超寬帶混沌通信技術論述

李寧+劉剛+郭學玲

隨著通信行業的不斷發展，超寬帶混沌通信技術得到了廣泛的應用，其中超寬帶混沌信號具有較寬的頻譜范圍，因此具有高保密性、高速率、抗多徑衰落、低截獲率等優點，已經成為解決通信速率、干擾和安全問題的理想信號。為了更好的提高混沌通信系統的運行速率，本文將會對超寬帶混沌通信技術給予系統的論述。

【關鍵詞】超寬帶 混沌通信技術 探究

混沌雖然隸屬于確定系統，但是卻不可預測，其是非線性動力學系統中獨特的一種運動形式，一般需要借助概率論的方法來對混沌系統的長期行為進行有效的描述。超寬帶混沌系統具有連續寬帶功率譜、隨機行為和對初始條件的敏感性等優點，在信息的編碼、傳輸和安全性方面具有更多的優越性，可以更好的保證信息的傳輸，因此在通信領域得到了廣泛的應用。

1 混沌通信系統概述

與一般通信系統相比，混沌通信系統具有保密性強、復雜度高、不易截獲等優點。根據混沌通信系統所采用的解調方式不同可以將其劃分為兩大類，分別是非相干解調和相干解調。如今，一些學者對混沌同步理論進行了一系列的研究，但是在實際應用中很難實現混沌同步。因此，加大對混沌通信系統中非相干解調的研究具有十分重要的現實意義。目前，應用比較多的非相干解調混沌通信系統有DCSK、COOK、CDSK、FM.DCSK等形式，而DCSK和FM.DCSK應用最為廣泛。DCSK和FM.DCSK形式具有結構簡單、抗多徑性強等特點，但是該過程中一般選擇了差分的解調結構，導致解調模板中包含了噪聲成分，這樣一來與相干解調系統相比就會出現一定的性能損失，導致信號傳輸效率大大降低。

在混沌通信系統中，要對多址通信問題給予充分的考慮，目前提出的多址方式主要包括改變幀結構法、Walsh函數法、CDMA法和加入變換法等。上述方法具有一個共同點就是不同用戶可以占用同一時隙和頻段，但是只能借助不同混沌信號間的低互相關性來進行多址通信，然而這樣的通信系統間會產生較大的干擾，從而影響最終的通信效果。目前在DCSK系統多址方式的條件下又研發出了一種新的跳時多址方式——DCSK系統，其能夠將不同的偽隨機跳時碼分配給不同的用戶，并根據數據信號和跳時碼參考信號進行相同量的跳時。通過對多址系統進行理論推導和分析發現，該方式不僅能夠有效的克服常見多址方案中大量用戶分享同一時隙帶來的對良好抗多徑性破壞和多址干擾的缺點，而且通過對相關參數的調整可以有效的降低誤碼率。

2 混沌通信系統的特點

混沌通信系統屬于近些年來發展起來的一種新型系統，其具有非常誘人的發展前景，已經逐漸發展成為未來通信領域的一個新方向。同時混沌通信系統具有多方面的特點，現對其進行介紹。

2.1 信號的隱蔽性

通常情況下，混沌信號具有寬頻帶、非周期、似噪聲的特性。如Logistic映射混沌系統，與純粹的隨機過程相比，混沌演變的功率譜差異比較小，從而導致竊聽者無法通過頻譜信息來進行混沌信號的跟蹤和竊取，經常被當作噪聲而加以忽略，從而使信號得到安全的傳輸。

2.2 大復雜度

變換序列及其混沌序列所具備的復雜度比較大，一般將序列的等效線性長度定義為復雜度。實際上，混沌序列是由一系列的非線性系統生成的，此時的復雜度就是序列的長度。通過對密碼學原理進行研究發現，復雜度越大，則說明信號越難破譯。

2.3 不可預測性

通過混沌系統生成的混沌序列一般具有對初始條件的敏感依賴性特點。由于混沌具有遍歷性的特征，從而使其具有不可預測性的優勢，借助混沌系統能夠生成大量的混沌序列，方便于通信系統的選址或組網。

2.4 種類繁多

在自然界中，混沌系統是普遍存在的一類現象，因此沒有必要害怕混沌系統被消耗殆盡。雖然已有的混沌系統被不斷被利用，但是新的混沌系統也在不斷的被人類發現，并且不同的混沌信號通過相關變換之后可以使混沌系統具有非常豐富的信息源，從而被廣泛的應用于通信之中。

3 混沌通信系統類型

通常情況下，將混沌通信系統換分為相干通信和非相干通信兩大類，其中相干通信接收端一般需要生成與發送端相同的混沌載波信號，而非相干混沌通信只需要接收到相關信號就能夠對信息進行解調。

