1、 2010 届毕业设计说明书基于 MATLAB 的调频调幅正交混沌键控的仿真系 、 部： 电气与信息工程系 学生姓名： 郑子龙 指导教师： 贾雅琼 职称 讲师 专 业： 通信技术 班 级： 通信 0701 班 完成时间： 2010 年 5 月 1 - 1 -摘 要随着混沌理论和通信技术的发展，各种通信调制方案的性能也逐渐被人们所研究并掌握。文中通过对现有的CSK、DCSK、和FM-DCSK等混沌数字通信的调制方式经行分析和研究，将调幅、调频、正交相结合提出了一种混沌调制方案调幅调频正交混沌键控技(AF-QCSK)。并对其误码率性能和传输速率进行仿真，结果表明这种改进的调试方案明显提高了系统的通
2、信效率。关键词 混沌；调频；调幅；正交；传输速率；误码率性能ABSTRACTWith the theory of chaos and communication technology, the development of communication modulation scheme of the performance also gradually by study and master. Based on the existing CSK, DCSK, and DCSK - such as FM chaotic modulation of the digital communicatio
3、n mode are analyzed and studied, the amplitude, frequency, is to put forward a photograph with chaotic modulation amplitude frequency modulation scheme - orthogonal chaotic keying technology (AF - QCSK). And on the ber performance and transmission rate, and simulation results show that the improved
4、obviously improved system commissioning scheme of communication efficiency.Keywords chaos；FM, Attenuation； Orthogonal；Transmission rate,； Ber performance1 - 2 -目录1 混沌通信系统发展状况32 正交调制的相关理论52.1 调制的相关理论52.2 正交调制的概念53 混沌键控的相关理论83.1 混沌键控的基本概念83.2 混沌键控调制（CSK）83.3 差分混沌键控调制（DCSK）83.4 调频差分混沌键控（FM-DSCK104 调频调幅
5、正交混沌键控（AF-QCSK）114.1AF-QCSK 的基本原理114.2AF-QCSK的传送速率和误码率125 MATLAB 仿真136 结论16参考文献17致谢181 - 3 -1 混沌通信技术的发展状况1990 年以来，混沌通信和混沌同步技术成为国际和国内通信技术的研究热点。混沌同步控制理论的发展，为混沌在通信领域的应用奠定了理论基础。迄今已经提出的同步混沌通信主要分为：混沌掩盖、混沌参数调整、混沌键控和混沌扩频。分类如图 1.1 所示：图 1.1 混沌通信分类框图混沌掩盖属于混沌模拟通信，其余的三类属于数字通信。混沌掩盖是利用非线性动力学预测技术将掩盖在混沌信号下的传输信号提取出来，
6、它的实现依耐于系统的同步实现程度，因此还不能提供高质量的通信服务，只适应于慢变信号。混沌参数调制是将发送信息隐藏在系统参数内，这种方案关键在于系统参数的回复程度，系统参数的解调对外界干扰比较敏感，从而降低了通信效率。混沌扩频通信就是用混沌序列替代传统通信的伪随机序列，从而适应人们对未来通信的更高要求。由于混沌信号本身的一些特点，因此混沌扩频序列随机性好，保密性高，具有良好的相关特性。可用数目多。混沌扩频通信关键在于混沌扩频序列的选择，对混沌扩频序列的研究也是目前对混沌通信研究的一个重要方面。混沌键控是在发送端有多个混沌系统，根据要传送的码值，选通不同的混沌系统，这样发送信号由一段段代表不同的混
