超宽带混沌通信技术论述

李宁+刘刚+郭学玲

随着通信行业的不断发展，超宽带混沌通信技术得到了广泛的应用，其中超宽带混沌信号具有较宽的频谱范围，因此具有高保密性、高速率、抗多径衰落、低截获率等优点，已经成为解决通信速率、干扰和安全问题的理想信号。为了更好的提高混沌通信系统的运行速率，本文将会对超宽带混沌通信技术给予系统的论述。

【关键词】超宽带 混沌通信技术 探究

混沌虽然隶属于确定系统，但是却不可预测，其是非线性动力学系统中独特的一种运动形式，一般需要借助概率论的方法来对混沌系统的长期行为进行有效的描述。超宽带混沌系统具有连续宽带功率谱、随机行为和对初始条件的敏感性等优点，在信息的编码、传输和安全性方面具有更多的优越性，可以更好的保证信息的传输，因此在通信领域得到了广泛的应用。

1 混沌通信系统概述

与一般通信系统相比，混沌通信系统具有保密性强、复杂度高、不易截获等优点。根据混沌通信系统所采用的解调方式不同可以将其划分为两大类，分别是非相干解调和相干解调。如今，一些学者对混沌同步理论进行了一系列的研究，但是在实际应用中很难实现混沌同步。因此，加大对混沌通信系统中非相干解调的研究具有十分重要的现实意义。目前，应用比较多的非相干解调混沌通信系统有DCSK、COOK、CDSK、FM.DCSK等形式，而DCSK和FM.DCSK应用最为广泛。DCSK和FM.DCSK形式具有结构简单、抗多径性强等特点，但是该过程中一般选择了差分的解调结构，导致解调模板中包含了噪声成分，这样一来与相干解调系统相比就会出现一定的性能损失，导致信号传输效率大大降低。

在混沌通信系统中，要对多址通信问题给予充分的考虑，目前提出的多址方式主要包括改变帧结构法、Walsh函数法、CDMA法和加入变换法等。上述方法具有一个共同点就是不同用户可以占用同一时隙和频段，但是只能借助不同混沌信号间的低互相关性来进行多址通信，然而这样的通信系统间会产生较大的干扰，从而影响最终的通信效果。目前在DCSK系统多址方式的条件下又研发出了一种新的跳时多址方式——DCSK系统，其能够将不同的伪随机跳时码分配给不同的用户，并根据数据信号和跳时码参考信号进行相同量的跳时。通过对多址系统进行理论推导和分析发现，该方式不仅能够有效的克服常见多址方案中大量用户分享同一时隙带来的对良好抗多径性破坏和多址干扰的缺点，而且通过对相关参数的调整可以有效的降低误码率。

2 混沌通信系统的特点

混沌通信系统属于近些年来发展起来的一种新型系統，其具有非常诱人的发展前景，已经逐渐发展成为未来通信领域的一个新方向。同时混沌通信系统具有多方面的特点，现对其进行介绍。

2.1 信号的隐蔽性

通常情况下，混沌信号具有宽频带、非周期、似噪声的特性。如Logistic映射混沌系统，与纯粹的随机过程相比，混沌演变的功率谱差异比较小，从而导致窃听者无法通过频谱信息来进行混沌信号的跟踪和窃取，经常被当作噪声而加以忽略，从而使信号得到安全的传输。

2.2 大复杂度

变换序列及其混沌序列所具备的复杂度比较大，一般将序列的等效线性长度定义为复杂度。实际上，混沌序列是由一系列的非线性系统生成的，此时的复杂度就是序列的长度。通过对密码学原理进行研究发现，复杂度越大，则说明信号越难破译。

2.3 不可预测性

通过混沌系统生成的混沌序列一般具有对初始条件的敏感依赖性特点。由于混沌具有遍历性的特征，从而使其具有不可预测性的优势，借助混沌系统能够生成大量的混沌序列，方便于通信系统的选址或组网。

2.4 种类繁多

在自然界中，混沌系统是普遍存在的一类现象，因此没有必要害怕混沌系统被消耗殆尽。虽然已有的混沌系统被不断被利用，但是新的混沌系统也在不断的被人类发现，并且不同的混沌信号通过相关变换之后可以使混沌系统具有非常丰富的信息源，从而被广泛的应用于通信之中。

3 混沌通信系统类型

通常情况下，将混沌通信系统换分为相干通信和非相干通信两大类，其中相干通信接收端一般需要生成与发送端相同的混沌载波信号，而非相干混沌通信只需要接收到相关信号就能够对信息进行解调。

