基于混沌序列的扩频通信仿真及Simulink实现.docx
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基于混沌序列的扩频通信仿真及Simulink实现
基于混沌序列的扩频通信仿真及Simulink实现
本文研究了混沌序列的特性,它具有确定的、随机的和不可预测的特征,扩频通信技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用,是未来无线通信系统中的关键技术。
使用不同的类噪声编码,不同通信用户可工作在在同一频段、同一工作时间,扩频通信信号不易受干扰,也不容易干扰他人,信号隐蔽,有保密性。
多重扩频信号能共同使用同一频段,可采用随机多址通信方式,通信寻址简单方便,有较好的过负荷能力,能和其他的通信方式混合使用。
本文搭建了产生混沌序列的Simulink仿真模型,并且把该模型应用于直扩通信系统,仿真实现了基于混沌序列的直接扩频系统,仿真出了各种波形,得出了与理论推导相符的结果,利用混沌序列作为扩频序列的扩频系统可以有效提高通信系统可靠性和抗干扰能力,具有较强的理论研究意义和实际应用价值。
关键词
混沌序列;通信仿真;扩频通信
Abstract
Theperformanceofthechaossequencewasstudiedinthisarticle,itisdefinite,unpredictableandrandom.Spreadspectrumtechnologyusedwidelybecauseoftheexcellentcharacteristics.Itisthekeytechnologiesinfuturewirelesscommunicationsystems.Useadifferentclassnoisecode,differentcommunicationusersatthesamefrequencyband,thesameworkinghours,spreadspectrumcommunication,signalislesssusceptibletointerference,noteasytointerferewithanyothers.Signalhiddenconfidentiality,multiplespread-spectrumsignalusingthesamefrequencybandcanberandommultipleaccesscommunication.Communicationsaddressingeasy,ithasagoodcapabilityofoverloadandusewithothermeansofcommunicationmixed.themodeltogeneratechaossequenceswasdesignedandalsoappliedtodirectsequencespreadspectrum(DSSS)communicationsystem;thispaperalsosimulatedDScommunicationsystembasedonchaossequencebydesigningsimulinkmodules,somesimulationexperimentswerealsoimplemented.Bytheoriesstudyingandexperimentalsimulation,itisobviousthatchaosspreadspectrumsequencecanimprovethecommunicationsystemreliabilityandAntijammingcapability,withastrongtheoreticalresearchandpracticalapplicationvalue.
Keywords
Chaossequence;Communicationssimulation;Spreadspectrumcommunication
摘要I
AbstractII
前言1
第一章扩频理论的基础2
1.1扩频通信系统的产生和发展过程2
1.1.1扩频技术的研究现状3
1.1.2扩频系统的概况4
1.1.3扩频技术的展望6
1.2本章小结9
第二章混沌信号理论及其在扩频中的原理11
2.1混沌研究的历史11
2.2混沌同步及其应用12
2.3混沌扩频通信13
2.4本章小结14
第三章基于混沌序列的扩频通信系统15
3.1MATLAB语言简介15
3.2混沌序列扩频通信原理框图16
3.2.1混沌序列性质分析17
3.2.2混沌序列发生器的设计18
3.3基于混沌序列的扩频仿真模型设计19
第四章仿真实验及结果分析21
结论23
参考文献24
附录26
致谢27
前言
扩频通信是一种扩展频谱的通信方式,它是一种传输信号所占带宽大于发送信息所需带宽的传输方式,通过高频码和信息数据调制来完成带宽扩展,用相同码字在接收端进行接收,包括信息数据恢复和解扩[1]。
