK/QCSK在不同的时间段内传输参考信号和信息信号，以保证两者正交，因而发射端和接收端都必须使用延时单元。在超宽带传输时，采用现有工艺集成模拟延时单元几乎不可能，数字方式实现的延时单元则将消耗巨大的功率。针对该问题，码移差分混沌移位键控(Code-Shifted Differential Chaos Shift Keying,CS-DCSK)调制解调方法使用2路Walsh序列区分同时传输的参考信号和信息信号。虽然CS-DCSK消除了接收端的延时单元，但是发射端引入了更多的延时单元，系统的比特传输速率仍然偏低，且系统误码性能却并未提升。而本发明能够很好地解决上面的问题。

发明内容

本发明目的在于针对现有的混沌数字调制解调方法比特传输速率偏低的问题，提出一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，该方法的重复混沌信号发生器产生长度为Nβ的离散重复混沌信号；根据离散重复混沌信号，利用Hilbert正交变换生成2路正交基函数；使用长度为N的Walsh序列对生成的2路正交基函数分别加权，生成2N路混沌正交基函数；将第1路正交基函数作为参考信号，在同相信道中传输；使用状态编码器将当前要传输的信息比特转换为2N个状态系数，每个状态系数分别与对应的混沌正交基函数相乘，生成的多元正交调制信号在正交信道中传输。通过I/Q信道传输的参考信号和信息信号在时域上是重叠的，在相位上是正交的，不同符号对应的信息信号的正交性是通过Hilbert变换和Walsh码的正交性保证的。解调方法的步骤为：通过天线接收信号，将接收信号分别与同相、正交正弦载波相乘；所得2路乘积信号分别经过2路匹配滤波器，对2路匹配滤波器的输出进行采样，分别恢复出离散参考信号序列和离散信息信号序列；根据恢复出的离散参考信号序列，使用Hilbert正交变换生成2路正交基函数；由N阶Walsh序列发生器生成N路正交码，使用生成的N路Walsh序列分别对2路正交基函数进行加权，恢复出2N路混沌正交基函数序列；将恢复出的离散信息信号序列分别与2N路混沌正交基函数序列进项相关，得到2N个相关值；选择最大相关值对应的状态系数为1，使用状态译码器输出log₂2N位信息比特。

方法流程：

步骤1：重复混沌信号发生器根据混沌信号发生器产生的长度为β的离散混沌信号，使用N-1路延时单元D₁,...,D_N-1产生1路离散重复混沌信号，信号长度为Nβ；

步骤2：对步骤1中生成的离散重复混沌信号进行Hilbert正交变换，生成2路正交基函数；

步骤3：由N阶Walsh序列发生器生成N路长度为N、周期为N的Walsh正交码序列，使用生成的N路Walsh序列对步骤2中生成的2路正交基函数分别进行加权，生成2N路混沌正交基函数信号；

步骤4：使用状态编码器将当前要传输的log₂2N位信息比特b₀,b₁,...,b_log22N转换为2N个状态系数a₀,a₁,...,a_2N-1，其中信息比特为“0”或“1”；

步骤5：将步骤4中生成的2N个状态系数分别与步骤3中生成的2N路混沌正交基函数信号相乘，从2N路混沌正交基函数信号中选择一个作为多元正交调制信号；

步骤6：将步骤3中生成的第1路混沌正交基函数作为参考信号，将步骤5中生成的多元正交调制信号作为信息信号，使用两个平方升余弦滚降滤波器(时域冲激响应为h_T(t))，分别完成参考信号和信息信号的信号成形滤波；

步骤7：将步骤6中成形滤波后得到的参考信号、信息信号分别与同相、正交正弦载波相乘；

步骤8：将步骤7中得到的2路信号相加后通过天线发射出去，使用正交的I/Q信道同时传输参考信号和信息信号，参考信号在同相信道中传输，信息信号在正交信道中传输；

步骤9：在接收方，将天线接收的信号分别与同相、正交正弦载波相乘；

步骤10：将步骤9中得到的2路乘积信号分别经过2路匹配滤波器(时域冲激响应h_r(t))，并对2路匹配滤波器的输出进行采样，分别恢复出离散参考信号序列和离散信息信号序列；

