李寧+劉剛+郭學(xué)玲

隨著通信行業(yè)的不斷發(fā)展，超寬帶混沌通信技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)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(yōu)點，已經(jīng)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(tǒng)的運行速率，本文將會對超寬帶混沌通信技術(shù)給予系統(tǒng)的論述。

【關(guān)鍵詞】超寬帶 混沌通信技術(shù) 探究

混沌雖然隸屬于確定系統(tǒng)，但是卻不可預(yù)測，其是非線性動力學(xué)系統(tǒng)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(tǒng)的長期行為進(jìn)行有效的描述。超寬帶混沌系統(tǒng)具有連續(xù)寬帶功率譜、隨機行為和對初始條件的敏感性等優(yōu)點，在信息的編碼、傳輸和安全性方面具有更多的優(yōu)越性，可以更好的保證信息的傳輸，因此在通信領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1 混沌通信系統(tǒng)概述

與一般通信系統(tǒng)相比，混沌通信系統(tǒng)具有保密性強、復(fù)雜度高、不易截獲等優(yōu)點。根據(jù)混沌通信系統(tǒng)所采用的解調(diào)方式不同可以將其劃分為兩大類，分別是非相干解調(diào)和相干解調(diào)。如今，一些學(xué)者對混沌同步理論進(jìn)行了一系列的研究，但是在實際應(yīng)用中很難實現(xiàn)混沌同步。因此，加大對混沌通信系統(tǒng)中非相干解調(diào)的研究具有十分重要的現(xiàn)實意義。目前，應(yīng)用比較多的非相干解調(diào)混沌通信系統(tǒng)有DCSK、COOK、CDSK、FM.DCSK等形式，而DCSK和FM.DCSK應(yīng)用最為廣泛。DCSK和FM.DCSK形式具有結(jié)構(gòu)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(diào)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致解調(diào)模板中包含了噪聲成分，這樣一來與相干解調(diào)系統(tǒng)相比就會出現(xiàn)一定的性能損失，導(dǎo)致信號傳輸效率大大降低。

在混沌通信系統(tǒng)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(jié)構(gòu)法、Walsh函數(shù)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(guān)性來進(jìn)行多址通信，然而這樣的通信系統(tǒng)間會產(chǎn)生較大的干擾，從而影響最終的通信效果。目前在DCSK系統(tǒng)多址方式的條件下又研發(fā)出了一種新的跳時多址方式——DCSK系統(tǒng)，其能夠?qū)⒉煌膫坞S機跳時碼分配給不同的用戶，并根據(jù)數(shù)據(jù)信號和跳時碼參考信號進(jìn)行相同量的跳時。通過對多址系統(tǒng)進(jìn)行理論推導(dǎo)和分析發(fā)現(xiàn)，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(guān)參數(shù)的調(diào)整可以有效的降低誤碼率。

2 混沌通信系統(tǒng)的特點

混沌通信系統(tǒng)屬于近些年來發(fā)展起來的一種新型系統(tǒng)，其具有非常誘人的發(fā)展前景，已經(jīng)逐漸發(fā)展成為未來通信領(lǐng)域的一個新方向。同時混沌通信系統(tǒng)具有多方面的特點，現(xiàn)對其進(jìn)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(tǒng)，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(dǎo)致竊聽者無法通過頻譜信息來進(jìn)行混沌信號的跟蹤和竊取，經(jīng)常被當(dāng)作噪聲而加以忽略，從而使信號得到安全的傳輸。

2.2 大復(fù)雜度

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

2.3 不可預(yù)測性

通過混沌系統(tǒng)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(yù)測性的優(yōu)勢，借助混沌系統(tǒng)能夠生成大量的混沌序列，方便于通信系統(tǒng)的選址或組網(wǎng)。

2.4 種類繁多

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

3 混沌通信系統(tǒng)類型

通常情況下，將混沌通信系統(tǒng)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(fā)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(guān)信號就能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行解調(diào)。