扩频通信技术最早应用于军事通信中,主要用于对抗外来干扰和进行保密。
在20世纪八十年代,扩频系统便开始应用于民用通信中,渐渐扩大了使用范围。
随后在无绳电话通信系统中,获得了民用通信的首次次成功。
而真正能使扩频通信技术成为现今通信领域研究热点的原因是码分多址技术的应用。
目前信息风暴席卷全球,作为主要战场的信息战将要打响。
信息安全的重要性不仅关系到国家的政治、经济,而且与国家的商务活动和个人也有很大的关系。
只要是关系到通信保密的问题以及进展都会引起各国的高度重视。
扩频技术的理论依据是香农公式,在扩频通信中,扩频码将信号带宽展宽至一定宽度,使系统占用的频带宽度远大于要传输的信号带宽,再进行传输,它表明,通过扩展频带技术,可以大大增加信号抗干扰能力。
在扩频通信的抗干扰、抗噪声基础上,由军用转为民用以后,人们开始广泛的注意和研究。
在CDMA、FDMA中都用到了扩频技术。
扩频通信主要包括直扩、跳扩和混沌扩频等,传统的扩频通信采用M序列,WALSH函数正交码,GOLD序列等等作为伪随机序列码型,这些算法中的扩频码都是伪随机序列,在处理大量数据时,用于编码调制的伪随机序列很长,由此对扩频序列的存储与产生带来麻烦。
另外由于这种序列的周期性,因此它的码数量有限,抗截获能力较差。
这样我们将混沌序列引入到扩频技术中,增强扩频调制的鲁棒性与实用性。
资料表明,他们的自相关函数是理想情况,其中M序列的一个缺点是数目有限,为了增加序列数目,提出GOLD序列,而它的数目也并不多,由于序列码集中和有限的地址码个数,所以很容易被破译而且系统的保密性很差。
所以考虑用混沌序列来替代一般的伪随机序列,所以对混沌序列的研究,为选择扩频序列开启了新的途径。
第一章扩频理论的基础
扩频通信理论概述有关扩频通信技术观点是在1941年由好莱坞女演员HedLamarr和钢琴家GeorgeAntheil提出的[2~3]。
基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路他们申请了美国专利#2.292.387。
不幸的是当时该技术并没有引起美国军方的重视,直到十九世纪八十年代才引起关注将它用于敌对环境中的无线通信系统。
短距离数据收发信机中的典型应用是卫星定位系统(GPS)、3G移动通信、WLAN和蓝牙技术。
扩频技术也为提高无线电频率的利用率提供帮助(无线电频谱是有限的,因此也是一种昂贵的资源)。
1.1扩频通信系统的产生和发展历程
扩频通信技术最早应用于军事中的抗干扰通信中,后来应用于移动通信中,扩频技术的发展经过两个阶段,目前它在这两个领域的地位仍然很重要。
(1)在军事通信中的应用
扩频通信系统产生于50年代中期,其早起的应用包括军事导航系统、抗干扰通信、抗多径实验系统及各个方面[4~5]。
第二次世界大战期间最先形成扩频技术的思想。
战后,决定胜负的重要因素就是干扰和抗干扰技术。
也是在这一时期形成了跳频通信的思路,如果使用编码的频率控制窄带信号,这样可使其占据宽频段中的任何一部分,这样对方如果要进行干扰就必须要维持很宽的频段。
到50年代中期才发展起来真正具有实用性的扩频系统。
第一个被公认的成功的扩频通信系统是麻省理工学院林肯实验室开发的F9C-A/Rake系统,该系统是第一个真正实用的宽带通信系统并在研究过程中首次提出了瑞克接收的概念并成功的应用。
在这段时期同时研制成功了第一个跳频扩频通信系统BLADES,该系统利用移位寄存序列实现纠错编码。
从扩频通信的概念开始成熟以后,在此后的二十多年扩频通信技术虽然得到很大的发展,但基本是硬件的改进和应用领域的拓展。
而扩频技术的另一次大发展的机遇就是个人通信业务的发展。
(2)在民用通信中的应用
80年中期,扩频通信的从军事通信系统中应用到了民用通信中,1985年5月美国联邦通信委员会(FCC)发布了一份关于扩频技术应用的报告[6]。
渐渐的,扩频通信技术的应用空间更为广泛。
扩频技术最初获得成功是应用在无绳电话中,由于当时已经没有可供无绳电话使用的频段,所以利用扩频通信技术可以与其它通信系统共用频段,这样使扩频通信技术在民用通信中获得了第一次的成功。
后来随着技术的发展,码分多址的应用使扩频通信技术成为通信领域的热点研究。
使用扩频技术能够实现码分多址,多址通信就是给每个用户分配不同的扩频码使多用户通信系统中所有用户共享同一频段,对给定用户信号的正确接收可以通过扩频码的自相关特性实现,而利用扩频码的互相关特性可以有效抑制用户之间的干扰。
随着蜂窝移动通信的发展,码分多址技术已经成为关键技术。
对码分多址的研究也成为热潮。
1.1.1扩频技术的研究现状
扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用,到目前为止,其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统,而跳频系统与直扩系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。