7、沌吸因子的混沌信号组成，发送端的各个混沌系统在接收端有相应的接受系统。将接收的信号驱动各个同步系统，根据一个码元周期内各个同步系统达到的同步情况来判断这个周期内1 - 4 -所传送的码值。在数字混沌通信系统中，混沌键控有很强的抗干扰能力，并能有效地抑制多径干扰对对系统的影响，它在通信方案中占有很大的地位，广大的学者认为其具有较好的发展前景和应用价值。1992 年提出了混沌数字通信，1993 年，首次提出了混沌键控系统的原理和方法。1996 年，由 G.kolumban 提出的基于差分接收基础上的差分混沌键控调制方式，接着又在 DCSK 的基础上提出了一种经过调频使比特能量恒定的调频差分混沌键控
8、的调制方式。随后有很多学者对现有的混沌通信系统的实现方法和性能作了理论上的推导和分析，并在现有的调制方式上做了改进。从 2000 年开始，国际上对混沌通信技术研究的步伐越来越快。2000 年由该领域著名的专家 M.P.Kennedy 和 G.Kolunban 共同主编了关于“非相干混沌通信”专刊，2001 年底，L.Kicarev 等主编的专刊“在现代通信系统中混沌的应用”（IEEE 电路与系统学报-I）的引言指出，基于混沌的通信系统处于成熟的发展状态，确定了几种可能的方案并刻画了其特征”,这次专刊涉及混沌通信的最新研究成果，主要有九个方面：（1） 基于混沌的调制技术（2） 基于混沌相干通信的
9、系统（3） 基于混沌的非相干通信系统（4） 混沌脉冲位置调制技术（5） 利用混沌扩频通信技术（6） 混沌信号的滤波（7） 基于混沌通信的非线性电路（8） 基于混沌的光通信技术（9） 混沌和密码学 在我国，“863”高科技计划信息科技领域就包括了：信息获取与处理技术，通信技术以及中国高速信息示范网等。这样，新兴的混沌保密通信技术正可以为该领域高科技发展提供一个新的生长点。1 - 5 -2 正交调制的相关理论2.1 调制的相关理论基带信号不易在信道中直接传输，因此在信号传输时，通常在发送端将基带信号附加在高频振荡上进行传输，即将信号频谱经行搬移，这个过程就是调制。调制可分为两大类:用正弦高频信号作
10、为载波的正弦波调制；或者用脉冲串构成一组数字信号作为载波的脉冲调制。通常正弦波调制又分为模拟调制和数字调制两种。模拟调制又可分为调幅、调频和调相三种，根据频谱特性的不同，通常把调幅分为 AM、DSB、SSB 和 VSB 调幅等。而调相和调频都是使载波的相角发生变化，所以通常又称为角度调制。调频又可分为窄带调频（NBFM）和宽带调频(WBFM)。二进制数字调制也有三种基本的调制：幅移键控 ASK，频移键控FSK 和相依键控 PSK。多进制数字调制可分为：多进制数字幅度调制（MASK），多进制数字相位调制(MPSK)和多进制数字频率调制系统（MFSK）等。而现在又开发出一系列数字调制新技术，比如有
11、正交幅度调制（QAM），偏移四相相位键控（OQPSK）和最小频移键控(MSK)等。2.2 正交调制的概念若两个独立信号 和 或者同意混沌信号的不同段呈现非常低的互相t1ct2关性，则在足够长的时间间隔 内可以看成正交，即,02.1 201dt假设 是定义在区间 上的混沌参考信号，且 具有零均值，并可以tx,t tx展开傅里叶集数（A=0） 。t/2.2kkAtxsin1以 表示 在 上的平均功率xPt,02.31202kxdtP我们定义正交信号为 ， 上正交且功率相等，即ty,1 - 6 -2.4dtytxPyxyx 02021以上特性等价于2.5,cos21,00 sinsinA1 mkAk