3.1 相干混沌通信

目前，傳統(tǒng)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?shù)妮d體，在通信領(lǐng)域中，混沌信號得到了廣泛的應(yīng)用。在混沌通信系統(tǒng)中，一般需要將信息輸入到混沌系統(tǒng)中，然后對系統(tǒng)的狀態(tài)或者參數(shù)進(jìn)行修改，以實現(xiàn)對信號調(diào)制的效果，對于調(diào)制好的信號可以看作發(fā)送信號輸出到接收端，然后對信號進(jìn)行有效的提取。相干解調(diào)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(fù)。一般根據(jù)傳輸信號的形式，可以將相干混沌通信劃分為數(shù)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(tǒng)方法和混沌掩蓋法，相干數(shù)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(shù)

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(fā)射機原理圖。

在圖1和圖2中bj∈（O，1）表示了待發(fā)送的第j個數(shù)據(jù)，當(dāng)進(jìn)行符號“1”的發(fā)送時，會產(chǎn)生混沌載波x（t），反之如果發(fā)送符號“0”時，則會產(chǎn)生空信號。接收端一般會按照設(shè)定的門限值來實現(xiàn)對能量的有效檢測，當(dāng)小于門限值輸出“0”，反之，輸出“1”。當(dāng)處于比較安靜的環(huán)境下時，可以將門限值設(shè)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(fā)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(diào)制差分混沌鍵控的接收機和發(fā)射機原理圖。

與DCSK方式原理圖對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)M-DCSK方式成功加入了頻率調(diào)制技術(shù)，隨后又進(jìn)行了DCSK調(diào)制。因此，在擁有DCSK方式優(yōu)點的基礎(chǔ)上，F(xiàn)M-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(tǒng)

通常情況下，超寬帶混沌通信系統(tǒng)具有良好的平穩(wěn)性，并且他們的信號頻譜比較寬闊，從而使通信系統(tǒng)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(jīng)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(tǒng)進(jìn)行研究后，提出了各種低速超寬帶系統(tǒng)，而其中主要的解決方案是混沌方式。超寬帶混沌通信技術(shù)除了被應(yīng)用到民用通信之外，還在軍事通信和保密通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了不錯的應(yīng)用效果。

超寬帶混沌通信系統(tǒng)中信號的產(chǎn)生是其比較關(guān)鍵的一項技術(shù)，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(tǒng)的抗截獲性、保密性，從而使系統(tǒng)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(shù)系統(tǒng)中被應(yīng)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(tǒng)產(chǎn)生干擾。而FCC有效的規(guī)范和限制了超寬帶系統(tǒng)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(shù)亟待解決的主要問題之一。而超寬帶混沌通信技術(shù)的出現(xiàn)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(tǒng)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(shù)論述

5.1 超寬帶調(diào)制技術(shù)

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(jìn)行信息的傳遞，而超寬帶調(diào)制技術(shù)主要包括脈沖位置調(diào)制（PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PAM）、開關(guān)鍵控（OOK）和二相調(diào)鋅JJJ（BPSK）等。脈沖位置調(diào)制（PPM）一般是借助改變脈沖幅度的大小來實現(xiàn)信息傳遞的一種技術(shù)；脈沖幅度調(diào)制（PAM）不僅可以實現(xiàn)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(jìn)行改變。實際上，PAM只是對脈沖幅度的絕對值進(jìn)行了改變。開關(guān)鍵控（OOK）和二相調(diào)鋅JJJ（BPSK）是PAM的兩種簡化形式。OOK通過脈沖的有無來進(jìn)行信號的傳遞，BPSK通過調(diào)整脈沖的正負(fù)極性來進(jìn)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(diào)制中，一般采用固定不變的發(fā)射脈沖的時間間隔，同時也可以采用發(fā)射脈沖相對基準(zhǔn)時間的位置或改變發(fā)射脈沖的時間間隔來進(jìn)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(shù)

