摘要:特性決定了混沌序列是一種非常適合的偽隨機(jī)序列，在擴(kuò)頻通信領(lǐng)域的應(yīng)用有著非常廣闊的前景，并對(duì)現(xiàn)有的一般擴(kuò)頻序列(m序列或Gold序列)存在的復(fù)雜度低和保密性差等缺點(diǎn)，混沌序列起到了有效的彌補(bǔ)作用，這些正是混沌擴(kuò)頻序列越來(lái)越受到通信學(xué)者們普遍關(guān)注的最重要原因

關(guān)鍵詞:擴(kuò)頻通信技術(shù) 性能與特點(diǎn) 工作方式 混沌序列 生成與優(yōu)選

在第三代移動(dòng)通信技術(shù)中由于基于擴(kuò)頻技術(shù)的CDMA所具有的優(yōu)越性，受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。而擴(kuò)頻系統(tǒng)所使用的擴(kuò)頻序列的性能直接影響到系統(tǒng)的性能，因此選用的擴(kuò)頻序列成為擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

1 擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能與特點(diǎn)

擴(kuò)頻通信技術(shù)是一種具有優(yōu)良抗干擾性能的技術(shù)，它的主要優(yōu)點(diǎn)是:

1.1 抗干擾性能好。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)具有極強(qiáng)的抗人為干擾能力，尤其對(duì)寬帶干擾、窄帶瞄準(zhǔn)式干擾、中繼轉(zhuǎn)發(fā)式干擾具有較強(qiáng)的抗性，十分適合在軍事通信系統(tǒng)中運(yùn)用。與其他通信系統(tǒng)相比較，擴(kuò)頻系統(tǒng)受多徑干擾影響不大，如果在系統(tǒng)中采用自適應(yīng)等技術(shù)或措施，可以基本消除多徑干擾，這一點(diǎn)在移動(dòng)通信中是尤為重要的。

1.2 選擇性尋址能力強(qiáng)。擴(kuò)頻碼良好的自、互相關(guān)性使得擴(kuò)頻通信可以用來(lái)組成多址通信網(wǎng)，多址通信網(wǎng)內(nèi)的所有用戶都工作在相同的頻率。利用擴(kuò)頻通信技術(shù)組成多址通信網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的同步比常規(guī)通信體制易于實(shí)現(xiàn)。便于實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)靈活的隨機(jī)接入，以及采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息的控制和交換。

1.3 保密性能強(qiáng)。擴(kuò)頻通信過(guò)程中，傳輸信息的頻譜結(jié)構(gòu)基本與原始待傳輸?shù)男畔o(wú)關(guān)，主要由擴(kuò)頻碼來(lái)決定。信息的隱蔽程度或安全程度取決于所使用的擴(kuò)頻碼。通常的情況下，擴(kuò)頻碼具有類隨機(jī)性，使得傳輸信息的功率比較均勻地分布在很寬的頻率范圍內(nèi)，功率譜密度很低，類似噪聲，給偵查帶來(lái)了很大的麻煩，從而降低了系統(tǒng)的截獲概率，提高了系統(tǒng)的保密性能。

1.4 對(duì)其他通信系統(tǒng)的干擾小。由于擴(kuò)頻通信擴(kuò)展了帶寬，降低了傳輸信號(hào)單位頻帶內(nèi)的功率，從而在傳輸信號(hào)功率相同的情況下，降低了系統(tǒng)在單位頻帶內(nèi)電波的通量密度。頻譜密度低，對(duì)空間通信大有好處。隨著時(shí)代的進(jìn)步，可用的帶寬變得越來(lái)越來(lái)有限，從而引發(fā)了空間通信系統(tǒng)中電波擁擠的難題，而擴(kuò)頻碼分多址通信很好的解決了這一難題。

1.5 高分辨率測(cè)距能力強(qiáng)。測(cè)距是擴(kuò)頻技術(shù)最突出的應(yīng)用，利用擴(kuò)頻技術(shù)測(cè)距時(shí)，擴(kuò)頻碼序列的長(zhǎng)度(或周期)決定了測(cè)距系統(tǒng)的最大不模糊距離，而擴(kuò)頻碼序列的速率(或碼元寬度)決定了測(cè)距系統(tǒng)的分辨率，所以只需要產(chǎn)生長(zhǎng)周期高速率的偽隨機(jī)碼，就可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的測(cè)距。

