丁 群,王佳楠

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引 言

混沌鍵控通信方式是一種用于傳輸數(shù)字信號的調(diào)制方式,與前兩種通信方式相比,混沌鍵控抗噪聲和參數(shù)失配的能力較強(qiáng),克服了混沌遮掩通信方式中要求混沌載波功率遠(yuǎn)大于有用信號功率的缺點[7]?；煦珂I控以其較強(qiáng)的抗干擾能力、較好的發(fā)展前景與實際應(yīng)用價值,使其在數(shù)字保密通信中具有非常重要的研究價值。一種通信系統(tǒng)想要很好的應(yīng)用于實際當(dāng)中,關(guān)鍵是要有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率并且存在信道噪聲和畸變時要有好的誤碼率特性,同時要適應(yīng)現(xiàn)代通信的需要具有較高的保密性和頻帶利用率[8]。與基于傳統(tǒng)的同步的調(diào)制方法相比,混沌鍵控數(shù)字保密通信調(diào)制方法在信道中更具優(yōu)越性。

本文著重綜述了近年來混沌鍵控數(shù)字保密通信系統(tǒng)技術(shù)的主要進(jìn)展,包括理論、設(shè)計思想、目前的研究熱點、可能實現(xiàn)的又有一定實用價值的幾種保密通信方案,以及各種方案的優(yōu)缺點和應(yīng)用研究概況,包括在該領(lǐng)域所取得的研究成果,提出了一種新型的CD-DCSK(相關(guān)延遲-差分混沌鍵控)混沌鍵控保密通信系統(tǒng),最后,對今后混沌保密通信技術(shù)的問題作了概括,提出一些看法和值得研究的方向。

1 幾種典型的混沌鍵控保密通信系統(tǒng)

混沌鍵控通信系統(tǒng)的接收端,按照檢測方式的不同,可以分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種類型。相干解調(diào)系統(tǒng)需要在接收端準(zhǔn)確地復(fù)制出用于攜帶信息的混沌載波,而非相干解調(diào)系統(tǒng)則并不需要。相干解調(diào)系統(tǒng)一般需要使用同步來復(fù)制出混沌載波,而非相干解調(diào)可以有多種形式,但它們的基本原理都是利用發(fā)射的混沌信號本身所具有的一些特性。這些特性可以是一些內(nèi)在的確定性特征 (例如,自相關(guān)性、基于回歸映射的檢測和最大似然方法等),或者通過恰當(dāng)?shù)匕才虐l(fā)射參考信號和信息信號到達(dá)接收端的時間順序,例如,DCSK(差分混沌鍵控)、CDSK(相關(guān)延遲鍵控)和QCSK (四相正交混沌相移鍵控)等[9]。

1.1 CSK(混沌移位鍵控)數(shù)字通信系統(tǒng)

CSK調(diào)制方式的基本原理是將不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射到不同的混沌基函數(shù)上,再將調(diào)制后的混沌信號作為載波發(fā)送出去,在接收端,按照相應(yīng)的接收原理以一定的方法從混沌信號中恢復(fù)出二進(jìn)制數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送端使用一個混沌信號發(fā)生器時,可以將CSK調(diào)制分為正反極性CSK和COOK(混沌開關(guān)鍵控);當(dāng)發(fā)送端采用兩個混沌信號發(fā)生器時,根據(jù)接收端采用的檢測方式,可以分為相干解調(diào)和非相干解調(diào)兩種類型。

相干解調(diào)需要在收發(fā)兩端建立起一個混沌同步系統(tǒng),它不僅具有保密性,而且其抗噪聲性能優(yōu)于非相干解調(diào)。但是,當(dāng)傳輸信道的信噪比較低時,相干解調(diào)的混沌同步難以建立,雜波會破壞同步過程,容易造成誤碼;其次,混沌系統(tǒng)達(dá)到同步狀態(tài)需要一定的時間段,因此最大數(shù)據(jù)傳輸速率不高,此時宜用非相干解調(diào)。非相干解調(diào)不具有保密性,通過觀察一些傳輸信號的統(tǒng)計數(shù)量進(jìn)行辨析,結(jié)果就有可能恢復(fù)加密的二進(jìn)制信息,但其方法簡便,易于實現(xiàn),電路簡單。所以在實際應(yīng)用中,非相干解調(diào)相對于相干解調(diào)要更加實用,還有很大的發(fā)展空間。在保持良好同步的條件下,相干解調(diào)的CSK其噪聲性能要優(yōu)于COOK,而COOK的抗噪聲性能要優(yōu)于非相干解調(diào)的CSK系統(tǒng)[10]。同時, CSK系統(tǒng)信號的解調(diào)是基于比特能量的估計,因此檢測器的閾值應(yīng)當(dāng)隨著噪聲水平的變化而變化,否則就會產(chǎn)生很多誤碼,所以CSK系統(tǒng)在實際應(yīng)用上還存在很大的局限性。

