混沌硕士论文第三章

第三章混沌保密通信的调制技术研究及性能分析-１９-第三章混沌保密通信的调制技术研究及性能分析§3.1引言进入二十世纪九十年代以来，混沌的研究进入了崭新的阶段，特别是混沌同步研究的进展，使得将混沌技术应用于通信领域成为可能。混沌通信的保密性能好，吸引了相当多的注意力，是个潜力巨大的研究课题。而要利用混沌进行保密通信，除了要解决混沌同步的难题之外，混沌系统的调制技术也是关键技术之一。利用混沌的自同步特性来实现混沌保密通信的方法得到了越来越多的研究。按其调制技术来分，主要有混沌掩盖[25,26]、混沌参数调制[27]、混沌键控[28,29]、混沌编码[30,31]等方案。另外，混沌扩频也有广阔的发展前景。§3.2混沌参数调制混沌参数调制就是在发送端的混沌振荡器，利用原始的有用信息对混沌的某个参数进行调制。这个参数的变化就反映了有用信息的变化。在系统的接收端有一个与发送端同步的混沌系统，这个混沌系统状态的变化同样反映了有用信息的变化。于是利用非线性滤波器就可以检测和恢复原始信息。下面所介绍的基于蔡氏电路的斜率调制在实质上就是有个混沌参数调制。蔡氏电路是一个三维自治振荡系统，其电路图如第一章的图1-1所示，电路由四个线性元件：电感L，电容21,CC，电阻R和一个非线性电阻RN组成。由图可知，蔡氏电路的状态方程为：2332122112111)(11)()(11VLdtdIIVVRCdtdVVfVVRCdtdV(3-1)图3-1蔡氏电路中非线性电阻NR的伏安特性Fig3-1V-AcharacteristicofnonlinearresistanceinChai’scircuitiRGbGbGaE-EuR华南理工大学工学硕士学位论文２０式中：))((21)(1111EVEVGGVGVfbab为非线性电阻RN的伏安特性,如图3-1所示。RN可以用双运放和6个线性电阻组成[32]，如图3-2所示。在图1-1中RN上并联一个较小的电导g，就会改变图3-1中伏安特性的斜率。如果我们用有用信号u(t)去调制电导g，则图1-1中RN的特性就会随着u（t）的变化而改变，相当于用u（t）去调制RN的斜率，而整个蔡氏电路的混沌状态也将发生连续变化，这意味着此时的混沌信号包含了有用信号u（t）。只要u（t）的幅度被控制在一定的范围内，就不会使电路摆脱混沌状态。在接收端的同步系统中把变化的斜率信息解调出来就可以恢复有用信息u（t）。用耦合法同步的斜率调制混沌保密通信系统的电路如图3-3所示，输入信号u（t）与电容1sCl两端的电压1sV通过相乘器相乘，然后去控制一个VCCS，起调制电导的作用，因而电压1sV就会随着输入信号u（t）幅度的变化而变化。在接收端，由于两个混沌系统保持同步，所以接收端混沌电路的电流电压关系与发送端相同。从电路的分析可以得出，电流)('ti应该与流过发送端的受控电流源的电流相同，即)()()(1'tuVgtitis，而11RsVV，所以)()(1'tuVgtiR，即gVtituR1')()(。将)('ti，1RV输入如图3-4接收端电路中的除法器，并经信号放大，得到输出)()(0tukgtV为u（t）的线性放大。IRVR+-R3+-+--EC-EC+EC-++-+ECR1R2R6R5R43.3K2.2K22K22K220Ω220Ω图3-2蔡氏电路非线性电阻NR的组成Fig3-2Composingofnonlinearresistanceinchai’scircuit－＋LsIs3+Vs2-Cs2+Vs1-Cs1RsU(t)g*v(t)NRsV(t)至接收端图3－3发送端电路图Fig3-3Transmittercircuit－＋LrIr3+Vr2-Cr2+Vr1-Cr1RrNRr图3－4接收端电路图Fig3-4Receivercircuit－＋－＋＋－自发送端ri(t)RRVo(t)K*i(t)第三章混沌保密通信的调制技术研究及性能分析２１混沌参数调制一般用于混沌模拟通信调制，要求收发两端的模拟混沌电路精确匹配，这在实际运用中存在一定的困难。