超宽带混沌通信技术的研究

论文摘要

超宽带混沌信号由于频谱宽阔,用于通信具有高速率、高保密性、低截获率、有很好的抗多径衰落等优点,是解决通信速率、安全和干扰问题的理想信号。本文围绕着超宽带混沌信号的产生、超宽带混沌通信系统的构建、调制方式和多址方式等方面,对超宽带混沌通信几个关键性技术进行了系统地研究。主要内容包括如下几个方面:1.在简要论述了混沌系统的特点、分类、研究方法和混沌信号的描述方法的基础上,着重讨论了离散和连续混沌信号的产生方法以及混沌系统的同步理论。针对超宽带视频混沌信号产生的难题,对数字混沌驱动级联Colpitts振荡电路的方法进行了改进,产生了具有宽阔平坦的类噪声频谱、满足超宽带定义的混沌信号,并验证了电路同步的鲁棒性。2.分类研究了常见的相干和非相干解调混沌通信系统,重点讨论了混沌差分键控（DCSK）和调频混沌差分键控（FM-DCSK）系统。考虑到解调模板中的噪声分量是影响FM-DCSK超宽带系统性能的一个重要因素,提出了FM-DCSK的一种改进方案。从理论上分析了系统在加性高斯白噪声信道中误码率的解析式,结果表明改进的系统比改进前对同步的要求降低,而且可以有效地降低解调模板和数据段中的噪声分量。3.由于常见的DCSK多址方案存在以下两个问题:首先所有用户共享同一时隙,只能利用混沌信号的低互相关性来降低多址干扰;其次发送的参考信号和数据信号并不相同或相反,破坏了DCSK系统的良好抗多径性。重点研究了各种DCSK系统的多址实现方案,提出了DCSK系统一种新的跳时多址方式。该方式给每个用户分配不同的伪随机跳时码,根据跳时码参考信号和数据信号进行相同量的跳时。从理论上分析了多址系统在加性高斯白噪声信道中的误码率解析式。分析和仿真结果表明该方式可以很好地解决上述两个问题,并且调整参数可以获得更低的误码率。4.针对跳时脉位调制（TH-PPM）的超宽带系统信号离散功率谱分量集中、易引起多址干扰的缺点,引入了基于Tent映射的混沌脉位调制（CPPM）UWB系统。从理论上推导了其信号的功率谱密度表达式。分析和仿真表明UWB系统CPPM方式可以获得更均匀的功率谱,其离散谱密度明显低于TH-PPM,从而能减少对其它通信系统的干扰、具有更低截获概率和高保密性。5.为了进一步提高混沌通信系统的速率,根据宽带混沌信号极低的互相关特性,提出利用产生的超宽带混沌信号作为载波,构建了多路并行传输的超宽带系统,仿真表明系统在较高的传输速率下具有较低的误码率。6.讨论了UWB FM-DCSK系统和UWB多比特FM-DCSK系统的结构和信号形式,分析了在多径信道下两系统的误码率解析式,结果表明两系统在多径信道下具有良好的性能。给出了UWB FM-DCSK系统在超宽带信道模型下的仿真。提出了一种超宽带频分复用混沌差分键控（FDM-DCSK）系统,从理论上分析了系统在加性高斯白噪声信道中误码率的解析式,仿真表明在相同的误码率条件下,FDM-DCSK比DCSK系统信噪比降低3到4dB,而且具有更高的传输速率。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 混沌通信
• 1.2 超宽带通信
• 1.3 超宽带混沌通信
• 1.4 本文的主要研究内容和创新成果
• 2 混沌系统与混沌信号的基本理论
• 2.1 混沌系统
• 2.1.1 混沌系统的基本特征
• 2.1.2 混沌系统的分类
• 2.2 混沌信号的特征描述
• 2.2.1 Lyapunov指数和Lyapunov谱
• 2.2.1.1 离散系统的Lyapunov指数
• 2.2.1.2 连续时间系统的Lyapunov指数
• 2.2.2 测度熵
• 2.2.3 概率密度函数
• 2.2.4 相关函数
• 2.3 混沌信号的产生方法
