專利名稱：一種混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)字通信領(lǐng)域具體為一種基于哈密頓混沌振子相軌跡劃分的混沌多 進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法。
背景技術(shù)：
混沌信號(hào)由于其高度復(fù)雜性，難于預(yù)測(cè)性，寬頻譜特性以及近似正交性，被廣泛的 應(yīng)用于保密通信，擴(kuò)頻通信以及多用戶通信中。目前基于混沌的數(shù)字通信主要集中在混沌鍵控CSK[1]，其作為一種研究較多的 混沌通信方式，已經(jīng)派生出一些各具特色的通信方案，包括差分混沌鍵控DCSK，F(xiàn)M-DCSK等 等。但是這些基于混沌的數(shù)字通信存在以下缺點(diǎn)。首先是以上混沌數(shù)字通信和常規(guī)數(shù)字通 信相比，在相同的信噪比條件下，誤碼率性能均較差；另外目前基于混沌的數(shù)字通信主要集 中在二進(jìn)制上，信息傳輸速率較低，而基于混沌的多進(jìn)制數(shù)字通信則少有研究。文獻(xiàn)[2]提 出了基于洛倫茲模型的混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法，文獻(xiàn)[3]提出了基于蔡式電路的混沌多 進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法，但它們共同的缺點(diǎn)是需要收發(fā)端系統(tǒng)混沌同步，在實(shí)現(xiàn)上比較困難。參考文獻(xiàn)[1]Dedieu H, Kennedy M P, Hasler M.Chaos shift keying :modulation anddemodulation of a chaotic carrier using self-synchronizing Chua ' s circuits. IEEETrans. CAS,1993,40(10) :634_642[2]禹思敏，林清華.基于多渦卷系統(tǒng)的多進(jìn)制數(shù)字混沌鍵控方式[J].中國(guó)圖像 圖形學(xué)報(bào)，2004，9 (12) 1473-1479[3]C. Y.Chee, D. Xu. Chaos-based M_ary digital communication technique usingcontrolled projective synchronisation. IEE Proceedings-Circuits, Devices and Systems,v 153，n 4，p 357-60，17 Aug. 200
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高抗截獲能力，信息傳輸速率，頻譜利用率以 及抗噪聲性能的混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法具體步驟如下(1).多進(jìn)制信息通過(guò)初值映射法得到哈密頓模型的初值；(2).當(dāng)多進(jìn)制信息的同步脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，哈密頓模型獲取初值映射提供的初 值，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到調(diào)制后的混沌基帶信號(hào)；(3).將混沌基帶信號(hào)進(jìn)行線性變換，得到線性變換后的混沌信號(hào)；(4).通過(guò)線性變換后的混沌信號(hào)相軌跡出現(xiàn)的空間區(qū)域，恢復(fù)原始的多進(jìn)制信 肩、o其中初值映射法具體步驟如下
(1).簡(jiǎn)化哈密頓模型相軌跡區(qū)域?qū)⒐茴D模型指紋狀矩形區(qū)域簡(jiǎn)化為單環(huán)狀 區(qū)域，選取經(jīng)過(guò)每個(gè)矩形子區(qū)域橫向軸線1/4分割點(diǎn)的環(huán)狀相軌跡作為觀測(cè)相軌跡，把每 個(gè)環(huán)狀相軌跡記為loopO, loopl,…，loopn,…；(2).確定相軌跡初始點(diǎn)依次選取每個(gè)矩形子區(qū)域橫向中軸線與環(huán)狀相軌跡左 側(cè)交點(diǎn)作為環(huán)狀相軌跡的初始點(diǎn)，初始點(diǎn)坐標(biāo)為(Un(l，vn(1)，計(jì)算哈密頓模型的初值點(diǎn)(xnC1， yn。)，其中xn0 = (un0+vn0)/2n G 0，1，2， ；yn0 = (un0-vn0)/2(3).將得到的初值點(diǎn)數(shù)據(jù)存到存儲(chǔ)器中，建立多進(jìn)制信息與內(nèi)存地址、初值點(diǎn)以 及子區(qū)域的映射關(guān)系，通過(guò)查找內(nèi)存地址獲得與多進(jìn)制信息對(duì)應(yīng)的哈密頓模型初值。