CD3S通信的软件无线电实现

王洪先，张小孟，袁国刚，胡永江，陈 鹏

(1.中国人民解放军32381部队，北京 100072；2.陆军工程大学，河北 石家庄 050003)

0 引言

混沌信号对初值十分敏感，没有周期，具有良好的类噪声性，在保密通信领域受到广泛关注[1-3]。混沌直接序列扩频(Chaotic Direct Sequence Spread Spectrum,CD3S)通信使用实值混沌序列对信息码扩频，具有保密性高[4]和截获概率低[5]的优点。然而，实值混沌序列的非周期性、非二进制特性以及初值敏感性也使得CD3S通信与传统扩频通信体制并不兼容，难以实现CD3S信号同步解调。目前，国内外关于CD3S通信的研究大多局限于计算机仿真[6-9]，缺少系统实现方面的报道。

软件无线电是将标准化、模块化的硬件单元集成在一个通用平台上，通过软件加载来实现各种类型无线电系统的开放式结构[10]。使用软件无线电技术实现CD3S通信系统，具有方便灵活、易于调试的优点。本文所提的CD3S通信实现方案中，硬件平台仅完成信号的上下变频与采样，由软件实现信号的扩频、调制、同步与解调。

对于CD3S信号的解调问题，本文考虑了混沌扩频码同步、信息码解调、信道估计之间的关联性与差异性，分别利用无损卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter，UKF)、卡尔曼滤波(Kalman Filter，KF)最小均方误差(Minimum Mean Square Error，MMSE)滤波估计混沌码和信道参数与信息码，通过多滤波器联合估计实现CD3S信号解调。由于CD3S信号非二进制信号，且需要考虑系统的保密性能，部分现有的通信信号处理方法并不适用于CD3S信号，本文也对这些方法进行了改进，使之适应CD3S通信系统。

1 CD3S通信基本原理与多滤波器解调算法

1.1 CD3S通信基本原理

CD3S信号由高速率的混沌扩频序列与低速率的二进制信息码相乘得到。CD3S通信系统模型如图1所示。

图1 CD3S通信系统模型Fig.1 Model of the CD3S communication system

图1中,CD3S信号sn的产生可描述为：

sn=bkxn，

(1)

式中，bk为二进制信息码；xn为混沌扩频序列。

混沌扩频序列xn由混沌动力学系统生成，可描述为：

xn+1=f(xn)，

(2)

式中，f(x)为混沌映射方程。

CD3S信号经过高斯白噪声信道传输到接收端，接收信号为：

rn=anxnbk+vn，

(3)

式中，an为信道衰落系数；vn～N[0,R]为信道噪声。

在接收端，利用多滤波器解调模块，对信道衰落系数an、二进制信息码bk及混沌扩频码xn进行联合估计，由带噪声的接收信号rn中解调出信息码。

1.2 多滤波器解调算法

解调CD3S信号可以视为由接收信号rn中恢复信息码bk。在式(3)中，若将anxn整体均视为信道参数，则CD3S信号解调问题可以转化为传统的信道均衡问题。本文使用MMSE滤波[11]实现信息码估计，可描述为：

(4)

由式(4)可知，信息码的估计需要以混沌码估计与信道参数估计为前提。考虑信道参数通常是缓慢变化的，混沌扩频码xn的估计问题可以由如下状态空间模型描述[12]：

(5)

(6)

信道参数估计问题可由状态空间模型描述：

(7)

式中，wn～N[0,Rw]为高斯白噪声。

综上所述，在进行信息码估计、混沌扩频码估计及信道参数估计时，3个滤波器均把另外二者的估计结果作为完成自身估计的系统参数，交替工作，通过联合估计实现信息码的解调。多滤波器解调算法结构模型如图2所示。

图2 多滤波器解调算法结构Fig.2 Structure of the multi-filter demodulation algorithm

多滤波解调算法完整描述如下：

先对混沌码、信道参数及信息码赋初值，从n=2开始循环，每个循环分为4步：

2 系统发收机结构设计

2.1 发射机结构设计

系统发射机结构框图如图3所示。

图3 发射机结构框图Fig.3 Structure of the transmitter

图3中，混沌信号发生器由混沌映射方程与混沌初值构成，用于产生实值混沌扩频码。实值混沌扩频码与信息序列相乘实现混沌扩频。混沌训练序列为一定长度的实值混沌码，用于辅助接收端帧同步。在混沌扩频信号前插入混沌训练序列完成组帧。脉冲成型滤波器对组帧后的信号频域加窗，使之适合射频发射。在发射端，脉冲成型滤波器为一个根升余弦滤波器，在接收端还有一个根升余弦滤波器与之相匹配，共同完成基带滤波。

以上基带信号处理过程均由PC机软件实现。处理完成的基带数据转化为网络字节序后，通过以太网口传输到硬件平台，由硬件平台完成上变频，实现射频发射。

2.2 接收机结构设计

2.2.1 全数字接收机系统组成

接收机采用全数字接收设计，即本地参考载波与采样时钟均独立振荡于固定频率，由软件实现定时同步与载波同步。全数字接收方案有效简化了射频前端设计，也使系统调试更加方便灵活。系统接收机结构框图如图4所示。