3.1 相干混沌通信

目前，傳統通信中的正余弦信號逐漸被混沌信號所取代，并作為信息傳輸的載體，在通信領域中，混沌信號得到了廣泛的應用。在混沌通信系統中，一般需要將信息輸入到混沌系統中，然后對系統的狀態或者參數進行修改，以實現對信號調制的效果，對于調制好的信號可以看作發送信號輸出到接收端，然后對信號進行有效的提取。相干解調一般選擇同步的方法，從而使混沌載波信號得到有效的恢復。一般根據傳輸信號的形式，可以將相干混沌通信劃分為數字通信和模擬通信兩種方式。相干模擬通信中常用的方法包括逆系統方法和混沌掩蓋法，相干數字通信中常用的方法為混沌鍵控。

3.2 非相干混沌通信技術

3.2.1 COOK原理

COOK原理是Chaotic On-Ofr-Keying提出來的，圖1和圖2描述的是混沌通斷鍵控方式的接收機和發射機原理圖。

在圖1和圖2中bj∈（O，1）表示了待發送的第j個數據，當進行符號“1”的發送時，會產生混沌載波x（t），反之如果發送符號“0”時，則會產生空信號。接收端一般會按照設定的門限值來實現對能量的有效檢測，當小于門限值輸出“0”，反之，輸出“1”。當處于比較安靜的環境下時，可以將門限值設定為1比特混沌載波能量的50%。但是在實際使用過程中，COOK信號的比特能量處于不斷的變化之中，同時在噪聲的影響下，最佳門限值也會發生一定的變化。

3.2.2 FM-DCSK原理

FM-DCSK原理是由Frequency Modulated Differential Chaos.Shift.Keying提出來的，圖3和圖4是頻率調制差分混沌鍵控的接收機和發射機原理圖。

與DCSK方式原理圖對比發現，FM-DCSK方式成功加入了頻率調制技術，隨后又進行了DCSK調制。因此，在擁有DCSK方式優點的基礎上，FM-DCSK方式又具備了恒定的比特能量，有效的提高其存儲性能。

4 超寬帶混沌通信系統

通常情況下，超寬帶混沌通信系統具有良好的平穩性，并且他們的信號頻譜比較寬闊，從而使通信系統具有低截獲率和高保密性，同時具有較高的多徑分辨率和較好的抗多徑衰落特點，已經成為解決干擾問題和UWB安全的有效方法之一。IEEE802.15.4a工作組通過對超寬帶混沌通信系統進行研究后，提出了各種低速超寬帶系統，而其中主要的解決方案是混沌方式。超寬帶混沌通信技術除了被應用到民用通信之外，還在軍事通信和保密通信等領域得到了廣泛的應用，并取得了不錯的應用效果。

超寬帶混沌通信系統中信號的產生是其比較關鍵的一項技術，而且越來越多的人開始致力于生成寬帶混沌信號，由于寬帶混沌信號能夠在一定程度上提高系統的抗截獲性、保密性，從而使系統信息的傳輸速率得到有效的提高，并且其生成的混沌信號能夠在超寬帶通信技術系統中被應用。通常情況下，超寬帶通信所使用的超寬頻段為3.1.10.6GHz，極易與其他同頻系統產生干擾。而FCC有效的規范和限制了超寬帶系統的功率譜密度。此外，由于超寬帶通信具有較低的傳輸功率，也會受到周圍噪音和其它同頻無線電的干擾，因此如何解決干擾和兼容問題就成為目前超寬帶通信技術亟待解決的主要問題之一。而超寬帶混沌通信技術的出現有效的解決了上述問題，其不僅能夠有效的抵抗外界干擾，而且還能拓寬超寬帶系統的功率譜密度，從而提高信息的傳輸速度。

5 超寬帶混沌通信技術論述

5.1 超寬帶調制技術

對于單個脈沖來說，其脈沖的位置、幅度和極性變化都可以進行信息的傳遞，而超寬帶調制技術主要包括脈沖位置調制（PPM）、脈沖幅度調制（PAM）、開關鍵控（OOK）和二相調鋅JJJ（BPSK）等。脈沖位置調制（PPM）一般是借助改變脈沖幅度的大小來實現信息傳遞的一種技術；脈沖幅度調制（PAM）不僅可以實現對脈沖幅度極性的改變，而且也可以低脈沖幅度的絕對值大小進行改變。實際上，PAM只是對脈沖幅度的絕對值進行了改變。開關鍵控（OOK）和二相調鋅JJJ（BPSK）是PAM的兩種簡化形式。OOK通過脈沖的有無來進行信號的傳遞，BPSK通過調整脈沖的正負極性來進行信息的傳輸，并且該過程中采用相同絕對值的脈沖幅度。

在PAM、OOK和BPSK調制中，一般采用固定不變的發射脈沖的時間間隔，同時也可以采用發射脈沖相對基準時間的位置或改變發射脈沖的時間間隔來進行信息的傳遞，這就是所謂的PPM的基本原理。在PPM中，一般不會改變脈沖的幅度和極性。

