付 民，茹 樂(lè)

（空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安 710038）

0 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣，特別是在軍事領(lǐng)域。按功能劃分，無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要由四部分組成:飛行器系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)、后勤保障系統(tǒng)［1］。其中，測(cè)控系統(tǒng)又可以分為測(cè)控鏈路、指揮控制站及機(jī)載通信設(shè)備3個(gè)部分。無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路實(shí)現(xiàn)的是無(wú)人機(jī)和地面控制站的數(shù)據(jù)收發(fā)，是整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，是連接著無(wú)人機(jī)和地面控制站的生命線，需要極高的安全性。在條件允許的情況下，要求鏈路中通信的可靠程度達(dá)到99%［2］。但是，由于無(wú)人機(jī)飛行階段復(fù)雜多變的環(huán)境，使得通信的可靠性程度受到極大的挑戰(zhàn)，因此，研究無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路的抗干擾技術(shù)是十分必要的。同時(shí)，為了滿足無(wú)人機(jī)一站多機(jī)或一機(jī)多站以及軍事通信保密性的需求［3］，也需要提高無(wú)人機(jī)鏈路的多址能力和抗截獲能力。

目前，直接序列擴(kuò)頻是一種最常見(jiàn)的運(yùn)用在無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路中的抗干擾技術(shù)［4］，但是傳統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)中所采用的序列如m序列、gold序列普遍存在著數(shù)量有限、復(fù)雜度低、保密性不高的缺點(diǎn)［5］，使得系統(tǒng)性能存在一定缺陷。混沌序列相關(guān)特性好，還具有隱蔽性強(qiáng)、數(shù)量眾多等優(yōu)點(diǎn)，是一種十分優(yōu)良的偽隨機(jī)序列［6］，被普遍認(rèn)為是第三代移動(dòng)通信DS/CDMA擴(kuò)頻序列的理想地址碼［7］。本文在對(duì)直接序列擴(kuò)頻和混沌序列進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行了一些改進(jìn)，提出一種新的雙混沌直接擴(kuò)頻技術(shù)，并通過(guò)Matlab仿真工具對(duì)其進(jìn)行建模仿真研究。

1 雙混沌直序擴(kuò)頻技術(shù)

1．1 混沌序列

混沌是非線性科學(xué)研究的中心內(nèi)容之一，與相對(duì)論、量子力學(xué)一起被認(rèn)為是20世紀(jì)物理學(xué)的三次重大革命，是當(dāng)今前沿的研究課題［8］。混沌系統(tǒng)所特有的偽隨機(jī)性、確定性和對(duì)初始條件的敏感性，使之能夠產(chǎn)生數(shù)量眾多的混沌序列。同時(shí)，混沌序列并非隨機(jī)卻貌似隨機(jī)，具有復(fù)雜性和不可預(yù)測(cè)性，這些使它具有天然的隱蔽性，非常適合于保密通信?；煦缧蛄薪陙?lái)被廣泛應(yīng)用于擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的多址能力和抗截獲能力。

這里簡(jiǎn)要介紹幾種傳統(tǒng)的混沌映射，并對(duì)其一種混沌序列的相關(guān)特性進(jìn)行仿真。

1）Logistic混沌映射［9］:Logistic混沌映射是一種被廣泛研究的混沌映射，其表達(dá)式為

式（1）中，只要當(dāng)3．5699456≤r≤4時(shí)，就會(huì)工作在混沌狀態(tài) ，序列的均值為0．5。

2）Tent混沌映射［9］:Tent混沌映射的表達(dá)式為

其中，0＜a＜1，序列的均值為0．5。

3）Chebyshev混沌映射［9］:w階 Chebyshev混沌映射表達(dá)式為

通常，w為2的整數(shù)次冪，序列的均值為0。

根據(jù)Chebyshev映射的定義，取初始值分別為－0．38000，－0．38001，w=2。產(chǎn)生兩條碼元長(zhǎng)度為1000的混沌序列，在Matlab下做相關(guān)特性仿真，結(jié)果如圖1，圖2所示。

圖1 基于Chebyshev混沌序列的自相關(guān)系數(shù)（N=1000）Fig 1 Autocorrelation coefficient based on Chebyshev chaotic sequence（N=1000）

圖2 基于Chebyshev混沌序列的互相關(guān)系數(shù)（N=1000）Fig 2 Cross-correlation coefficient based on Chebyshev chaotic sequence（N=1000）

從圖1中可以看出:Chebyshev混沌序列自相關(guān)峰非常尖銳，有一個(gè)主瓣為1，其余旁瓣非常小，接近于0，自相關(guān)特性很強(qiáng)。