步骤11：用步骤10中恢复出的离散参考信号序列替代步骤1中生成的离散重复混沌信号，在接收方重复步骤2至步骤3，恢复出2N路混沌正交基函数序列；

步骤12：将步骤11中得到的2N路混沌正交基函数序列与步骤10中恢复出的离散信息信号序列分别相关，得到2N个相关值；

步骤13：根据步骤12中得到的2N个相关值，选择最大的相关值对应的状态系数为1，使用状态译码器输出log₂2N位解调信息比特。

本发明上述步骤1的离散重复混沌信号在一个符号时间内满足：

x_kβ+i＝x_i，0≤i＜β，0≤k＜N

本发明的信息比特为“0”或“1”，在一个符号时间内传输log₂2N位信息比特b₀,b₁,...,b_log22N，一个符号时间内传输的信息比特与所述状态系数a₀,a₁,...,a_2N-1满足

本发明上述步骤2中产生的2路混沌正交基函数均为长度为Nβ的混沌序列，且满足：

。

本发明的同相、正交正弦载波的中心频率f₀与Walsh序列码元周期T_c满足：

本发明通过I/Q信道传输的参考信号和信息信号在时域上是重叠的，在相位上是正交的，不同符号对应的信息信号的正交性是通过Hilbert变换和Walsh码的正交性保证的。

有益效果：

1、本发明能够避免在接收机中使用延时单元。

2、本发明减少了在发射机中使用的延时单元的数目。

3、本发明有效地提高了系统的比特传输速率。

4、本发明改善了系统的比特误码性能，获得了更低的比特误码率。

附图说明

图1为2N路正交基函数信号的时域结构(即：N＝4)示意图。

图2为重复混沌信号发生器的组成结构示意图。

图3为本发明多元正交混沌移位键控调制器的结构示意图。

图4为本发明多元正交混沌移位键控解调器的结构示意图。

图5为本发明多元正交混沌移位键控(N＝4、N＝16)与QCSK、DCSK在加性高斯白噪声信道中的误码性能对比图。

图6为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明创造作进一步的详细说明。

实施例一

如图1所示，选择在一个符号时间内离散混沌采样数目Nβ为128时，采用N＝4的条件实施8元正交混沌移位键控。

如图2所示，重复混沌信号发生器工作过程如下：

(1)在第1个时隙[0,T_s]内,开关S1直接与混沌信号发生器相连，重复混沌信号发生器直接输出当前混沌信号发生器产生的β(β＝32)个离散混沌信号样值；在第2个时隙[T_s,2T_s]内，开关S₁与延时单元D1相接，重复混沌信号发生器将混沌信号发生器的输出信号延时32个点后输出，即再次输出在第1个时隙内输出的信号；以此类推，在由4个时隙构成的一个符号时间[0,T]内,重复混沌信号发生器将混沌信号发生器在第1个时隙内输出的信号重复4次输出，产生128个离散混沌采样值{x₀,x₁,...,x₁₂₇}，该离散混沌序列为参考信号序列，且满足下式：

x_kβ+i＝x_i，0≤i＜β，0≤k＜N

如图3所示，调制器工作过程如下：

(2)根据(1)中产生的混沌序列，使用Hilbert滤波器构造另一个长度为Nβ(Nβ＝128)的混沌序列生成的2路正交基函数满足：

(3)4阶Walsh码发生器G₁生成4路长度为4的Walsh码序列[W₀,W₁,W₂,W₃]，使用该Walsh码序列对(2)中产生的2路正交基函数进行加权，生成8路混沌正交基函数信号(如图1所示)。具体做法：W₀,W₁,W₂,W₃的第1位分别对第1个时隙内的离散混沌序列{x₀,x₁,...,x₃₁}和加权，W₀,W₁,W₂,W₃的第2位分别对第2个时隙内的离散混沌序列{x₃₂,x₃₃,...,x₆₃}和加权，W₀,W₁,W₂,W₃的第3位分别对第3个时隙内的离散混沌序列{x₆₄,x₆₅,...,x₉₅}和加权，W₀,W₁,W₂,W₃的第4位分别对第4个时隙内的离散混沌序列{x₉₆,x₉₇,...,x₁₂₇}和加权。

(4)根据当前符号时间内要传输的log₂2N(log₂2N＝3)位信息比特b₀,b₁,...,b_log22N，状态编码器生成2N(2N＝8)路状态系数a₀,a₁,...,a_2N-1

(5)将(4)中生成的8路状态系数分别与(3)中生成的8路混沌正交基函数信号相乘，之后将8路乘积信号相加，从中选择出1路基函数信号作为多元正交调制信号；

(6)将(3)中生成的第1路混沌正交基函数信号和(5)中生成的多元正交调制信号分别通过2路平方升余弦滚降滤波器，完成脉冲成形滤波，分别生成适合信道传输的参考信号和信息信号；