其中，哈密頓模型進(jìn)行的迭代運(yùn)算步驟如下(1).哈密頓振子離散模型向連續(xù)模型轉(zhuǎn)換；(2).進(jìn)行連續(xù)混沌模型計(jì)算a.進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即初始化哈密頓模型的初值x (0)、y (0)并將計(jì)數(shù)器初值n置 零；b.對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行判斷，若計(jì)數(shù)器的值為0，則將哈密頓模型的初值x(0) 和y(0)送入保持器，否則將計(jì)算模塊的輸出值X(t)，Y(t)送入保持器；c.進(jìn)行內(nèi)部時(shí)鐘上升沿判斷，內(nèi)部時(shí)鐘頻率f = 1/At，當(dāng)時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)， 將保持器的值送入計(jì)算模塊進(jìn)行一次迭代計(jì)算，并將計(jì)數(shù)器的值加1，否則繼續(xù)進(jìn)行上升沿 檢測(cè)，計(jì)算模塊滿足以下關(guān)系
fX(0 = x(0-jpsin(^(0/2) ！式中，x(t)和y(t)為計(jì)算模塊的輸入，，X(t)，Y(t)為最終輸出的混沌基帶信號(hào)；d.進(jìn)行計(jì)數(shù)值判斷，若計(jì)數(shù)器的值等于N時(shí)，則計(jì)算結(jié)束，否則繼續(xù)將計(jì)算模塊輸 出送給保持器，其中N 彡 50A t*N < mTmT為多進(jìn)制信息碼元周期，A t為采樣間隔。本發(fā)明的有意效果在于創(chuàng)新性地提出了基于哈密頓振子相軌跡空間劃分的混沌 多進(jìn)制調(diào)制方法，一方面充分利用了混沌信號(hào)的在通信中的保密特性，提高通信信號(hào)的抗 截獲能力，另一方面也提高了數(shù)字通信系統(tǒng)信息傳輸速率和頻譜利用率，改善了系統(tǒng)的抗 噪聲性能。
圖1哈密頓振子相軌跡示意圖；圖2線性變換后哈密頓振子相軌跡示意圖；圖3映射初值點(diǎn)選取示意圖；圖4多進(jìn)制信息與內(nèi)存地址及相軌跡映射關(guān)系圖5初值映射法流程圖；圖6哈密頓模型實(shí)現(xiàn)算法流程；
圖7混沌多進(jìn)制調(diào)制實(shí)現(xiàn)流程；
圖8混沌四進(jìn)制調(diào)制仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式1、選取混沌振子模型本專利中采用的哈密頓振子模型為 它的雅克比行列式J為 式中，p為控制參數(shù)，它決定了不同的相軌跡空間是否有重疊，p取0. 1為最佳值。2、繪制哈密頓振子相軌跡圖(1)先給哈密頓映射賦初值[勸，70]，然后利用胞丨1油迭代求解方程(1)，分別得 到離散序列x = [xl，x2，xk,…！和又二^^，又？，…，yk，…]。做序列x關(guān)于序列 y的二維相軌跡。(2)令xO，yO在整個(gè)實(shí)數(shù)域內(nèi)均勻取值，并重復(fù)本步驟中的(1)，則得到哈密頓映 射的環(huán)狀軌道遍布整個(gè)二維空間，形狀為如圖1所示的多個(gè)菱形指紋狀區(qū)域。每個(gè)環(huán)狀相 軌跡可由哈密頓振子的一對(duì)初值[xO，yO]決定(如圖1所示)。3、相軌跡區(qū)域校正及區(qū)域劃分為便于區(qū)域劃分和邊界確定，采用線性坐標(biāo)變換對(duì)二維空間xy進(jìn)行校正，使其轉(zhuǎn) 換為規(guī)則的矩形指紋狀區(qū)域。校正后的二維空間為uv。具體的校正步驟如下(1)對(duì)序列x = [xl，x2，…，xk，…！和又二^^，又〗，…，yk，…]進(jìn)行線性變 換，變換關(guān)系為 因此，uk，vk與xk，yk之間滿足 及. (2)按照xy空間相軌跡繪制的方法，繪制變換后序列u關(guān)于序列v的相軌跡圖，為 分布在整個(gè)相空間中的多個(gè)規(guī)則指紋狀矩形區(qū)域，如圖2所示。從圖2可知，每個(gè)指紋狀矩形區(qū)域的左右邊界可表示為u = 2士4Xm，(m = 0，士 1， 士2，…)；上下邊界可表示為v = 2士4Xn(n = 0，士 1，士2，…)；每個(gè)區(qū)域的大小為4X4。 這些邊界將uv空間劃分成多個(gè)矩形子區(qū)域。每個(gè)子區(qū)域依次記為Z0，Z1，…，Zn，…。