12、mmkk tAt 通过式 2.4 对正交信号 的定义，将 、 扩展成为周期为 的周期信yxy号，可以发现 是 的 Hilbert 变换。tx在间隔 上一个混沌采样函数的正交基可由下式定义：,Ir2.6tyEtxtcyx 1,其中 是 x 或者 y 在 上的能量，因此pEI2.70,100202 dtctdtct yxyx 以上条件暗示 、 的能量在每个间隔 内是常数，特殊情况为 1。混沌txcy I通信的组合可由基信号 、 的线性组合来表示，即xy2.8tcbtamysxs其中 标注表示信号空间的符号，表示为复数形式为s2.91,02dtjss图 2.1 混沌正交调制部分原理图由图 2.1 可
13、知，发送端混沌信号发生器在每个时间间隔 内产生的信号2/T0，相应的正交信号 有 Hilbert 滤波器产生，为了简化计算，假设无时间延迟。xcyc类似于 DCSK，发送符号在前半个码元周期内传送的混沌参考信号 ，后半tcx个周期内传送信号 ，则发送信号可表示为：tms1 - 7 -2.10202TttcETtbaxbyssts 是每比特的能量，T 为码元周期。编码器根据所传符号 S 产生 、 的线bE xCy性组合，位/符转换器将每对信息位 a、b 映射成符号 、 ，对应关系如表 2-sab1 所示。这样每个符号周期 T 传送两位信息，用开关时间为 T/2 的两通道多路器形成发送信号。由于两
14、个信号之间的零相关性，使得在同一信道中传送两路信号而相互之间没有干扰。表 2-1 和 的参数分布sab1 - 8 -3 混沌键控的相关理论3.1 混沌键控的基本概念区间 I 上连续自映射 ，如果满足下面的条件，便可确定他有混沌现象xf存在：。（1） 的周期点的周期无上界f（2）闭区间 I 上存在不可数子集 S，满足1.对于任意的 ， 时syx、 y0suplimffnnn2. 对于任意的 ，s、iflyfxnnn3.对于任意的 和 的任意周期点 y，有0supliffnnn根据上述的定义，对闭区间 I 上连续的函数 ，如果存在一个周期为 3 的周xf期点时就一定存在任何正整数的周期点，即一定出
15、现混沌现象。3.2 混沌键控调制（CSK）混沌键控调制（CSK）是将不同二进制数据 映射到不同的混沌基函数ib上，将调制混沌信号作为载波发送出去，在接收端，按相关接收的原理以一定的方法从混沌信号中恢复出二进制数据。CSK 调制框图如图 3.1 所示：1 - 9 -图 3.1CSK 通信调制端方框图3.3 差分混沌键控调制（DCSK）DCSK 的调制特点是在发送端预先对信息信号模拟编码，每比特信息发送被分成两部分，由相同长度的信号来表示。第一段信号为参考信号而第二段信号为信息信号。当“1”被发送时，信息信号与它所对应的参考信号完全相同；当“0”被发送时，信息信号则等于参考信号取反，即第 个发送的
16、比特信号为l。设扩频系数为 2（即一个码元信息传输时间内，混沌码片的个数）,lb在第 个码字传输时间内，发送端信号表示为：2.11图 3.2DCSK 系统原理框图无线信道选择加性高斯白噪声信道，接收端信号为;2.12kknsr图中， 是均值为 0 功率谱密度为 /2 的加性高斯白噪声的离散采样值。kn0NDCSK 系统相关器的输出可表示为：1 - 10 -2.13第一项为有用信号，第二项和第三项为噪声干扰信号。DCSK 系统在高斯白噪声下的信道的误码率公式为:2.14式中，2.153.4 调频差分混沌键控（FM-DSCK）FM-DCSK 是将频率调制和 DCSK 相结合产生复合调制方式。它的目
17、标就是产生一个具有恒定比特能量 的宽带 DCSK 信号，原理图如图 3.3 所示：BE图 3.3FM-DCSK 原理图混沌信号 经频率调制器调制后输出为：tc2.16其中 是载波幅度， 是载波频率， 是调频系数， 。与cAcffkTEAbc2DCSK 相同，每比特信息分为两部分发送，第一部分抽样函数作为参考信号，第二携带信息。发送信号为：1 - 11 -2.17FM-DCSK 的构成就是在 DCSK 系统中加入了一个频率调制器，起作用是将振幅随机变化的混沌信号，变成频率随机变换而振幅一定的的混沌 FM 信号，是每一比特信号能量保持为恒定值，所以不会出现估值问题。FM-DCSK 误码率公式可写为