(7)将(6)中生成的参考信号和信息信号分别与同相正弦载波和正交正弦载波相乘；

(8)最后,将(7)中得到的2路乘积信号相加后通过天线发射出去，其中同相、正交正弦载波的中心频率f₀与Walsh序列码元周期T_c满足：

如图4所示，本发明的解调器具体的实现过程包括如下：

(9)将天线接收到的信号分别与接收端的同相正弦载波和正交正弦载波相乘，得到的2路乘积信号；

(10)将(9)中得到的2路乘积信号分别经过2路匹配滤波器，在t＝iT_c时刻，开关S₂和S₃分别对2路匹配滤波器的输出采样，恢复出长度为128的离散参考信号序列{y_R,0,y_R,1,...,y_R,127}和离散信息信号序列{y_I,0,y_I,1,...,y_I,127}；

(11)根据(10)中恢复出的参考信号序列，使用Hilbert滤波器恢复出2路对应的混沌正交基函数序列{y_R,0,y_R,1,...,y_R,127}和

(12)4阶Walsh码发生器G₂生成4路长度为4的Walsh码序列[W₀,W₁,W₂,W₃]，使用该Walsh码序列对(11)中恢复出的2路混沌正交基函数序列进行加权，恢复出8路混沌正交基函数序列。具体做法：W₀,W₁,W₂,W₃的第1位分别对第1个时隙内的离散混沌序列{y_R,0,y_R,1,...,y_R,31}和加权，W₀,W₁,W₂,W₃的第2位分别对第2个时隙内的离散混沌序列{y_R,32,y_R,33,...,y_R,63}和加权，W₀,W₁,W₂,W₃的第3位分别对第3个时隙内的离散混沌序列{y_R,64,y_R,65,...,y_R,95}和加权，W₀,W₁,W₂,W₃的第4位分别对第4个时隙内的离散混沌序列{y_R,96,y_R,97,...,y_R,127}和加权。

(13)将(10)中恢复出的离散信息信号序列{y_I,0,y_I,1,...,y_I,127}分别与(12)中恢复出的8路混沌正交基函数序列相乘，并对乘积信号求和，得到8路相关值；

(14)比较(13)中生成的8路相关值，选取最大的相关值对应的状态系数为1，其他7路状态系数均为0，将得到的8路状态系数送入状态译码器，输出3位信息比特译码。

本发明采用计算机仿真对8元正交混沌移位键控(N＝4)和32元正交混沌移位键控(N＝16)进行传输试验。试验中，传输的信息比特数目为10⁶，离散混沌信号由二阶chebyshev多项式映射产生，混沌信号采样频率为1MHz，符号持续时间T＝128μs，每个符号时间内等效的信号采样点数为128，载波中心频率f₀＝20MHz，平方升余弦滚降滤波器滚降系数α＝0.5；8元正交混沌移位键控中，码元周期内等效的信号采样点数β＝32，4路4阶Walsh码序列分别为W₀＝[1,1,1,1]^T,W₁＝[1,-1,1,-1]^T,W₂＝[1,1,-1,-1]^T和W₃＝[1,-1,-1,1]^T；32元正交混沌移位键控中，码元周期内等效信号采样点数β＝8，16路16阶Walsh码序列分别为W₀＝[1,1,1,1，1,1,1,1，1,1,1,1，1,1,1,1]^T,W₁＝[1,-1,1,-1,1,-1,1,-1，1,-1,1,-1,1,-1,1,-1]^T,

W₂＝[1,1,-1,-1，1,1,-1,-1，1,1,-1,-1，1,1,-1,-1]^T,W₃＝[1,-1,-1,1，1,-1,-1,1，1,-1,-1,1，1,-1,-1,1]^T,

W₄＝[1,1,1,1，-1,-1,-1,-1，1,1,1,1，-1,-1,-1,-1]^T,W₅＝[1,-1,1,-1,-1,1,-1,1，1,-1,1,-1,-1,1,-1,1]^T,

W₆＝[1,1,-1,-1，-1,-1,1,1，1,1,-1,-1，-1,-1,1,1]^T,W₇＝[1,-1,-1,1，-1,1,1,-1，1,-1,-1,1，-1,1,1,-1]^T，

W₈＝[1,1,1,1，1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1]^T,W₉＝[1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1]^T,

W₁₀＝[1,1,-1,-1，1,1,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,-1,1,1]^T,W₁₁＝[1,-1,-1,1，1,-1,-1,1,-1,1,1,-1,-1,1,1,-1]^T,

W₁₂＝[1,1,1,1，-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1，1,1,1,1]^T,W₁₃＝[1,-1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,1,-1,1,1,-1,1,-1]^T,