1.2 DCSK和FM-DCSK數(shù)字通信系統(tǒng)

DCSK是一種采用非相干解調(diào)的調(diào)制方式,在DCSK調(diào)制方式中,每個信息符號的周期劃分為兩個相等的時隙。第一個時隙用于傳輸混沌參考信號,而第二個時隙則用來傳送攜帶信息的信號。當(dāng)發(fā)送的數(shù)字信號為 “+1”時,發(fā)射信號就是參考信號本身;當(dāng)發(fā)送的數(shù)字信號為“-1”時,發(fā)射的是反向的參考信號。DCSK的調(diào)制和解調(diào)的框圖見圖1,Tb為一個符號周期的時間,在第l個符號周期內(nèi),DCSK發(fā)送端的輸出信號s(t)為:

式中x(t)為混沌序列;bl是值為±1的數(shù)字信號。在接收端,將符號周期后半段接收到的與前半段接收到的信號進(jìn)行相關(guān)計算,即可以解調(diào)出發(fā)送的有用信號;r(t)表示發(fā)射信號s(t)經(jīng)過噪聲信道,混有噪聲信號。

圖1 DCSK系統(tǒng)解調(diào)電路框圖Fig.1 Flowchart of the DCSK system

由于現(xiàn)有的DCSK非相干解調(diào)只區(qū)分信息信號和參考信號的同相和反相,所以其保密性較低,在信道中傳輸?shù)男盘柋唤孬@后很容易被破譯[11-12],而且在一個符號周期內(nèi),僅有一半時間用于傳輸攜帶信息的信號,而另一半時間則只是用來傳輸參考信號,降低了帶寬利用率。接收端的相關(guān)運算結(jié)果與每一比特時間長度Tb有關(guān),如何提高數(shù)據(jù)傳輸速率,同時希望運算結(jié)果穩(wěn)定,減少誤碼率,是信號傳輸?shù)年P(guān)鍵。

C組(12.458±0.882)MPa，3種不同表面處理方式的抗剪切強(qiáng)度均達(dá)到臨床要求，但差異具有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。

由于混沌信號具有非周期的特性,DCDK調(diào)制方式使得單位比特能量隨著時間而改變,從而造成了接收端出現(xiàn)估計問題。隨后為解決這一問題提出了FM-DCSK(調(diào)頻差分混沌鍵控)。FMDCSK調(diào)制器的結(jié)構(gòu)與DCSK調(diào)制大體相同,只是其混沌基函數(shù)是經(jīng)過FM調(diào)制后的混沌波形。因為混沌調(diào)頻信號的幅度是恒定的,FM-DCSK信號中所有比特的能量都維持不變,所以FM-DCSK比DCSK具有更良好的性能[13]。但是由于基函數(shù)中的參考信號和信息承載信號的關(guān)系未變,因此FM-DCSK的解調(diào)過程與DCSK的相同,這就使得FM-DCSK和DCSK一樣存在數(shù)據(jù)傳輸速率不高和系統(tǒng)保密性低等缺點。

1.3 CDSK數(shù)字通信系統(tǒng)

為了提高帶寬利用率和連續(xù)發(fā)射信號,Sushchik等提出了CDSK(相關(guān)延遲鍵控)方式[14]。CDSK調(diào)制方式克服了DCSK的不足,發(fā)送端的開關(guān)用加法器取而代之,使發(fā)送端可以連續(xù)工作,而且也不會有信號的重復(fù)發(fā)送,使系統(tǒng)的安全性得到提高。在發(fā)射端,延遲后的混沌信號經(jīng)待發(fā)送的信息調(diào)制后,加到原來的混沌信號中構(gòu)成發(fā)射信號s(t)。在第l個符號周期內(nèi),發(fā)射信號s(t)為:

其中τ表示延遲時間。

在接收端,一個基于相關(guān)器的接收機(jī)用于還原發(fā)送的信號。CDSK采用的是非相干調(diào)制通信方式,發(fā)送端將參考信號與攜帶信息的延遲信號相加,然后一并發(fā)射出去,使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在信道中傳輸?shù)陌踩缘玫奖ＷC,但是系統(tǒng)的性能要比DCSK略有不足[15-16],而且CDSK傳輸信號的每比特能量仍然不恒定,不能滿足高速傳輸?shù)囊?所以其傳輸性能還有待提高。