超寬帶多帶技術(shù)是近些年來新研發(fā)的一種新型超寬帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)是由Intel等公司首次提出，并在全世界范圍內(nèi)積極推廣的新型超寬帶系統(tǒng)體制結(jié)構(gòu)。其通常是將FCC允許使用的7.5GHz帶寬按照一定的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)分解成若干部分的頻率子帶，然后借助傳統(tǒng)的載波調(diào)制方式來進(jìn)行信號的傳輸。通過對頻率坐標(biāo)軸進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，由于多個頻帶呈現(xiàn)出并列的形狀，所以被稱之為多頻帶方式。超寬帶多帶技術(shù)在通信領(lǐng)域就要有多方面的優(yōu)勢，具體介紹如下：

5.2.1 在抗干擾方面，多頻帶超寬帶技術(shù)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(lǐng)域選擇7.5GHz的帶寬，但是為了有效的避開IEEE802.11a等無線LAN設(shè)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(guī)定存在一定的差異，選擇多頻帶方式不僅可以使配置系統(tǒng)變得更加靈活，而且還能更好的滿足各國頻譜管理規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

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(jù)產(chǎn)品的發(fā)展要求和應(yīng)用的不同需要為其提供更加靈活的傳輸數(shù)據(jù)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(dá)到超過100Mbps的傳輸速率，實現(xiàn)了對接收機、發(fā)射機、模數(shù)轉(zhuǎn)換、解調(diào)器及基帶數(shù)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(dǎo)致采樣時鐘隨之降低，從而降低了收發(fā)信機數(shù)字信號處理過程中的時鐘頻率。實際上，數(shù)字系統(tǒng)的運行時鐘頻率和功耗基本呈線性關(guān)系，系統(tǒng)的功耗一般會隨著時鐘頻率的降低而出現(xiàn)一定幅度的降低，但是可以有效提高系統(tǒng)的實際運行時間，因此該技術(shù)在無線手持設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。

5.3 相干超寬帶混沌通信系統(tǒng)

5.3.1 PCTH超寬帶系統(tǒng)

自從PCTH超寬帶系統(tǒng)提出之后，越來越多的學(xué)者認(rèn)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(jīng)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(xué)的相關(guān)概念進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，PCTH一般是借助輸入信號來生成非周期的擴頻序列，該技術(shù)將多級脈沖位置調(diào)制和偽隨機混沌編碼有效的結(jié)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(jìn)行輸入數(shù)據(jù)的有效編碼，其可以通過生成跳時序列來進(jìn)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(tǒng)

借助復(fù)雜的數(shù)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(fù)雜的非周期混沌信號。CPPM超寬帶系統(tǒng)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(tǒng)的狀態(tài)信息多發(fā)生于相鄰的脈沖之間，此時通過信道誘發(fā)的脈沖形狀會對混沌脈位產(chǎn)生器的同步產(chǎn)生輕微的干擾。此時，在較理想的信道情況下進(jìn)行同步解調(diào)，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(dāng)收發(fā)雙方可以實現(xiàn)有效的同步時，將會使接收方在每一幀的相應(yīng)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(jìn)行判斷。當(dāng)檢測窗的檢測時移是△時，則會選擇發(fā)送數(shù)據(jù)為“1”，反之如果檢測窗的檢測時移是0時，則會選擇發(fā)送的數(shù)據(jù)為“0”。通常情況下，檢測窗一般在檢測數(shù)據(jù)的過程中才會開啟，其余的時間均處于關(guān)閉狀態(tài)，從而實現(xiàn)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(dāng)非線性關(guān)系無法實現(xiàn)有效匹配時，則無法順利完成解調(diào)工作。當(dāng)竊聽者無法及時了解和掌握混沌脈位產(chǎn)生器生成的混沌間隔信息時，將會無法對發(fā)送的是0還是1做出準(zhǔn)確的判定。該過程中一般將混沌脈位產(chǎn)生器的參數(shù)設(shè)定為密鑰，從而提升了系統(tǒng)的保密性。由于超寬帶混沌通信系統(tǒng)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(guān)性和自相關(guān)性的序列，并將其分配給不同的用戶，有效的實現(xiàn)了多址通信。

6 結(jié)束語

近些年來，超寬帶通信技術(shù)逐漸發(fā)展成為通信領(lǐng)域的新型技術(shù)，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(tǒng)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(tǒng)的整體性能。

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作者單位

1.91917部隊 北京市 102401

2.北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 北京市 100083