實(shí)施例具體參數(shù)如下(1)系統(tǒng)采樣頻率為400MHz ；(2)m(t)為四進(jìn)制信息序列，m(t) G 0，1，2，3，速率為2M ；(3)四進(jìn)制信息0，1，2，3對(duì)應(yīng)的哈密頓模型的初值(xn0, yn0) (n G 0，1,2,3)分別 為(-0. 5，-4. 5)，(3. 5，-0. 5)，(-4. 5，-0. 5)，(-0. 5,3. 5)；(4)混沌模型的迭代次數(shù)N設(shè)置為100，內(nèi)部時(shí)鐘頻率為200MHz，即在每個(gè)多進(jìn)制 信息碼元周期內(nèi)混沌模型迭代形成兩個(gè)完全重合的環(huán)狀軌跡；首先，多進(jìn)制信息通過(guò)初值映射法得到哈密頓模型的初值，具體步驟為(1).簡(jiǎn)化相軌跡區(qū)域選取多進(jìn)制信息的每個(gè)矩形子區(qū)域橫向軸線1/4分割點(diǎn)的 環(huán)狀相軌跡作為觀測(cè)相軌跡，把每個(gè)環(huán)狀相軌跡記為loopO，loopl，…，loopn，…；(2).確定相軌跡初始點(diǎn)如圖3所示，以矩形區(qū)域Z0為例，選取矩形子區(qū)域橫向 中軸線與環(huán)狀相軌跡loopO左側(cè)交點(diǎn)A作為環(huán)狀相軌跡的初始點(diǎn)，設(shè)初始點(diǎn)坐標(biāo)為A(u00，v00)，則其與哈密頓模型的初值點(diǎn)(x00，y00)滿足以下關(guān) 系
{U00 = -^oo + 少00
voo -xoo ~yoo⑶由(6)得到與該相軌跡對(duì)應(yīng)的哈密頓模型的初值為
\x00=(u00+v00)/2=(uM-vJ/2(7)重復(fù)本步驟中的(1)，算出區(qū)域Z1，Z2，…，Zn，…的各個(gè)環(huán)狀軌跡所對(duì)應(yīng)的哈密 頓模型的初值(xl0,yl0), (x20,y20),…，(xnO, ynO),…，將得到的初值點(diǎn)數(shù)據(jù)存到存儲(chǔ) 器中，存儲(chǔ)單元的地址依次記為A0，A1，…，An，…。(3)建立多進(jìn)制信息與內(nèi)存地址、初值點(diǎn)以及子區(qū)域的映射關(guān)系，如圖4所示。根 據(jù)圖4，建立多進(jìn)制信息到哈密頓振子初值映射的實(shí)現(xiàn)流程，如圖5所示。當(dāng)多進(jìn)制信息的同步脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，哈密頓模型獲取初值映射提供的初值， 進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到調(diào)制后的混沌基帶信號(hào)，具體步驟為(1).哈密頓振子離散模型向連續(xù)模型轉(zhuǎn)換；(2).進(jìn)行連續(xù)混沌模型計(jì)算a.進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即初始化哈密頓模型的初值x (0)、y (0)并將計(jì)數(shù)器初值n置 零；b.對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行判斷，若計(jì)數(shù)器的值為0，則將哈密頓模型的初值x(0) 和y(0)送入保持器，否則將計(jì)算模塊的輸出值X(t)，Y(t)送入保持器；c.進(jìn)行內(nèi)部時(shí)鐘上升沿判斷，內(nèi)部時(shí)鐘頻率f= 1/At，當(dāng)時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)， 將保持器的值送入計(jì)算模塊進(jìn)行一次迭代計(jì)算，并將計(jì)數(shù)器的值加1，否則繼續(xù)進(jìn)行上升沿 檢測(cè)，計(jì)算模塊滿足以下關(guān)系式中，x(t)和y (t)為計(jì)算模塊的輸入，X(t)，Y(t)為最終輸出的混沌基帶信號(hào)；d.進(jìn)行計(jì)數(shù)值判斷，若計(jì)數(shù)器的值等于N時(shí)，則計(jì)算結(jié)束，否則繼續(xù)將計(jì)算模塊輸 出送給保持器。算法流程如圖6所示。其中N為哈密頓模型采樣點(diǎn)數(shù)，At為采樣間隔，采 樣頻率為fs = 1/ A t，其運(yùn)行一次的時(shí)間周期為N* A t，為了保證在多進(jìn)制信息的碼元周期 內(nèi)(設(shè)多進(jìn)制信息碼元周期為mT，碼元速率為Ra= l/(mT))，混沌信號(hào)能形成一個(gè)完整的 環(huán)行相軌跡，則必須滿足以下條件N ^ 50A t*N < mT將混沌基帶信號(hào)進(jìn)行線性變換，得到線性變換后的混沌信號(hào)；通過(guò)線性變換后的混沌信號(hào)相軌跡出現(xiàn)的空間區(qū)域，恢復(fù)原始的多進(jìn)制信息。其中<j 仿真結(jié)果如圖8所示。
權(quán)利要求
一種混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法，其特征是具體步驟如下(1).多進(jìn)制信息通過(guò)初值映射法得到哈密頓模型的初值；(2).當(dāng)多進(jìn)制信息的同步脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，哈密頓模型獲取初值映射提供的初值，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到調(diào)制后的混沌基帶信號(hào)；(3).將混沌基帶信號(hào)進(jìn)行線性變換，得到線性變換后的混沌信號(hào)；(4).通過(guò)線性變換后的混沌信號(hào)相軌跡出現(xiàn)的空間區(qū)域，恢復(fù)原始的多進(jìn)制信息。