1.4 QCSK數(shù)字通信系統(tǒng)

QCSK是在非相關(guān)DCSK系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的調(diào)制方案,QCSK系統(tǒng)在一個符號周期內(nèi),也分為參考信號與數(shù)據(jù)信號兩部分,它在信道中不需要傳送正交信號,并且使單個符號所代表的信息變?yōu)?比特,得到雙倍的頻譜利用率。選擇兩組經(jīng)過歸一化處理的正交混沌基信號cx(t)和cy(t),且在半個符號周期內(nèi)滿足:

QCSK調(diào)制解調(diào)的原理框圖見圖2,信號a,b是傳輸信號K通過串并轉(zhuǎn)換后得到的有用信號, QCSK調(diào)制就是利用兩個互相正交的混沌基函數(shù)在一個碼元時間內(nèi)傳輸兩比特的信息,比DCSK提高了一倍的傳輸速率。

類似于DCSK調(diào)制,QCSK調(diào)制也是在前半個符號比特內(nèi)發(fā)送混沌參考信號,后半個符號周期內(nèi)用于傳輸承載消息信號的已調(diào)混沌參考信號。發(fā)送端發(fā)送的調(diào)制的信號可表示為式 (4),其中Eb表示每個傳輸符號的能量:

圖2 QCSK調(diào)制解調(diào)框圖Fig.2 Flowchart of the QCSK system

QCSK與DCSK相比,具有相同的帶寬,近似的BER性質(zhì)[17-18],但更高的數(shù)據(jù)傳輸速率,可看作是混沌鍵控通信發(fā)展的一大亮點,為后繼的研究工作提供了很多思路。如果將QCSK應(yīng)用于實際中,還存在許多問題:QCSK系統(tǒng)可以看成是2個DCSK系統(tǒng)的組合,QCSK用系統(tǒng)的復(fù)雜性換取了雙倍的數(shù)據(jù)速率[19-20]。在占用相同帶寬的情況下,雖然利用2個正交混沌函數(shù)的生成,可以提高數(shù)據(jù)傳輸速率,但是和DCSK類似,透過觀察傳輸信號的頻譜,很容易得知系統(tǒng)的比特率,所以其保密性也和DCSK一樣差。并且QCSK系統(tǒng)在實際硬件電路的實現(xiàn)上要用到2個Hibert變換,所以系統(tǒng)要復(fù)雜的多,在實際電路應(yīng)用中很難實現(xiàn)。

2 一種新型的CD-DCSK數(shù)字通信系統(tǒng)

考慮到現(xiàn)有混沌鍵控系統(tǒng)存在的這些問題,我們提出了一種新型的混沌鍵控系統(tǒng):CD-DCSK (相關(guān)延遲-差分混沌鍵控)。它的調(diào)制解調(diào)原理框圖見圖3,改進(jìn)后的CD-DCSK在前后1/2符號周期內(nèi),分別將2位有用信號a、b調(diào)制到發(fā)送信息內(nèi),得到了雙倍的頻譜利用率。a、b兩位信號可以分別選取“+1+1,-1+1,+1-1,-1-1”4種情況。在調(diào)制器端,前1/2符號周期內(nèi),發(fā)送的信號s(t)a是混沌信號x(t)和延遲τ/2后并經(jīng)a信號調(diào)制后的混沌信號x(t-τ/2)的疊加;在后1/2符號周期內(nèi),延遲τ后的混沌信號經(jīng)b信號調(diào)制后,加到原來的混沌信號中構(gòu)成發(fā)射端輸出的信號s(t)b?？梢钥闯鲈谛诺乐袀鬏斒蔷鶆虻?沒有重復(fù)的信號,保密性較DCSK得到提高,CDDCSK發(fā)送端的輸出信號s(t)可以表示為下式:

在前半段和后半段符號周期,信道中傳輸?shù)亩际腔煦缧盘柵c延遲后并經(jīng)發(fā)送符號調(diào)制后的疊加信號,所以在信道中,信號傳輸?shù)谋Ｃ苄缘玫搅吮ＷC。同時在和DCSK相同的符號周期內(nèi),兩個半段符號周期都有攜帶有用信號,提高了頻帶的利用率,數(shù)據(jù)傳輸速率是DCSK的2倍。