18、：2.184 调频调幅正交混沌键控（AF-QCSK）的相关理论4.1 AF-QCSK 的基本原理调频调幅正交混沌键控调制框图如图 4.1 所示图 4.1AF-QCSK 调制原理图在发送端，由混沌信号发生器产生混沌信号 c(t)，然后 c(t)分两路经频率调制，两路的幅度不同，要发送的信息序列为 ，取 三位为一组，输入到串/并kb123变换器。 用来控制幅度，则在前半个码元周期 内，发送经幅度和频率1b T0，调制后的参考信号 为tx1 - 12 -tfcc dkAtx02os)( tcc4.10,12CbA其中 和 为幅度， 为载波频率， 为调频系数。设 ， ， 经过1A2ffk12A2b3极
19、性转换器，码“0” 转换为 ”“-1”，码“1”转换为 “+1”，使之分别转换成相应的参数符号 和 ，在 T / 2,T内，将延时 T / 2的混沌信号和延时 T / 2sasb并移相 / 2 的混沌信号分别与参数符号组合输出信息信号，则发送信号函数可表示为4.2信号在传输过程中受到加性高斯白噪声干扰。在接收端，将接收到的信号输入包络检波器，并在间隔 T 时进行抽样判决，若采样值大于门限值则 判为“1”，1b若小于门限值 则判为“0”。同时采用非相干解调方式，得出比特 、 ，1b 23经传输后在接收端的解码 、 。将接收到的信号延时T/2相当于产生了一个23b的同步参考信息，再将其移相 相当于
20、产生了一个 的同步参考信号。tx /ty4.2 AF-QCSK的传送速率和误码率设 的均值为 ，方差 ， 和 分别经过判决器判决，tn0Etn12z2将得到参数符号 和 ，然后再经过符/位转换器得出相应的比特信息 和 ，sab 2b3将解码后 、 、 ，经过并串转换器得到原发送的信息序列。这样在每个码123元周期 T 内，传送了三位比特信息，其数据传送率是 DCSK 速率的三倍。速率提高了，现在分析其在高斯白噪声干扰下的误码率特性。设 为321b“011”，噪声是平稳的 为噪声功率谱密度。假设发送信息“0”、“1”的0N概率相同，误码率 为：BER1 - 13 -4.35 MATLAB 仿真结
21、果在计算机仿真的过程中，为了简便的看出其调制解调过程中波形变换情况，我们假设要发送端信息序列为 10101010， “0”和“1”等概率发送，三位信息位为一个码组，每个码组的第一位信息控制调频载波21P0的幅度。目前研究表明，Logistic 混沌映射有良好的统计和相关特性，混沌信号由 Logistic 映射产生，设映射方程 ，初值 =0.28999 扩频增益tc 21kkx0=20，即 ，调频载波的幅度为 =1v、 =2v，载波频率cbT0A=36MHZ，调频系数 ，信道中，带通滤波器带宽为cf vMHzfkc/2.75/2B，经调制发出去的射频信号的带宽为 B=17MHZ,采样频率为 20
22、MHZ。混沌信号的波形如图 5.1 所示：图 5.1 混沌信号的波形根据发送的信息序列，进过频率调制和幅度选择后的波形如图 5.2 所示：1 - 14 -图 5.2 调幅调频后的波形每个码元周期内发送信息序列于发送调频信号之间的对应关系如图 5.3 所示：图 5.3 信息序列和调制信号之间的对应关系每个码组的第一位信息位是“1”时，发送信号的幅度为 2；若第一位信息位是“0”时，发送信号的幅度为 1，在上如中可以很明显的看出。1 - 15 -图 5.4 理论和仿真误码率曲线图 5.5 误码率性能比较图 5.4 是 AF-QCSK 的理论误码率曲线和仿真曲线，仿真结果和理论差不多。图5.5 是通
23、过计算机仿真将 AF-QCSK 调制在 AWGN 信道下的误码率特性和不同的混沌键控的误码率特性经行比较，并和传统的 FSK 调制相比，由图可知它的误码率特性比 DCSK 的性能好。比 FM-DCSK 的性能差，介于二者之间，在信噪比低于 10 时，其性能和 FM-DCSK 差不多，信噪比较大时，其性能要比dBFM-DCSK 差，由于是调幅和调频相结合的符合调制，调幅的过程也导致了误码率的增加，这和理论结果是一致的。仿真分析结果表明 AF-QCSK 系统和现有的混沌键控方案相比，误码率略差于 FM-DCSK,但是其数据传输率提高了，因为在占有相同带宽的条件下，每个码元周期内的混沌信号携带了三个