文献[33]中提出了一种基于混沌参数调制的数字通信方法，可以从接收信号中提取混沌载波，而避开了混沌系统的同步，具有一定的借鉴意义。§3.3混沌键控调制混沌键控CSK(ChaosShiftKeying)的原理和方法是Dedieu.H等人在文献[34]中首次提出的，在此基础上又先后提出了改进的混沌键控调制方式。目前，混沌键控技术的实现主要有两类，一类是混沌键控CSK，混沌开关键控COOK(ChaosOn-Off_Keying)为代表；另一类是差分混沌键控DCSK(DifferentialChaosShiftKeying)和调频差分混沌键控FM-DCSK(FrequencyModulationDifferntialChaosShiftKeying)§3.3.1混沌键控（CSK）和混沌开关键控（COOK）调制CSK和COOK是利用所发送的二进制（多进制）数字信号调制发送端混沌系统的参数，是其在两个（多个）值中切换，信息便被编码在两个（多个）混沌吸引子中。在接收端有两个（多个）相同类型的混沌系统组成，其参数分别固定为这两个（多个）值之一。在信息发送间隔间，通过检测各混沌系统的同步误差，就可以判决提出发送的有用信息。CSK的调制方框图如图3-5所示。把数字信号ib分别映射到不同的混沌吸引子中。这些吸引子是不同参数的同一类型的混沌电路产生的。当ib＝1时)()(1tgtsi；当ib＝0时，)()(2tgtsi。CSK的解调方式有相干解调和非相干解调两种。相干解调需要在收发端达到混沌同步，这种方式不仅有保密性，而且抗噪声性能也优于非相干解调。基于同步的相干解调方框图如图3-6所示。发端混振1发端混振1g1(t)g2(t){bi}Si(t)={gi(t)}图3-5CSK调制方框图Fig.3-5CSKmodulator华南理工大学工学硕士学位论文２２接收端混振1和混振2恢复的混沌信号分别为)('1tg和)('2tg。设数字码元ib的比特周期为T，收发两端达到同步的时间为sT，同步后有)()(11tgtg，)()(22tgtg。接收端在TTs内对)(tri进行相关积分，则积分器1和2的输出分别为：dttgtndttgtgdttgtntgdttgtrzTTTTiTTiTTiissss)()()()()()()()()(11111(3-2)dttgtndttgtgdttgtntgdttgtrzTTTTiTTiTTiissss)()()()()()()()()(22221(3-3)当ib＝1时，)()(1tgtsi，)()()(1tntgtri，则1iz的输出（自相关）大于2iz的输出（互相关），经解调后1ib；当ib＝0时，)()(2tgtsi，)()()(2tntgtri，则2iz的输出（自相关）大于1iz的输出（互相关），经解调后0ib。相干解调的缺点是每当ib发生变化时，同步需要重新建立。因此必须保证TsT,所以数据传输率T1受限于sT，而且在较差的信噪比条件下，混沌同步性能较差，导致误码率上升。CSK的非相干解调不需要同步，方法简单，电路易于实现，但也没有保密性能，其解调电路方框图如图3-7所示。由图3-7可知，积分器的输出为：dttndttntgdttgdttntgdttrzTTTTiTTiTTiTTiisssss)()()(2)()()()(2222(3-4)图3-6CSK相干解调电路Fig.3-6CSKcoherentdemodulator+XX收端混振1收端混振2解码TTsdtTTsdt+-TT比较电路Si(t)n(t)ri(t))(1tg)(2tg}{ib第三章混沌保密通信的调制技术研究及性能分析２３显然，上式的干扰项大于（3－2）和（3－3）式的干扰项，说明相干解调的抗噪声性能优于非相干解调。