2.如權(quán)利要求1所述的一種混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法，其特征是所述的初值映射法具 體步驟如下(1).簡(jiǎn)化哈密頓模型相軌跡區(qū)域?qū)⒐茴D模型指紋狀矩形區(qū)域簡(jiǎn)化為單環(huán)狀區(qū)域， 選取經(jīng)過(guò)每個(gè)矩形子區(qū)域橫向軸線1/4分割點(diǎn)的環(huán)狀相軌跡作為觀測(cè)相軌跡，把每個(gè)環(huán)狀 相軌跡記為loopO, loopl, …，loopn, …；(2).確定相軌跡初始點(diǎn)依次選取每個(gè)矩形子區(qū)域橫向中軸線與環(huán)狀相軌跡左側(cè)交 點(diǎn)作為環(huán)狀相軌跡的初始點(diǎn)，初始點(diǎn)坐標(biāo)為Ointl，vn(1)，計(jì)算哈密頓模型的初值點(diǎn)Unci，yn0), 其中XnO = (Uno+Vno) /2η e 0，1，2, · · ·；YnO = (Un0-Vn0) /2(3).將得到的初值點(diǎn)數(shù)據(jù)存到存儲(chǔ)器中，建立多進(jìn)制信息與內(nèi)存地址、初值點(diǎn)以及子 區(qū)域的映射關(guān)系，通過(guò)查找內(nèi)存地址獲得與多進(jìn)制信息對(duì)應(yīng)的哈密頓模型初值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法，其特征是所述的哈密頓模 型進(jìn)行的迭代運(yùn)算步驟如下(1).哈密頓振子離散模型向連續(xù)模型轉(zhuǎn)換；(2).進(jìn)行連續(xù)混沌模型計(jì)算a.進(jìn)行系統(tǒng)初始化，即初始化哈密頓模型的初值χ(O)、y (O)并將計(jì)數(shù)器初值η置零；b.對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值進(jìn)行判斷，若計(jì)數(shù)器的值為0，則將哈密頓模型的初值X(O)和 y(0)送入保持器，否則將計(jì)算模塊的輸出值X⑴，Y (t)送入保持器；c.進(jìn)行內(nèi)部時(shí)鐘上升沿判斷，內(nèi)部時(shí)鐘頻率f=1/At，當(dāng)時(shí)鐘的上升沿到來(lái)時(shí)，將保 持器的值送入計(jì)算模塊進(jìn)行一次迭代計(jì)算，并將計(jì)數(shù)器的值加1，否則繼續(xù)進(jìn)行上升沿檢 測(cè)，計(jì)算模塊滿足以下關(guān)系[X{t) = x(0 - P/ 2)I Y{t) = ρ s\n{nx(t) / 2) + y(t)式中，x(t)和y(t)為計(jì)算模塊的輸入，X(t)，Y(t)為最終輸出的混沌基帶信號(hào)；d.進(jìn)行計(jì)數(shù)值判斷，若計(jì)數(shù)器的值等于N時(shí)，則計(jì)算結(jié)束，否則繼續(xù)將計(jì)算模塊輸出送 給保持器，其中N ≥ 50Δ t*N < mTmT為多進(jìn)制信息碼元周期，At為采樣間隔。
全文摘要
本發(fā)明涉及數(shù)字通信領(lǐng)域具體為一種基于哈密頓混沌振子相軌跡劃分的混沌多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制方法。本發(fā)明包括多進(jìn)制信息通過(guò)初值映射法得到哈密頓模型的初值；當(dāng)多進(jìn)制信息的同步脈沖上升沿到來(lái)時(shí)，哈密頓模型獲取初值映射提供的初值，進(jìn)行迭代運(yùn)算，得到調(diào)制后的混沌基帶信號(hào)；將混沌基帶信號(hào)進(jìn)行線性變換，得到線性變換后的混沌信號(hào)；通過(guò)線性變換后的混沌信號(hào)相軌跡出現(xiàn)的空間區(qū)域，恢復(fù)原始的多進(jìn)制信息。該方法充分利用了混沌信號(hào)在通信中的保密特性，提高通信信號(hào)的抗截獲能力，也提高了數(shù)字通信系統(tǒng)信息傳輸速率和頻譜利用率，改善了系統(tǒng)的抗噪聲性能。
文檔編號(hào)H04L27/00GK101854319SQ201010197230
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月11日
發(fā)明者付永慶, 張 林, 張芳, 李星淵 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)