2 擴(kuò)頻通信的幾種工作方式

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)按其工作方式可分為以下幾種:

2.1 直接序列擴(kuò)頻(Direct-Sequence Spread Spectrum)工作方式:直接序列擴(kuò)頻(DS-SS)是由于待傳信息信號(hào)與高速率的偽隨機(jī)碼波形相乘后，去直接控制射頻信號(hào)的某個(gè)參量，擴(kuò)展了傳輸帶寬而得名的。有些文獻(xiàn)中又稱這種擴(kuò)頻系統(tǒng)為“平均”系統(tǒng)。

2.2 跳頻擴(kuò)頻(Frequency Hopping)方式:跳頻擴(kuò)頻(FH-SS)系統(tǒng)中數(shù)字信息與二進(jìn)制偽隨機(jī)序列模二相加后，去離散地控制射頻載波振蕩器的輸出頻率，使發(fā)射信號(hào)的頻率隨偽隨機(jī)序列的變化跳變。

2.3 跳時(shí)擴(kuò)頻(Time Hopping)方式:跳時(shí)擴(kuò)頻(TH-SS)是用偽隨機(jī)序列來(lái)啟閉信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間。

2.4 寬帶線性調(diào)頻(Chirp Modulation)工作方式:簡(jiǎn)稱Chirp方式，如果發(fā)射的射頻脈沖信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)，其載頻的頻率作線性變化，則稱為線性調(diào)頻。因?yàn)槠漕l率在較寬的頻帶內(nèi)變化，信號(hào)的頻帶也被展寬了。

2.5 混合式:以上幾種基本擴(kuò)頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來(lái)，便構(gòu)成了一些混合擴(kuò)頻體制。

以上這些擴(kuò)展頻譜方式中最重要的方式是直接序列擴(kuò)頻方式和跳頻擴(kuò)頻方式，這兩種方式也是在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的擴(kuò)頻方式。

3 在直接擴(kuò)頻中使用混沌序列的原因

在直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中為什么應(yīng)該使用混沌序列，這個(gè)問(wèn)題有多種答案。混沌序列易于產(chǎn)生和存儲(chǔ)。為產(chǎn)生混沌序列，僅需一個(gè)混沌映射和一個(gè)初始條件，這意味著無(wú)需存儲(chǔ)長(zhǎng)的序列。而且通過(guò)簡(jiǎn)單地改變初始條件可以產(chǎn)生大量的不同的序列。更為重要的是，混沌序列可以作為高度保密通信的基礎(chǔ)，在許多應(yīng)用領(lǐng)域，信息傳輸?shù)陌踩允种匾?。從保密觀點(diǎn)看，將混沌序列引入直接擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)于增強(qiáng)系統(tǒng)的低截獲率性能有巨大影響。混沌序列在以下幾個(gè)方面有助于實(shí)現(xiàn)保密。

3.1 混沌序列使發(fā)送信號(hào)看起來(lái)像噪聲，因而它不會(huì)引起非友好接收者的注意。

3.2 竊聽(tīng)者為獲得碼序列，必須搜索大量的可能的集合，加之對(duì)于每一信息比特，碼序列不重復(fù)，即使一個(gè)信息比特的碼序列被發(fā)現(xiàn)，其它信息比特仍未被解碼。

3.3 盡管對(duì)于發(fā)射機(jī)和預(yù)訂接收機(jī)而言，混沌序列的產(chǎn)生很簡(jiǎn)單，然而對(duì)于一個(gè)非預(yù)定接收機(jī)而言，很難精確再生混沌序列。微小的估計(jì)誤差將導(dǎo)致以指數(shù)增加的錯(cuò)誤。這是由于混沌系統(tǒng)對(duì)其初始條件及其參數(shù)的敏感依賴性。在許多情況下，接收的信號(hào)被噪聲污染，這使得任何進(jìn)行估計(jì)的企圖更加難以實(shí)現(xiàn)。

3.4 混沌序列的產(chǎn)生可以容易地做得隨意地復(fù)雜。例如，可以用多維混沌映射代替這里所討論的一維映射，并且?guī)讉€(gè)混沌系統(tǒng)可以級(jí)聯(lián)以增加參數(shù)的數(shù)目，這將進(jìn)一步減小被非期望用戶檢測(cè)的機(jī)會(huì)。