为了提高CSK的抗噪声能力，可以增大传送“1”时能量dttgtgbETTs)()()(11和传送“0”时能量dttgtgbETTs)()()(20之间的差值，这样可以获得较好的抗噪声性能，这就是COOK调制的主要思想。如果输入等概率的“1”，“0”序列，平均比特能量为)(bE，那么传送“1”和“0”的能量分别为2)(bE和0，两个符号代表的能量之间的差值最大，所以COOK的抗噪声性能优于CSK,但是这两种方法都有一个主要的缺点就是判决门限值依赖于信噪比。§3.3.2DSCK和FM-DSCK调制方式DSCK调制方式能使判决门限值固定为一个常数，与信噪比无关。其实现方式是在每个信息发送间隔增加参考消息，该参考消息取决于发送的数字信号，进而实现相关解调。DSCK的调制方框图如图3-8所示，其工作原理为：图3-8DSCK调制电路方框图Fig.3-8DSCKmodulator发端混振延时T/2-1T/2K123{bi}Si(t)图3-7CSK非相干解调电路Fig.3-7CSKnoncoherentdemodulatorX解码Tdt0Tri(t)}{ib判决电路门限电平Zi华南理工大学工学硕士学位论文２４当ib＝1时，若2,0Tt，k位于1，若TTt,2，k位于2；当ib＝0时，若2,0Tt，k位于1，若TTt,2，k位于3；由此可得DSCK的调制信号为；当ib＝1时，TtTTtxTttxtsi2)2(20)()((3-5)当ib＝0时，TtTTtxTttxtsi2)2(20)()((3-6)其中：T为数字信号的比特周期。DSCK的解调方框图如图3-9所示，可以得到积分器的输出为：dtTtnTtstntsdtTtrtrziTTiTTiii)2()2()()()2()(22(3-8)传送“1”时，dtTtntndtTtntntsdttszTTTTiTTii)2()()2()()()(2222(3-9)传送“0”时，dtTtntndtTtntntsdttszTTTTiTTii)2()()2()()()(2222(3-10)X解码TTdt2/Tri(t)}{ib判决电路门限电平Zi延时T/2图3-9DCSK解调电路方框图Fig.3-9DCSKdemodulation在DSCK解调方案中，无论是在有噪声还是无噪声的情况下，其判决门限值都可以为0，而且由于参考信号和携带有用信息的信号都经过同一信道，所以DSCK调制对信道畸变不敏感，而且在参数变化较慢（在T内可视为常数）的时变信道中具有较好的抗噪性能。在CSK,COOK,DSCK调制方式中，估计值得非零方差限制了数字信号ib的第三章混沌保密通信的调制技术研究及性能分析２５码率不能太高，使得数据传输率受限。一种提高数据传输率的方法是采用FM-DSCK调制。这种方法的优点是积分器输出为零方差，故其数据传输率不受混沌信号的特性限制，抗噪声性能和误码性能与DSCK相当。§3.4混沌编码调制编码是指对信号的一种变换，分为信源编码和信道编码两种。信源编码主要是为了压缩信息的冗余量，而信道编码是为了保证信息在传输过程中的安全。混沌编码属于信道编码，常采用二进制的形式或ASCII码形式进行。采用混沌编码调制的混沌保密通信系统模型框图如图3-10所示。由图3-10可知该系统为数字调制系统，进入调制器的数字信号为已调混沌序列，是由k个长度为N的自序列构成，总长度M＝kN，k为信息的位数。混沌序列的构成可以采用卷积编码等纠错编码方式，降低系统的误码率。调制可根据信道和频段以及通信质量的要求选择QPSK,MSK等数字通信调制方式。产生混沌序列混沌序列编码调制器已调混沌序列解调器已调混沌序列产生混