24、比特的信息，他的速率是现有 FM-DASK 的三倍，牺牲较小的误码率而得到较快的传输速率是值得的。1 - 16 -6 结论本设计主要介绍了一种改进的混沌键控调制方式，并对其原理框图和实现过程做了阐述，最后通过计算机仿真对其性能作了分析，并和已有的混沌键控方式作了比较得出结论：AF-QCSK 在高斯白噪声干扰下的误码率性能要次于FM-DCSK，但是其数据传送的速率是 FM-DCSK 的三倍。相信在通信技术飞速发展的时代，这种键控方案有着广阔的应用前景。1 - 17 -参考文献1 关新平，范正平， 混沌控制及其在保密通信中的应用M,北京：国防工业出版社，2002；Guan XinPing, Fan
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26、002,97:71-803 王玫，仇洪冰，焦李成等，改进的 FM-DCSK：一种新型的混沌通信调制方式J，电路与系统学报，2003，8(2)：92-96；WangMei, Qiu HongBing, Jiao LiCheng etc, improved FM - DCSK: a new kind of chaotic communication mode circuits and systemsJ, modulation, 20003,8 (2) : 92-964 马骏，蒋铃鸽，何晨，一种改进的混合差分混沌键控及性能分析J，上海交通大学学报，2004，38(10)：1814-1817 MaJu
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29、rsity journals, 2001,104 (4) : 470-4747 张翌维，柯熙政，张晓奇，一种基于非同步 FM-DCSK 的混沌通信仿真J，2004，31(3)：476-478Zhang Yiwei, Ke Xizheng, Zhang Xiaoji, a DCSK based on asynchronous FM - the chaotic communication simulationJ, 2004.31 (3) : 476-4788 邓成良，丘水生，一种新的混沌调制技术在保密通信中的应用J，南昌大学学报，2004，28（2）：178-182 Deng ChengLiang
30、, Qiu ShuiSheng, a new kind of chaotic modulation technology application in secret communicationJ, nanchang university journals, bone development.cell 1997,89:178-1821 - 19 -致谢“让我怎样感谢你，当我走向你的时候，我原想收获一片雪花，你却给了我整个银色的世界。 ”此时此刻，我觉得，唯有汪国真的诗句方能表达我的感激之意了。要我对每个对我这次做毕业设计提供过帮助的人说句谢谢，我真的不知道该从哪里说。他们那么无私，他们那么真挚，我的感激岂能用三个字来概括了?我只能说，虽不同姓，但是亲似同袍 。我们永远是兄弟，是兄弟，牵着两手就是天地，哥们，那三个字，我不说了。我的老师，虽然你没有给我教过课，但是你做事严谨的态度，对工作认真负责的精神。让我在临走之际，又得到一笔财富。我要毕业了，我拿走的不只是知识和文凭，还有一些会让我受用一生的，却是书本上学不来的东西，这就是你给的。我会记住你的那句话:难也要干，不能避重就轻！感谢母校，您培养了我三年，让我得到了我能得到的，现在我要走了，就让我把我最真挚的感谢和祝福留下，愿您的明天更辉煌，您还很年轻，就像我们一样。1 - 20 -