4 混沌序列的生成與優(yōu)選

由混沌映射來(lái)產(chǎn)生混沌序列的方法有三種:模擬序列法、二值量化序列法和L比特量化法。

4.1 模擬序列法 模擬序列法又稱為實(shí)值序列法，就是把混沌映射的軌跡{xk:k=0，1，2，…}直接作為擴(kuò)頻序列，用這種方法產(chǎn)生的序列其序列元素Xk是模擬量。對(duì)于均值不為零的序列，為消除直流分量，我們可以稍作改進(jìn)，即用序列{xk-x:k=0，1，2，…}作為擴(kuò)頻序列。

4.2 二值量化序列法 二值量化序列法就是對(duì)模擬序列kx進(jìn)行二值量化，使得便于實(shí)現(xiàn)數(shù)字傳輸。

所謂“量化”，其實(shí)就是一個(gè)判決過(guò)程，有多種方法，比如將序列元素與均值進(jìn)行比較，若大于均值則判為1，反之則判為0。例如對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Logistic映射產(chǎn)生的序列{xk:k=0，1，2，…}，其二值量化序列可用下式表示{yk:k=0，1，2，…}，即

4.3 L比特量化法 模擬序列取值連續(xù)，不適合用數(shù)字手段傳輸，而二值量化序列雖然是二進(jìn)制序列，但每得到一個(gè)序列元素都對(duì)應(yīng)著一次迭代，運(yùn)算量是相當(dāng)大的，這必然大大影響了生成序列的速度，如在擴(kuò)頻中使用，則必將大大降低其碼片速率，影響擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益。另外，用于實(shí)際系統(tǒng)中擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度必定有限，因此使用的序列必然呈現(xiàn)周期性。為了盡可能的保持原序列的優(yōu)良特性，應(yīng)采取措施擴(kuò)展序列周期，即將模擬序列元素kx進(jìn)行L比特量化，就可得到數(shù)字序列

，這里。

數(shù)字序列使用二進(jìn)制值，便于數(shù)字手段傳輸，并且迭代一次可以獲得L比特的輸出，擴(kuò)展了序列的周期，在同等序列長(zhǎng)度條件下，迭代次數(shù)比模擬序列和二值量化序列減少L倍，大大降低了運(yùn)算量。

4.4 混沌序列的優(yōu)選 從理論分析上講，混沌序列具有良好的統(tǒng)計(jì)特性，但是實(shí)際應(yīng)用中由于考慮到周期有限、精度實(shí)現(xiàn)程度等原因，這樣的混沌擴(kuò)頻序列并不比傳統(tǒng)PN序列更優(yōu)秀，反而差一些。如果按照特定的方法進(jìn)行優(yōu)選，混沌擴(kuò)頻序列的性能就有可能得到極大的提高。

通過(guò)對(duì)混沌序列偽隨機(jī)特性的分析、驗(yàn)證，我們認(rèn)為:一般情況下，優(yōu)選策略至少包括平衡性選擇、自相關(guān)性選擇和互相關(guān)性選擇三個(gè)方面。

①?gòu)乃a(chǎn)生的混沌序列中根據(jù)所定義的門限Th1選取滿足平衡性要求序列組M1。②從M1中根據(jù)所定義的門限Th2選取滿足自相關(guān)性能要求的序列組M2，為了同傳統(tǒng)序列相比較，可以把門限Th2設(shè)為某傳統(tǒng)序列自相關(guān)旁瓣的最大值。③從M2中根據(jù)所定義的門限Th3選取序列之間的最大互相關(guān)值滿足要求的序列組M3。④根據(jù)系統(tǒng)的具體要求，還可以增加其他約束條件，得到所需的序列組M4。

在混沌擴(kuò)頻序列的性能準(zhǔn)則門限值選取上參考現(xiàn)行系統(tǒng)中Gold序列的相應(yīng)參數(shù)，如果在優(yōu)選時(shí)進(jìn)一步提高門限值的要求，可以提高系統(tǒng)的性能?？筛鶕?jù)具體條件的要求，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整優(yōu)化準(zhǔn)則和相應(yīng)參數(shù)，以便獲得性能最佳的混沌序列。

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