3.1 相干混沌通信

目前，传统通信中的正余弦信号逐渐被混沌信号所取代，并作为信息传输的载体，在通信领域中，混沌信号得到了广泛的应用。在混沌通信系统中，一般需要将信息输入到混沌系统中，然后对系统的状态或者参数进行修改，以实现对信号调制的效果，对于调制好的信号可以看作发送信号输出到接收端，然后对信号进行有效的提取。相干解调一般选择同步的方法，从而使混沌载波信号得到有效的恢复。一般根据传输信号的形式，可以将相干混沌通信划分为数字通信和模拟通信两种方式。相干模拟通信中常用的方法包括逆系统方法和混沌掩盖法，相干数字通信中常用的方法为混沌键控。

3.2 非相干混沌通信技术

3.2.1 COOK原理

COOK原理是Chaotic On-Ofr-Keying提出来的，图1和图2描述的是混沌通断键控方式的接收机和发射机原理图。

在图1和图2中bj∈（O，1）表示了待发送的第j个数据，当进行符号“1”的发送时，会产生混沌载波x（t），反之如果发送符号“0”时，则会产生空信号。接收端一般会按照设定的门限值来实现对能量的有效检测，当小于门限值输出“0”，反之，输出“1”。当处于比较安静的环境下时，可以将门限值设定为1比特混沌载波能量的50%。但是在实际使用过程中，COOK信号的比特能量处于不断的变化之中，同时在噪声的影响下，最佳门限值也会发生一定的变化。

3.2.2 FM-DCSK原理

FM-DCSK原理是由Frequency Modulated Differential Chaos.Shift.Keying提出来的，图3和图4是频率调制差分混沌键控的接收机和发射机原理图。

与DCSK方式原理图对比发现，FM-DCSK方式成功加入了频率调制技术，随后又进行了DCSK调制。因此，在拥有DCSK方式优点的基础上，FM-DCSK方式又具备了恒定的比特能量，有效的提高其存储性能。

4 超宽带混沌通信系统

通常情况下，超宽带混沌通信系统具有良好的平稳性，并且他们的信号频谱比较宽阔，从而使通信系统具有低截获率和高保密性，同时具有较高的多径分辨率和较好的抗多径衰落特点，已經成为解决干扰问题和UWB安全的有效方法之一。IEEE802.15.4a工作组通过对超宽带混沌通信系统进行研究后，提出了各种低速超宽带系统，而其中主要的解决方案是混沌方式。超宽带混沌通信技术除了被应用到民用通信之外，还在军事通信和保密通信等领域得到了广泛的应用，并取得了不错的应用效果。

超宽带混沌通信系统中信号的产生是其比较关键的一项技术，而且越来越多的人开始致力于生成宽带混沌信号，由于宽带混沌信号能够在一定程度上提高系统的抗截获性、保密性，从而使系统信息的传输速率得到有效的提高，并且其生成的混沌信号能够在超宽带通信技术系统中被应用。通常情况下，超宽带通信所使用的超宽频段为3.1.10.6GHz，极易与其他同频系统产生干扰。而FCC有效的规范和限制了超宽带系统的功率谱密度。此外，由于超宽带通信具有较低的传输功率，也会受到周围噪音和其它同频无线电的干扰，因此如何解决干扰和兼容问题就成为目前超宽带通信技术亟待解决的主要问题之一。而超宽带混沌通信技术的出现有效的解决了上述问题，其不仅能够有效的抵抗外界干扰，而且还能拓宽超宽带系统的功率谱密度，从而提高信息的传输速度。

5 超宽带混沌通信技术论述

5.1 超宽带调制技术

对于单个脉冲来说，其脉冲的位置、幅度和极性变化都可以进行信息的传递，而超宽带调制技术主要包括脉冲位置调制（PPM）、脉冲幅度调制（PAM）、开关键控（OOK）和二相调锌JJJ（BPSK）等。脉冲位置调制（PPM）一般是借助改变脉冲幅度的大小来实现信息传递的一种技术；脉冲幅度调制（PAM）不仅可以实现对脉冲幅度极性的改变，而且也可以低脉冲幅度的绝对值大小进行改变。实际上，PAM只是对脉冲幅度的绝对值进行了改变。开关键控（OOK）和二相调锌JJJ（BPSK）是PAM的两种简化形式。OOK通过脉冲的有无来进行信号的传递，BPSK通过调整脉冲的正负极性来进行信息的传输，并且该过程中采用相同绝对值的脉冲幅度。

在PAM、OOK和BPSK调制中，一般采用固定不变的发射脉冲的时间间隔，同时也可以采用发射脉冲相对基准时间的位置或改变发射脉冲的时间间隔来进行信息的传递，这就是所谓的PPM的基本原理。在PPM中，一般不会改变脉冲的幅度和极性。

5.2 超宽带多带技术

超宽带多带技术是近些年来新研发的一种新型超宽带系统结构。该结构是由Intel等公司首次提出，并在全世界范围内积极推广的新型超宽带系统体制结构。其通常是将FCC允许使用的7.5GHz带宽按照一定的规范和标准分解成若干部分的频率子带，然后借助传统的载波调制方式来进行信号的传输。通过对频率坐标轴进行分析可以发现，由于多个频带呈现出并列的形状，所以被称之为多频带方式。超宽带多带技术在通信领域就要有多方面的优势，具体介绍如下：