图4 接收机结构框图Fig.4 Structure of the receiver

根据发射机系统设计，接收机具体工作流程如下：

① 由硬件平台完成对接收信号的正交解调，并通过以太网口将采样得到的基带数据传输到PC机；

② 对接收到的数据进行匹配滤波，降低噪声对信号的干扰；

③ 使用Gardner定时同步算法进行采样同步跟踪；

④ 利用混沌训练序列进行串行相关搜索，完成帧同步；

⑤ 进行频偏校正与相位校正，实现载波同步；

⑥ 通过多滤波联合估计完成信息解调。

上述工作中，定时同步、载波同步及信息解调是接收机设计的难点，信息解调算法已经在前文进行了阐述，定时同步与载波同步的实现方法将在后文进行详细说明。

2.2.2 Gardner定时同步

全数字接收机使用本地独立时钟对接收信号进行采样，需要在数字域内对基带数据进行位定时同步。位同步的要求有2点：一是使收发端码数率相同；二是使接收机在最佳接收时刻对接收码元进行判决。

在经典位同步算法中，Gardner算法既不需要辅助数据，也不需要以载波同步为前提，可用于混沌保密通信。Gardner定时同步环路模型如图5所示[14]。

图5 Gardner定时同步环路模型Fig.5 Model of the timing synchronization loop

Gardner定时误差检测利用相邻码元最佳采样点及相邻码元过渡点的幅度与极性信息提取定时误差，对每个符号的定时误差估计仅需要2个采样点。定时误差通过定时控制器控制插值滤波器工作，即可实现位定时同步。定时误差的计算表达式为：

u(r)=Re{y(r-1/2)[y(r)-y(r-1)]}，

(8)

式中，y(r)为第r个码元的最佳采样点；y(r-1/2)为第r个码元与第r-1个码元间的过渡采样点。

2.2.3 载波同步

载波同步包括2个频率同步和相位同步2个方面。

目前，关于混沌通信频偏估计问题的研究相对较少。考虑到正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation，QAM)通信具有多个幅值状态，混沌通信具有连续幅值状态分布，二者幅值状态上具有一定的相似性，本文选择QAM通信常用的前向频率估计法[15]实现频偏校正。

假设存在频偏的CD3S信号为：

y(n)=snej2πΔfnT+Δθ，

(9)

式中，sn为原CD3S信号；Δf为频偏；Δθ为相偏；T为符号周期。为了消除sn极性对频偏估计的影响，令：

z(n)=y2(n)=|sn|2ej4πΔfnT+2Δθ。

(10)

选取每帧数据的前L个点作为样点，计算z(n)的相关函数：

(11)

结合式(10)与式(11)有：

(12)

由式(12)可得频偏为：

(13)

根据式(13)的频偏估计结果补偿接收信号即可实现频偏校正。

载波同步还需要完成相位校正。相位校正的常用方法是在发射数据帧中插入导频信号，利用帧内导频估计相位偏移。对于CD3S通信[16-17]系统，插入帧内导频将影响信号的类噪声性，降低系统的保密性能，不宜通过帧内导频估计相位偏移[18]。考虑到CD3S信号虽然幅值状态连续分布，但其相位只有0，π两个状态，故只需将频偏校正后的数据旋转到实轴上即可实现相位校正[19]，旋转方向由混沌训练序列确定。

3 实验结果与分析

实验中，混沌序列为CD3S通信常用的改进型Logistics混沌序列，其混沌映射方程为xn=1-2(xn-1)2。混沌序列与信息码相乘生成扩频比为30的CD3S信号，信息码速率为333 kHz，混沌扩频码速率为10 MHz，信号采样速率为40 MHz。完成组帧的CD3S信号如图6所示。由图6可以看出，本系统中CD3S信号良好的类噪声性与保密性未受影响。

图6 CD3S信号波形Fig.6 Waveform of CD3S signals

在接收端，硬件平台对接收信号进行正交解调，并将4倍过采样的接收数据传到PC机。PC机对基带数据进行匹配滤波与定时同步，其波形示意图如图7所示。

(a)基带接收数据波形

频偏校正前后接收基带数据的星座图对比如图8所示。频偏校正前系统存在频率偏差，数据星座图发生旋转。经过频偏校正的数据星座图中，数据只存在固定相位偏差，无频率偏差。

(a) 频偏校正前 (b) 频偏校正后图8 频偏校正前后数据星座图对比Fig.8 Constellation graph comparison before and after frequency offset correction

旋转频偏校正后的数据至实轴即可消除相位偏差，完成载波同步。将载波同步后的数据送入多滤波器解调模块，通过联合估计实现混沌码同步、信道参数估计与信息码解调。混沌码同步曲线如图9所示。由图9可以看出，通过多滤波器联合估计可以实现混沌扩频码同步。信息码解调波形如图10所示。判决MMSE滤波得到的信息码估计值可以恢复信息码。

图9 混沌码同步曲线Fig.9 Chaotic code synchronization waveform

(a)原信息码

4 结束语

本文提出了一种CD3S通信系统的软件无线电实现方案。系统采用全数字接收机设计，由软件实现接收信号的定时同步、载波同步及信息解调，具有复杂度低、易于调试的优点。CD3S信号解调由多滤波器联合估计实现，既充分利用了信息码解调、混沌码同步及信道参数估计三者间的关联性，也考虑了三者间的差异性。实验结果表明，系统保持了CD3S信号良好的类噪声性与保密性，全数字接收机可以完成信号的定时同步、载波同步及信息解调，实现了CD3S信号的有效传输。