一般而言,跳频系统主要在军事通信中对抗故意干扰,在卫星通信中也用于保密通信,而直扩系统则主要是一种民用技术。
对跳频系统的分析,现在仍集中在其对抗各种干扰的性能方面,如对抗部分边带干扰以及多频干扰等。
而直扩系统,即DS-CDMA系统,在移动通信系统中的应用则成为扩频技术的主流。
欧洲的GSM标准和北美的以CDMA技术为基础的IS-95都在第二代移动通信系统(2G)的应用中取得了巨大的成功。
而在目前所有建议的第三代移动通信系统(3G)标准中都采用了某种形式CDMA。
因CDMA技术成为目前扩频技术中研究最多的对象,其中又以码捕获技术和多用户检测(MUD)技术代表了目前扩频技术研究的现状[7~9]。
(1)码捕获
同步的实现是直扩系统中一个关键问题[10~11]。
只有在接收机将本地产生的伪码和接收信号中调制信息的伪码实现同步以后,才有可能实现直序扩频通信的各种优点。
同步过程分为两步来实现:
首先是捕获阶段,实现对接收信号中伪码的粗跟踪;然后是跟踪阶段,实现对伪码的精确跟踪。
目前的研究主要集中在码捕获过程。
目前对码捕获的研究主要集中在对周期较长的码实现捕获的问题,也就是快速捕获的问题。
以前采用的主要是串行捕获方法,这种方案实现简单,但捕获速度不能满足要求。
而现在大规模集成电路的应用使并行捕获方案成为可能,但系统的复杂度很高,因此研究的目标就是实现码捕获时间性能和系统复杂度之间的折衷。
在串行捕获方案中,双停顿时间搜索法和序贯检测法都是缩短捕获时间的有效方法,利用一些新的搜索算法进一步改进这些系统的性能成为研究的热点。
此外以前主要研究的是高斯信道下的捕获性能,现在则考虑到非高斯信道下的捕获性能,以及在有频偏等影响条件下捕获性能。
(2)多用户检测
CDMA系统容量受到来自其他用户的多址干扰的限制,多用户检测能够利用这些多址干扰来改善接收机的性能,因此是一种提高系统容量的有效方法[12~13]。
传统的CDMA接收机是由一系列单用户检测器组成,每个检测器都是与特定扩频码对应的相关器,它并没有考虑多址干扰的结构,而是把来自其它用户的干扰当成加性噪声,因此当用户数量增加时,其性能急剧下降。
通过对所有用户的联合译码可以极大地改善CDMA系统的性能。
但是最优的多用户接收机,其复杂度随用户数量成指数增长,因此在实际通信系统中几乎不可能实现。
这样寻找在性能和复杂度之间折中的次最优多用户检测器成为研究的热点。
目前研究的次最优多用户检测器主要可分为两大类:
线性检测器和反馈检测器。
前者包括解相关检测器、最小均方误差序列检测器等;后者则包括多级检测器、判决反馈检测器、顺序干扰撤销和并行干扰撤销检测器等。
考虑信道编码的多用户接收机又可以分为非迭代接收机和迭代接收机。
这些检测器的实现都需要知道预期用户的扩频码、定时信息以及信道冲击响应,有时还需要知道多用户干扰。
这些信息可以通过发送导频序列获得,但使用导频序列就降低了系统的频谱利用效率,因此不使用导频序列的多用户检测方法,又称为盲多用户检测器,也正在得到深入的研究。
1.1.2扩频系统的概况
扩频通信与光纤通信、卫星通信,一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式[14]。
这种通信方式与常规的窄道通信方式有两种区别,一种是信息的频谱扩展后形成宽带传输,另一种是相关处理后恢复成窄带信息数据。
扩频通信的优点很多,由于扩频通信能大大扩展信号的频谱,发端用扩频码序列进行扩频调制,以及在收端用相关解调技术,使其具有许多窄带通信难于替代的优良性能,能在“军转民”后,迅速推广到各种公用和专用通信网络之中,主要有以下几项特点:
(1)易于重复使用频率,提高了无线频谱利用率
无线频谱十分宝贵,虽然从长波到微波都得到了开发利用,仍然满足不了社会的需求。
在窄带通信中,主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。
为此,世界各国都设立了频率管理机构,用户只能使用申请获准的频率。
扩频通信发送功率极低(1~650mW),采用了相关接收这一高技术,且可工作在信道噪声和热噪声背景中,易于在同一地区重复使用同一频率,也可与现今各种窄道通信共享同一频率资源。
所以,在美国及世界绝大多数国家,扩频通信不需申请频率,任何个人与单位可以无执照使用。
(2)抗干扰性强,误码率低
扩频通信在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而收端又采用相关检测的办法来解扩,使有用宽带信息信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。
这祥,对于各种干扰信号,因其在收端的非相关性,解扩后窄带信号中只有很微弱的成份,信噪比很高,因此抗干扰性强。
在目前商用的通信系统中,扩频通信是唯一能够工作于负信噪比条件下的通信方式。
(3)隐蔽性好,对各种窄带通信系统的干扰很小