5.2.1 在抗干扰方面，多频带超宽带技术可以有效的避开某些特定的频带

例如，美国FCC一般要求超宽带民用领域选择7.5GHz的带宽，但是为了有效的避开IEEE802.11a等无线LAN设备所使用的5GHz频段，一般不会选择在该频段划分子频带。由于世界上不同的国家所采用的频谱划分规定存在一定的差异，选择多频带方式不仅可以使配置系统变得更加灵活，而且还能更好的满足各国频谱管理规范和标准。

5.2.2 在速率扩展性方面

通常情况下，需要将超宽带允许使用的频段按照一定的要求划分成若干个子频带，从而使其具备了从低速到高速的有效扩展，此时就可以根据产品的发展要求和应用的不同需要为其提供更加灵活的传输数据率，如果对传输速率提出较高要求时，可以通过增加频段的方式给予有效的解决。在选择多频带方式时，可以不选择亚纳秒级的窄脉冲就能够有效的达到超过100Mbps的传输速率，实现了对接收机、发射机、模数转换、解调器及基带数字信号的有效简化，从而降低了信号处理的难度。同时由于该过程会导致采样时钟随之降低，从而降低了收发信机数字信号处理过程中的时钟频率。实际上，数字系统的运行时钟频率和功耗基本呈线性关系，系统的功耗一般会随着时钟频率的降低而出现一定幅度的降低，但是可以有效提高系统的实际运行时间，因此该技术在无线手持设备中得到了广泛的应用。

5.3 相干超宽带混沌通信系统

5.3.1 PCTH超宽带系统

自从PCTH超宽带系统提出之后，越来越多的学者认为可以借助各种不同形式的跳时码来有效提升多址性能。PCTH模型是目前我们经常使用的多址模型，其一般采用伪混沌作为跳时码。通过对符号动力学的相关概念进行研究发现，PCTH一般是借助输入信号来生成非周期的扩频序列，该技术将多级脉冲位置调制和伪随机混沌编码有效的结合在一起。伪随机混沌编码器通常选择了类似卷积码的方式进行输入数据的有效编码，其可以通过生成跳时序列来进行脉冲间隔的随机分配，从而生成一系列类似噪声的频谱。

5.3.2 CPPM超宽带系统

借助复杂的数字信号处理器所生成的伪随机序列具有一定的周期性，同时也可以借助一些简单的非线性电路来生成复杂的非周期混沌信号。CPPM超宽带系统中所生成的每一个脉冲波形都是固定不变的，但是每一个脉冲间的时间间隔缺是混沌变换的，这样一来不仅可以有效的去除信号中的周期成分，而且还能使功率谱变得更加平滑。实际上，超宽带混沌通信系统的状态信息多发生于相邻的脉冲之间，此时通过信道诱发的脉冲形状会对混沌脉位产生器的同步产生轻微的干扰。此时，在较理想的信道情况下进行同步解调，借助滤波器能够有效的降低噪声。

图5是CPPM接收端原理框图。当收发双方可以实现有效的同步时，将会使接收方在每一帧的相应位置配备一个检测窗，然后按照检测窗的检测时移来对接收到的信息进行判断。当检测窗的检测时移是△时，则会选择发送数据为“1”，反之如果检测窗的检测时移是0时，则会选择发送的数据为“0”。通常情况下，检测窗一般在检测数据的过程中才会开启，其余的时间均处于关闭状态，从而实现对窗外噪声的有效抑制。

在实际使用过程中，CPPM具有非常地的截获概率，当非线性关系无法实现有效匹配时，则无法顺利完成解调工作。当窃听者无法及时了解和掌握混沌脉位产生器生成的混沌间隔信息时，将会无法对发送的是0还是1做出准确的判定。该过程中一般将混沌脉位产生器的参数设定为密钥，从而提升了系统的保密性。由于超宽带混沌通信系统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关性和自相关性的序列，并将其分配给不同的用户，有效的实现了多址通信。

6 结束语

近些年来，超宽带通信技术逐渐发展成为通信领域的新型技术，由于其具有低截获率和高保密性的特征，因此可以有效解决系统运行过程中的干扰问题和UWB安全问题，从而确保信息的有效传输，提高了系统的整体性能。

参考文献

[1]辛雁峰，卢玲.一种伪混沌认知超宽带频谱构形方法[J].通信技术，2014，6（12）：132-133.

[2]韩燕杰.超宽带无线体域网传输技术研究[D].西安电子科技大学，2014.

[3]董婷.基于CS-DCSK调制的低速率超宽带系统在室内环境下的覆盖范围研究[D].厦门大学，2013.

作者单位

1.91917部队 北京市 102401

2.北京农业职业学院 北京市 100083