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混沌键控通信系统性能分析及实现研究

周志波  
【摘要】:混沌信号由确定性非线性系统产生,不仅具有类似白噪声的宽带及信号永不重复等特性,而且具有类似随机信号的优良自相关函数及互相关函数。此外,一维混沌映射实现简单,电路产生混沌信号的速度高,因此,一维混沌映射产生的混沌信号具备了扩频通信及保密通信所需的优良特性。混沌键控(Chaos shift keying, CSK)通信是混沌在数字通信领域研究较多的基带通信方式,其中非相干(也称为差分)混沌键控(Differential chaos shift keying, DCSK)通信系统由于不需要混沌同步技术因而更实用化,也因此受到了广泛的重视。 通常,人们采用高斯近似(Gaussian Approximation, GA)的方法研究DCSK系统在衰落信道下的性能。在扩频因子较大时,GA方法得到的理论值与仿真值符合;但是扩频因子较小时,GA方法给出的理论值与仿真值不再符合。本文利用精确分析方法(Exact analytical method)研究了DCSK系统在衰落信道下的性能,得到的理论值在任意扩频因子时都与仿真值相符合。 当考虑DCSK系统在带有时延拓展的多径衰落信道下的性能时,人们通常假定混沌的自相关旁瓣为零,然而有些混沌信号的自相关旁瓣的影响并不可忽略。本文考虑了这一影响,拓展了已有的研究结果,使DCSK系统在此情况下的误码率(Bit error rate, BER)计算公式也适合自相关旁瓣不为零的混沌映射。 多址(Multiple-access, MA)能力是现代通信系统所必需的特性。为了满足性能和实现代价之间的折中,人们提出了数量众多的MA-DCSK通信系统结构,然而以往的MA-DCSK基带系统或者电路实现复杂或者硬件开销极大。本文提出了一种改进的MA-DCSK通信系统结构(简称为BWMA-DCSK),此系统利用混沌二进制序列保持码元能量为常值,利用正交Walsh码区分不同的用户;分析了此系统在高斯白噪声信道中的特性,给出了误码率公式,并与经典的MA-DCSK系统的性能作了对比。结果表明,在高斯信道下此系统的性能比经典的MA-DCSK性能要好;数字电路实现的代价也小很多。 人们详细地研究了单用户DCSK系统在衰落信道及带有时延拓展的衰落信道下的性能,在此基础上本文详细分析了几种多用户DCSK系统分别在衰落信道及带有时延拓展的衰落信道下的性能;推导了误码率计算公式,给出了仿真结果;分别对比了这几种MA-DCSK系统在衰落信道及带有时延拓展信道下的性能,结果表明经典的MA-DCSK系统具有最强的抗衰落性能。 本文利用数字电路实现了上述BWMA-DCSK及经典的MA-DCSK系统:首先,通过大量仿真得到了两个一维离散混沌系统的有限精度周期分布,给出了精度与最大周期之间近似的统计关系;其次,通过对比这两个混沌的数字电路性能及硬件开销,选定了较为适合实用的混沌发生器;对比了这两种MA-DCSK系统的调制解调器的电路性能及二者的硬件开销;最后利用Altera FPGA对这两个MA-DCSK系统进行了硬件综合。实现结果表明,在相同条件下,BWMA-DCSK系统能获得较高的时钟频率及较高的数据传输率。


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