由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了,单位频带内的功率很小,信号湮没在噪声里,一般不容易被发现,而想进一步检测信号的参数(如伪随机编码序列)就更加困难,因此说其隐蔽性好。
再者,由于扩频信号具有很低的功率谱密度,它对目前使用的各种窄带通信系统的干扰很小。
(4)可以实现码分多址
扩频通信提高了抗干扰性能,但付出了占用频带宽的代价。
如果让许多用户共用这一宽频带,则可大为提高频带的利用率。
由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制,充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性,在接收端利用相关检测技术进行解扩,则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号,提取出有用信号。
这样一来,在同一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。
(5)抗多径干扰
在无线通信的各个频段,长期以来,多径干扰始终是一个难以解决的问题之一。
在以往的窄带通信中,采用两种方法来提高抗多径干扰的能力:
一是把最强的有用信号分离出来,排除其他路径的干扰信号,即采用分集/接收技术;二是设法把不同路径来的不同延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加,合并成较强的有用信号,即采用梳状滤波器的方法。
这两种技术在扩频通信中都易于实现。
利用扩频码的自相关特性,在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号,或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成,这相当于梳状滤波器的作用。
另外,采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中,由于用多个频率的信号传送同一个信息,实际上起到了频率分集的作用。
(6)能精确地定时和测距
我们知道电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速。
人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间传播的时间,也就等于测量两个物体之间的距离。
在扩频通信中如果扩展频谱很宽,则意味着所采用的扩频码速率很高,每个码片占用的时间就很短。
当发射出去的扩频信号在被测物体反射回来后,在接收端解调出扩频码序列,然后比较收发两个码序列相位之差,就可以精确测出扩频信号往返的时间差,从而算出二者之间的距离。
测量的精度决定于码片的宽度,也就是扩展频谱的宽度。
码片越窄,扩展的频谱越宽,精度越高。
(7)适合数字话音和数据传输,以及开展多种通信业务
扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术,适用于计算机网络,适合于数据传输。
(8)安装简便,易于维护
扩频通信设备是高度集成,采用了现代电子科技的尖端技术,因此,十分可靠、小巧,大量运用后成本低,安装便捷,易于推广应用。
1.1.3扩频技术的展望
(1)扩频技术的发展趋势
从扩频技术的历史可以看出,每一次技术上的大发展都是由巨大的需求驱动的。
军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。
展望未来,第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。
对4G的认识不同,采取的技术解决手段也各不一样[15~16]。
目前实现4G观点主要有2种:
一种是开发新的无线接口和技术;另一种则是集成现有的及未来的无线系统。
在4G网络的实现中,有的技术本身就是扩频技术的延伸,有的则能够很好的与扩频技术结合,还有的则能用于扩频系统的实现,因此这些新技术的发展体现着扩频技术的发展趋势。
(2)超宽带技术
衡量扩频系统的重要指标是扩频增益,在一定的传输带宽下,要提高有效数据的传输速率就要降低扩频增益,而扩频增益的下降也意味着扩频系统性能的降低,因此要提高传输数据速率,而且不降低扩频系统的性能(即保证一定的扩频增益),就只有提高传输带宽。
超宽带(UWB)技术可以看作是一种将传输带宽极大扩展以获得高数据传输速率的扩频技术。
UWB作为一种短距离通信技术在未来无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。
在3G向4G转变的过程中,要求实现无所不在的通信平台,短距离无线设备和业务的设计、配置和应用也达到前所未有的高度。
目前的短距离无线设备和网络主要是基于IEEE802系列无线标准的WLANs/WPANs,但是这些网络和设备都是独立工作的,它们要么单独地工作在室内和办公室环境,要么单独地工作在开阔的公共地区,完全没有考虑它们之间的互连问题。