• 2.3.1 离散时间序列产生法
• 2.3.2 连续时间混沌产生电路
• 2.3.2.1 Chua氏电路
• 2.3.2.2 Colpitts振荡电路
• 2.3.3 一种超宽带混沌信号产生电路
• 2.4 混沌系统的同步
• 2.4.1 常用的混沌系统的同步方法
• 2.4.2 数字激励两级级联Colpitts振荡混沌电路的同步
• 2.5 本章小结
• 3 混沌通信系统
• 3.1 混沌通信系统的特点
• 3.2 相干混沌通信技术
• 3.2.1 混沌掩盖技术
• 3.2.2 混沌键控技术
• 3.2.2.1 单混沌键控原理
• 3.2.2.2 双混沌键控原理
• 3.3 非相干混沌通信技术
• 3.3.1 COOK原理
• 3.3.2 DCSK原理
• 3.3.3 FM-DCSK原理
• 3.3.4 多比特FM-DCSK原理
• 3.3.5 CDSK原理
• 3.4 多址DCSK系统
• 3.4.1 改变帧结构多址DCSK系统信号
• 3.4.2 CDMA-DCSK多址系统
• 3.4.3 加入变换多址DCSK系统信号
• 3.4.4 跳时多址DCSK系统
• 3.4.4.1 跳时多址DCSK系统信号
• 3.4.4.2 跳时多址DCSK系统性能分析
• 3.4.4.3 跳时多址DCSK系统仿真
• 3.5 改进FM-DCSK系统
• 3.5.1 改进FM-DCSK系统结构
• 3.5.2 改进FM-DCSK系统信号
• 3.5.3 改进FM-DCSK系统性能分析
• 3.5.4 系统仿真
• 3.6 本章小结
• 4 相干超宽带混沌通信系统
• 4.1 传统超宽带技术
• 4.1.1 超宽带信号
• 4.1.2 超宽带调制技术
• 4.1.3 超宽带多带技术
• 4.1.4 传统超宽带系统
• 4.1.4.1 TH-PPM超宽带系统
• 4.1.4.2 DS-BPSK超宽带系统
• 4.2 超宽带信道模型及仿真
• 4.2.1 超宽带信道模型
• 4.2.1.1 信道冲激响应
• 4.2.1.2 总多径增益
• 4.2.1.3 均方根时延扩展
• 4.2.1.4 功率延迟剖面
• 4.2.1.5 超宽带信道模型参数
• 4.2.2 超宽带信道仿真
• 4.3 相干超宽带混沌通信系统
• 4.3.1 PCTH超宽带系统
• 4.3.2 CPPM超宽带系统
• 4.3.2.1 CPPM超宽带系统原理
• 4.3.2.2 CPPM方式信号功率谱分析
• 4.3.2.3 仿真结果与分析
• 4.4 基于多混沌载波的超宽带系统
• 4.4.1 发射机
• 4.4.2 接收机
• 4.4.3 仿真与结果
• 4.5 本章小结
• 5 非相干超宽带混沌通信系统
• 5.1 超宽带FM-DCSK系统
• 5.1.1 超宽带FM-DCSK系统结构
• 5.1.2 超宽带FM-DCSK系统信号
• 5.1.3 超宽带FM-DCSK系统性能分析
• 5.1.4 超宽带FM-DCSK系统仿真
• 5.1.5 FM-DCSK系统超宽带信道仿真
• 5.2 超宽带多比特FM-DCSK系统
• 5.2.1 超宽带多比特FM-DCSK系统结构
• 5.2.2 超宽带多比特FM-DCSK系统信号
• 5.2.3 超宽带多比特FM-DCSK系统性能分析
• 5.2.4 超宽带多比特FM-DCSK系统仿真
• 5.3 超宽带频分复用混沌差分键控（FDM-DCSK）系统
• 5.3.1 超宽带FDM-DCSK系统原理
• 5.3.2 系统性能分析
• 5.3.3 仿真结果与分析
• 5.4 本章小结
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间发表和已录用的论文