圖3 CD-DCSK通信調(diào)制系統(tǒng)框圖Fig.3 Flowchart of the CD-DCSK system

在接收端,經(jīng)過相關(guān)器的相關(guān)運算,在第l個符號周期內(nèi),輸出信號Za和Zb可表示成下式:

在無噪聲環(huán)境中,輸出信號為:

由Za和Zb表達(dá)式可以看出,第一項為有用信號項,第二、三、四項為相鄰混沌信號的相關(guān)積,由混沌所特有的隨機(jī)性可以知道,除了第一項有用信號,其余項的積分值均為零。將判決門限設(shè)定為零,因為x2(t-τ/2)＞0,x2(t-τ)＞0,所以當(dāng)Za或Zb＞0時,則可以判斷發(fā)送的信號a或b為 “+1”;當(dāng)Za或Zb＜0時,則可以判斷發(fā)送的信號a或b為“-1”,然后通過并/串轉(zhuǎn)換,即可以恢復(fù)原信號。

當(dāng)信道中存在噪聲時,r(t)表示發(fā)射信號s(t)經(jīng)過噪聲信道,混有噪聲信號ζ(t),此時,相關(guān)器的輸出Za和Zb分別為:

在AWGN信道中,比較CD-DCSK系統(tǒng)和碼元傳輸速率相等的QCSK系統(tǒng)的誤碼率性能見圖4。M為半個符號周期內(nèi)所產(chǎn)生的混沌樣值的個數(shù)。

圖4 改進(jìn)的CD-DCSK系統(tǒng)和QCSK系統(tǒng)誤碼率性能比較Fig.4 Comparison of BER performance of the improved CD-DCSK system and QCSK

通過分析CD-DCSK和QCSK系統(tǒng)誤碼率曲線可以知道,系統(tǒng)性能主要受限于參數(shù) M,降低M可以降低誤碼率,但是這樣也就會限制信號的傳輸速率。從圖4可以看出,在AWGN信道下,當(dāng)信噪比比較低時,CD-DCSK和QCSK的誤碼率性能比較接近;在Eb/N0＞8 dB條件下,CDDCSK系統(tǒng)誤碼率性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于QCSK系統(tǒng),并且隨著Eb/N0的增大,QCSK的誤碼率相對于CD-DCSK逐漸增大;在給定BER=10-3條件下, CD-DCSK較QCSK調(diào)制方式的信噪比提高了2.2～2.7 dB。所以總體上看,CD-DCSK系統(tǒng)的誤碼率性能要優(yōu)于QCSK系統(tǒng)。通過分析可以看出CD-DCSK結(jié)合了CDSK和DCSK共有的優(yōu)點,在數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄院驼`碼率性能上都有所提高,數(shù)據(jù)傳輸速率更是提高到了DCSK的2倍。而且在硬件電路的實現(xiàn)上,CD-DCSK較QCSK簡單得多。

3 結(jié) 論

近年來混沌通信的研究逐漸向經(jīng)典通信領(lǐng)域靠攏,提出了許多新的混沌鍵控調(diào)制方法。將混沌通信理論盡快融入到現(xiàn)有的通信理論的研究中,應(yīng)用到現(xiàn)有的實際通信系統(tǒng)里,充分發(fā)揮混沌保密通信的優(yōu)勢,成為混沌通信理論研究的一個重要方向。如今基于混沌同步性能的相干解調(diào)還不能滿足實際通信中的中、低信噪比要求,因此非相干解調(diào)的混沌鍵控通信技術(shù)是目前最有希望進(jìn)入實用化階段的混沌通信方式。目前混沌鍵控通信系統(tǒng)研究的主要方向是,注重與實際應(yīng)用關(guān)系密切的關(guān)鍵技術(shù)研究,如保密性能,實際信道中高數(shù)據(jù)速率狀態(tài)下的誤碼率,多用戶能力,抗多路傳播以及頻帶和功率的利用率問題。本文提出了一種新型的CD-DCSK(相關(guān)延遲-差分混沌鍵控)混沌鍵控保密通信系統(tǒng),通過分析可以看出CD-DCSK結(jié)合了CDSK和DCSK共有的優(yōu)點,在數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｃ苄院驼`碼率性能上都有所提高,數(shù)據(jù)傳輸速率更是提高到了DCSK的2倍,而且利于電路實現(xiàn)。通過不斷地研究和發(fā)展,混沌鍵控數(shù)字通信技術(shù)必將在通信理論和工程應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。

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