此外,未来无线通信系统对短距离通信的高速数据传输也会提出更高的要求,而高速数据传输带来的最大问题就是频谱资源紧缺。
UWB技术的出现为解决这些难题提供了可能的方案。
UWB技术通过共享频谱,而不是寻找目前存在但实用性不高的频谱来实现短距离高速数据传输,它有效地解决了频谱分配问题,因此自从FCC在2002年2月14日颁布了将UWB技术用于商用的法规以后,UWB技术的研究热潮始终高涨。
与现有的各种无线通信技术相比,UWB有着明显不同的工作原理和应用特性。
传统的无线通信技术使用连续电波作为通信载波,即用某种调制方式将信号加载到连续电波上,并且连续电波被限定在小范围的频段上(一般约为6MHz)。
而UWB技术不使用连续电波,它通过非常短、非常快而“离散”的电子脉冲来传输信号,由编码来控制脉冲的发送时间,脉冲本身就形成了数字通信中的“0”或“1”,并且脉冲可以覆盖范围非常广泛的频段(可以在几赫到几吉赫之间)。
正是由于其独特的工作原理使它具备下列优点:
隐蔽性好;极低的截获率;处理增益高;多径分辨能力强;传输速率高;系统容量大;低功耗等。
但是UWB系统的实现还有很多关键技术需要突破,因此可以说UWB技术的发展是机遇和挑战并存。
(3)多载波调制技术
多载波调制技术,即正交频分多址(OFDM),是一种有效的传输高速数据的方法,它已经成为一系列重要的高速数据传输应用的标准。
OFDM和CDMA的结合也为解决未来无线通信系统的难题提供了技术选择。
在传统的串行数据系统中,符号是顺序发射的,每个数据符号的频谱都可以占用整个可用频谱。
由于瑞利信道的突发特性,一些邻近的符号可能会由于衰落而受到严重的破坏。
在这种系统中,要实现高速数据传输,要么使用高阶调制牺牲系统性能,要么降低符号间隔使得信道带宽增大。
然而延时扩展使系统具有一个等待周期,这个周期决定下一个脉冲何时可以发射。
同时,这个等待周期要求信号采样速率降低到比延时扩展的倒数小得多的情况以防止符号间干扰。
降低符号间隔使得系统更容易受到延时扩展的干扰。
为了解决串行系统遇到的许多困难,采用并行或多路数据系统是一种可能的解决方案。
并行系统同时传输几个顺序数据流,因此在任何时间内都有多个数据元素在传输。
在这样的系统中,单个数据元素的频谱通常只占用整个可用频谱的一部分。
在典型的并行数据系统中,整个信号频谱分解成N个频率不重叠的子信道。
每个子信道都调制独立的符号,这样N个子信道就实现频率分割。
如果每个独立信道的频谱允许重叠,同时在接收机使每个子信道具有特定的正交限制以便分离,则并行系统利用频谱的效率更高,这就是OFDM的基本思想。
组合CDMA和OFDM的多载波CDMA方案主要可分为两大类:
一种是频域扩展系统,即MC-CDMA(MulticarrierCDMA),也称为OFDM-CDMA;另一种则是时域扩展系统,包括MC-DS-CDMA以及MT-CDMA(MultitoneCDMA)。
MC-CDMA的发射机在频域使用一定的扩频码将原始数据扩展到不同的子载波进行传输。
时域扩展的多载波调制方案又可分为两类。
MC-DS-CDMA的发射机先将原始数据流进行串并变换,然后在时域上使用一定的扩频码对变换后的数据流扩频,再分别调制到不同的子载波上进行传输。
MT-CDMA的发射机结构与MC-DS-CDMA相似,不过它采用的扩频码周期更长。
对这些多载波调制方案的系统实现、检测算法以及误码性能都有较详细的研究比较。
此外,在更通用的MC-DS-CDMA方案则同时在频域和时域对信号进行扩展,并被证明这种调制方案能够适应包括室内、乡村、郊区以及城市在内的各种传播环境,从而适应未来无线通信系统的要求。
此外,一种组合OFDM和MC-DS-CDMA的调制方案,即下行链路采用OFDM而上行链路采用MC-DS-CDMA,成为4G调制标准的候选方案之一。
(4)软件无线电
软件无线电就是将模块化、标准化的硬件单元通过标准接口构成基本平台,并借助软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构。
采用软件无线电的概念,即通过软件加载在一个通用的硬件平台上实现多种功能,为未来通信网络的实现提供了可能的解决方案。
软件无线电通过使用自适应的软件和灵活的硬件平台,能够解决无线产业不断演变和技术革新带来的很多问题。
它在基站和移动终端的软件下载能力,对于运营商和制造商弥补软件缺陷以及实现新功能和业务非常重要。
此外使用软件下载重新配置移动终端是实现多模式终端操作的有效方法,这也为用户通过一个移动终端接入多个通信系统的问题提供解决手段。
扩频技术是未来无线通信系统中的关键技术,而软件无线电是实现未来无线通信系统的有效手段,因此采用软件无线电技术来实现扩频通信系统是很自然的思路。
目前虽然软件无线电还有很多关
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