混沌的脉冲控制、滤波及其应用

论文摘要

混沌作为非线性系统的一种运动形式普遍存在于自然界。混沌具有很多特有性质,如非周期、长期不可测性等。研究混沌系统的控制和应用这些性质具有重要理论意义和应用价值。本文对混沌脉冲控制、混沌成型滤波、匹配滤波、混沌扩频技术、混沌探测技术等问题进行了研究,主要工作和结论如下:（1）针对混沌符号动力学通信中缺乏有效的调制方法,分别采用了一种脉冲微扰控制调制方案和一种混沌成型滤波器方案,其中微扰控制方案可以对任意二进制序列有效调制而无需添加冗余码,一次脉冲微扰控制可以调制若干位比特信息。接收端匹配滤波器由简单的电阻-电容滤波器构成,不但可以最大化接收信号信噪比,而且设计简单,易于实现。采用一个特定的混沌基函数设计了一种混沌成型滤波器,二进制符号序列通过此混沌成型滤波器即可得到连续的混沌信号。接收端的匹配滤波器由混沌基函数的时间逆与接收信号的卷积实现,使接收端信噪比最大,提高了通信系统性能。针对脉冲微扰控制方案,利用MSP430单片机设计了相应的微扰电路,用电路实验验证了所提调制、解调方法。针对混沌成型滤波器方案,采用TMS320C6713数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）实现了所提调制、解调方案。所提方案在高斯信道下获得了与二进制相移键控（BPSK）相近的误码率。同时,利用该混沌信号李亚普诺夫指数谱不变特性设计了多径抑制方案,所提方案配合多径抑制算法比BPSK加上最小均方差（MMSE）均衡算法在多径衰减信道中获得了更好的性能表现。（2）提出了一种基于混杂系统和对应匹配滤波器的差分混沌键控（DCSK）方案。该方案采用（1）中产生的混沌信号替代传统DCSK方案中的逻辑映射混沌信号,并在接收端增加了对应的匹配滤波器以最大化接收端信噪比。所提方案不但继承了传统DCSK优点,可以有效抑制多径传输带来的码间干扰,而且由于匹配滤波器的使用进一步降低了误码率,同时匹配滤波器具有低通滤波特性可以有效抑制加性高频干扰信号。此外,由于所采用的混沌系统可使用（1）中的调制方案,可以提供一路额外的比特流进行传输。通过蒙特卡洛仿真验证了所提方案的优越性,结果表明所提方案在高斯信道和多径衰减信道下具有更好的误码性能和更强的抗干扰能力。（3）针对DCSK系统低速率和延迟功能实现难的缺点,提出了基于混杂系统的相位分离DCSK通信系统。此方案利用相互正交的正弦信号对分别传送参考信号和信息信号,不但获得了传统DCSK两倍的通信速率,而且避免使用延迟模块,便于实现。同时,混沌信号的调制提供了一路额外的信息比特流传输。仿真结果表明:此方案在保证设备可靠性的前提下,提高了通信速率,且实现设备与传统方案通信设备完全兼容,适用于复杂信道下的高可靠性通信。（4）为了进一步提高通信速率,提出了一种基于匹配滤波器的双比特流多元DCSK通信方案,按照信息的重要程度提供了两种传输质量,其中高优先级（High Priority,HP）比特流用于传输重要的信息,其将多位比特映射为一个符号并由正交Walsh码矩阵的一行表示;低优先级（Low Priority,LP）比特流可用于传输具有较高容错率的信息,与之前的方案相同,由调制的混沌信号构成。该方案在接收端使用匹配滤波器和极大似然判决规则显著减小了通信方案的误码率。仿真结果和实验表明:高斯信道下,所提方案相对于对比方案具有更低的误码率;多径衰减信道下,所提方案具有更好的抗多径能力。（5）分析和实验验证了混沌信号测距的可行性,并给出了一种基于多径抑制的双基地混沌定位方案,其中测距部分采用混杂系统产生探测信号,并采用对应的匹配滤波器滤除噪声,多径抑制技术减小多径效应的影响,获得了相比于传统余弦探测信号、线性调频探测信号更精确的测距结果。定位部分利用双基地的测距结果和波束方向角判断目标坐标。通过水声信道模型的仿真表明,所提定位方案获得了最优的定位结果,具有更好的抗多途影响能力和复杂信道下更准确的定位性能。（6）针对通信安全性问题,提出了两种混沌保密通信方案,其中基于延迟Chen系统保密通信方案的密钥信号由具有理论无限维的延迟Chen系统产生,具有更复杂的动力学特性,难以利用时间序列进行相空间重构破译。采用了多次移位映射作为明文信号和密钥信号的混淆函数,提高了破译难度。密文信息没有在公共信道中直接传输,而是送入混沌吸引子中再次进行混淆,隐藏了密钥信号和密文信号的动力学特性和统计特性,无法通过构建回归映射进行破译。基于单向耦合映象格子保密通信方案的密钥信号由单向耦合映象格子产生。,具有多个正李亚普诺夫指数,明文信号和一组密钥信号送入非线性加密模块加密,将加密输出信号和另一组密钥信号再送入线性加密模块,进一步混淆了明文信息,同时隐藏了明文信号和密钥信号,提高了破译难度。信道传输的密文信号经过均值滤波器作为发射端和接收端的驱动信号,增强了噪声鲁棒性。采用多频正弦信号和语音信号对所提方案进行了仿真和实验验证,验证所提方案的有效性,证明了所提方案的优越性。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 白超

导师: 任海鹏

关键词: 混杂系统,差分混沌键控,混沌通信,数字通信

来源: 西安理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,电信技术

单位: 西安理工大学

基金: 国家自然科学基金(61172070),陕西省自然科学基金重大项目(2016ZDJC-01),西安理工大学优秀博士基金(310-252071603)

分类号: O415.5;TN918;TN713

总页数: 157

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标签：混杂系统论文;  差分混沌键控论文;  混沌通信论文;  数字通信论文;