5.2 超寬帶多帶技術

超寬帶多帶技術是近些年來新研發的一種新型超寬帶系統結構。該結構是由Intel等公司首次提出，并在全世界范圍內積極推廣的新型超寬帶系統體制結構。其通常是將FCC允許使用的7.5GHz帶寬按照一定的規范和標準分解成若干部分的頻率子帶，然后借助傳統的載波調制方式來進行信號的傳輸。通過對頻率坐標軸進行分析可以發現，由于多個頻帶呈現出并列的形狀，所以被稱之為多頻帶方式。超寬帶多帶技術在通信領域就要有多方面的優勢，具體介紹如下：

5.2.1 在抗干擾方面，多頻帶超寬帶技術可以有效的避開某些特定的頻帶

例如，美國FCC一般要求超寬帶民用領域選擇7.5GHz的帶寬，但是為了有效的避開IEEE802.11a等無線LAN設備所使用的5GHz頻段，一般不會選擇在該頻段劃分子頻帶。由于世界上不同的國家所采用的頻譜劃分規定存在一定的差異，選擇多頻帶方式不僅可以使配置系統變得更加靈活，而且還能更好的滿足各國頻譜管理規范和標準。

5.2.2 在速率擴展性方面

通常情況下，需要將超寬帶允許使用的頻段按照一定的要求劃分成若干個子頻帶，從而使其具備了從低速到高速的有效擴展，此時就可以根據產品的發展要求和應用的不同需要為其提供更加靈活的傳輸數據率，如果對傳輸速率提出較高要求時，可以通過增加頻段的方式給予有效的解決。在選擇多頻帶方式時，可以不選擇亞納秒級的窄脈沖就能夠有效的達到超過100Mbps的傳輸速率，實現了對接收機、發射機、模數轉換、解調器及基帶數字信號的有效簡化，從而降低了信號處理的難度。同時由于該過程會導致采樣時鐘隨之降低，從而降低了收發信機數字信號處理過程中的時鐘頻率。實際上，數字系統的運行時鐘頻率和功耗基本呈線性關系，系統的功耗一般會隨著時鐘頻率的降低而出現一定幅度的降低，但是可以有效提高系統的實際運行時間，因此該技術在無線手持設備中得到了廣泛的應用。

5.3 相干超寬帶混沌通信系統

5.3.1 PCTH超寬帶系統

自從PCTH超寬帶系統提出之后，越來越多的學者認為可以借助各種不同形式的跳時碼來有效提升多址性能。PCTH模型是目前我們經常使用的多址模型，其一般采用偽混沌作為跳時碼。通過對符號動力學的相關概念進行研究發現，PCTH一般是借助輸入信號來生成非周期的擴頻序列，該技術將多級脈沖位置調制和偽隨機混沌編碼有效的結合在一起。偽隨機混沌編碼器通常選擇了類似卷積碼的方式進行輸入數據的有效編碼，其可以通過生成跳時序列來進行脈沖間隔的隨機分配，從而生成一系列類似噪聲的頻譜。

5.3.2 CPPM超寬帶系統

借助復雜的數字信號處理器所生成的偽隨機序列具有一定的周期性，同時也可以借助一些簡單的非線性電路來生成復雜的非周期混沌信號。CPPM超寬帶系統中所生成的每一個脈沖波形都是固定不變的，但是每一個脈沖間的時間間隔缺是混沌變換的，這樣一來不僅可以有效的去除信號中的周期成分，而且還能使功率譜變得更加平滑。實際上，超寬帶混沌通信系統的狀態信息多發生于相鄰的脈沖之間，此時通過信道誘發的脈沖形狀會對混沌脈位產生器的同步產生輕微的干擾。此時，在較理想的信道情況下進行同步解調，借助濾波器能夠有效的降低噪聲。

圖5是CPPM接收端原理框圖。當收發雙方可以實現有效的同步時，將會使接收方在每一幀的相應位置配備一個檢測窗，然后按照檢測窗的檢測時移來對接收到的信息進行判斷。當檢測窗的檢測時移是△時，則會選擇發送數據為“1”，反之如果檢測窗的檢測時移是0時，則會選擇發送的數據為“0”。通常情況下，檢測窗一般在檢測數據的過程中才會開啟，其余的時間均處于關閉狀態，從而實現對窗外噪聲的有效抑制。

在實際使用過程中，CPPM具有非常地的截獲概率，當非線性關系無法實現有效匹配時，則無法順利完成解調工作。當竊聽者無法及時了解和掌握混沌脈位產生器生成的混沌間隔信息時，將會無法對發送的是0還是1做出準確的判定。該過程中一般將混沌脈位產生器的參數設定為密鑰，從而提升了系統的保密性。由于超寬帶混沌通信系統的非周期性和初值敏感性，可以生成一系列具有良好的低互相關性和自相關性的序列，并將其分配給不同的用戶，有效的實現了多址通信。

6 結束語

近些年來，超寬帶通信技術逐漸發展成為通信領域的新型技術，由于其具有低截獲率和高保密性的特征，因此可以有效解決系統運行過程中的干擾問題和UWB安全問題，從而確保信息的有效傳輸，提高了系統的整體性能。

參考文獻

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作者單位

1.91917部隊 北京市 102401

2.北京農業職業學院 北京市 100083