W₁₄＝[1,1,-1,-1，-1,-1,1,1，-1,-1,1,1，1,1,-1,-1]^T,W₁₅＝[1,-1,-1,1，-1,1,1,-1,-1,1,1,-1，1,-1,-1,1]^T，。

图5给出了加性高斯白噪声信道中仿真得到的8元正交混沌移位键控(N＝4)、32元正交混沌移位键控(N＝16)的比特误码率。作为对照，图中还给出了相同条件下仿真得到的DCSK和QCSK的比特误码率。从图中可以看出，多元正交混沌移位键控具有最好的比特误码性能，而且这种性能优势会随着N的增大而愈发明显。

实施例二

如图2所示，本发明还设计一种重复混沌信号发生器，该发生器使用N-1路延时单元，产生长度为Nβ的离散重复混沌信号，该离散重复混沌信号在每个时隙内的信号相同。其结构包括：混沌信号发生器、N-1路延时为β的延时单元D₁,D₂,…D_N-1以及切换开关S₁。

如图3所示，本发明还设计一种多元正交混沌移位键控调制器，其结构包括：重复混沌信号发生器、N阶Walsh码发生器G₁、状态编码器、Hilbert变换器、2N路系数乘法器、2N路加权乘法器、2路脉冲成形滤波器、2路载波乘法器和1路加法器。

如图4所示，本发明还设计一种多元正交混沌移位键控解调器，其结构包括：N阶Walsh码发生器G₂、2路载波乘法器、2路匹配滤波器、2路采样开关S₂和S₃、1路Hilbert变换器、2N路加权乘法器、2N路系数乘法器、N路求和器和1路比较器&状态译码器。

本发明使用正交I/Q信道传输参考信号和信息信号，两者在时域上是重叠的，消除了接收端的延时单元，同时将发射端延时单元的个数减少为N-1。相应的功能由模拟乘法器和加法器实现，可以大大降低实现的复杂度，非常易于集成电路实现。

本发明基于混沌载波，使用多元正交调制产生信息信号，在一个符号时间传输多位信息比特，大大提高了系统可以实现的比特传输速率，同时降低了误码率。

Claims

1.一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤4：使用状态编码器将当前要传输的log₂2N位信息比特转换为2N个状态系数a₀,a₁,...,a_2N-1，其中信息比特为“0”或“1”；

步骤6：将步骤3中生成的第1路混沌正交基函数作为参考信号，将步骤5中生成的多元正交调制信号作为信息信号，使用两个平方升余弦滚降滤波器，时域冲激响应为h_T(t)，分别完成参考信号和信息信号的信号成形滤波；

步骤10：将步骤9中得到的2路乘积信号分别经过2路匹配滤波器，时域冲激响应h_r(t)，并对2路匹配滤波器的输出进行采样，分别恢复出离散参考信号序列和离散信息信号序列；

2.根据权利要求1所述的一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于：所述步骤1的离散重复混沌信号在一个符号时间内满足：

x_kβ+i＝x_i，0≤i＜β，0≤k＜N。

3.根据权利要求1所述的一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于：所述方法的信息比特为“0”或“1”，在一个符号时间内传输log₂2N位信息比特一个符号时间内传输的信息比特与所述状态系数a₀,a₁,...,a_2N-1满足

4.根据权利要求1所述的一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于：所述步骤2中产生的2路混沌正交基函数均为长度为Nβ的混沌序列，且满足：

5.根据权利要求1所述的一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于：所述方法的同相、正交正弦载波的中心频率f₀与Walsh序列码元周期T_c满足：

6.根据权利要求1所述的一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于：所述方法通过I/Q信道传输的参考信号和信息信号在时域上是重叠的，在相位上是正交的，不同符号对应的信息信号的正交性是通过Hilbert变换和Walsh码的正交性保证的。

7.根据权利要求6所述的一种多元正交混沌移位键控调制解调方法，其特征在于：所述方法通过天线接收信号，将接收信号分别与同相、正交正弦载波相乘；所得2路乘积信号分别经过2路匹配滤波器，对2路匹配滤波器的输出进行采样，分别恢复出离散参考信号序列和离散信息信号序列；根据恢复出的离散参考信号序列，使用Hilbert正交变换生成2路正交基函数；由N阶Walsh序列发生器生成N路正交码，使用生成的N路Walsh序列分别对2路正交基函数进行加权，恢复出2N路混沌正交基函数序列；将恢复出的离散信息信号序列分别与2N路混沌正交基函数序列进项相关，得到2N个相关值；选择最大相关值对应的状态系数为1，使用状态译码器输出log₂2N位信息比特。