從圖2中可以看出:Chebyshev混沌序列的互相關(guān)值非常小，接近于0，具有良好的互相關(guān)特性。

以上仿真表明:混沌序列是一種非常優(yōu)良的偽碼序列，同時(shí)，在初值僅相差0．000 01的情況下，經(jīng)過(guò)1 000次不斷地迭代運(yùn)算后，能夠產(chǎn)生2個(gè)互不相關(guān)的偽隨機(jī)序列。利用這一特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)置不同的初值，可以得到數(shù)量龐大的混沌序列，適用于多址通信。

1．2 雙混沌直序擴(kuò)頻

雙混沌直擴(kuò)組成框如圖3。

圖3 雙混沌直序擴(kuò)頻組成框圖Fig 3 Composition block diagram of dual chaotic direct sequence spread spectrum

假設(shè)發(fā)射端的數(shù)字基帶信號(hào)為a（t），經(jīng)兩條混沌序列g(shù)1（t），g2（t）擴(kuò)頻處理后，得到信號(hào)d（t）

假設(shè)載波為cosωt，則經(jīng)過(guò)BPSK調(diào)制后的發(fā)射信號(hào)s（t）

信號(hào)經(jīng)信道傳輸?shù)浇邮斩?，分別與本地產(chǎn)生的混沌序列g(shù)1（t），g2（t）相乘，得

最后，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后，得到的輸出信號(hào)為

干擾經(jīng)過(guò)擴(kuò)頻處理后，譜密度大大降低，頻譜特性基本一致，后又通過(guò)濾波和包絡(luò)檢波處理，兩者近似相等，可以得到J1≈J2。而且由于混沌序列互相關(guān)系數(shù)遠(yuǎn)小于1，完全同步時(shí)，自相關(guān)系數(shù)為1，由此可以近似得到

在系統(tǒng)的整個(gè)處理過(guò)程中，將有用信號(hào)看作為差模型號(hào)，將干擾、噪聲等無(wú)用信號(hào)看成共模信號(hào)，在擴(kuò)頻、解擴(kuò)處理后，最后將兩路信號(hào)進(jìn)行差模運(yùn)算，可以有效地抵消噪聲，增強(qiáng)有用信息，系統(tǒng)性噪比增大，從而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

2 仿真結(jié)果分析

這里采取Matlab仿真軟件進(jìn)行建模仿真。簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型，假定系統(tǒng)為單用戶，擴(kuò)頻碼長(zhǎng)為127，仿真當(dāng)中沒(méi)有考慮碼片速率fc，默認(rèn)為1，信噪比變化范圍為［－30，10 dB］，以2 dB速率遞增。在高斯白噪聲信道的情況下，加入不同類(lèi)型的干擾信號(hào)，在不同的信噪比（信干比）條件下，對(duì)傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻和雙混沌直序擴(kuò)頻進(jìn)行誤碼率仿真。

2．1 高斯白噪聲下的仿真結(jié)果

傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻和雙混沌直序擴(kuò)頻在高斯白噪聲信道下的誤碼率仿真結(jié)果如圖4所示。從結(jié)果中可以得到，在高斯信道條件下，雙混沌直序擴(kuò)頻的誤碼率要小于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻，在信噪比為－15 dB時(shí)，傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻的誤碼率為7．35×10－4，而雙混沌直序擴(kuò)頻的誤碼率為0。在無(wú)干擾的條件下，雙混沌直序擴(kuò)頻的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻。

圖4 高斯白噪聲下系統(tǒng)誤碼率比較Fig 4 Comparison of system bit error rate under Gaussian white noise condition

2．2 部分頻段干擾下的仿真結(jié)果

在高斯白噪聲信道下，加入部分頻段干擾。仿真中，部分頻段干擾的頻帶只占傳輸頻帶的一部分，并服從高斯分布，信噪比保持不變?yōu)? dB，信干比變化范圍為［－40，－10 dB］，以2 dB速率遞增。仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，雙混沌直序擴(kuò)頻的誤碼率要小于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻。在信噪比為－22 dB時(shí)，雙混沌直序擴(kuò)頻誤碼率為5×10－5，而傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻誤碼率為2．6×10－4。在部分頻段干擾的條件下，雙混沌直序擴(kuò)頻的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻。

圖5 部分頻段干擾下系統(tǒng)誤碼率比較Fig 5 Comparison of system bit error rate under partial-band interference condition

2．3 單頻干擾下的仿真結(jié)果

在高斯白噪聲信道下，加入干擾信號(hào)i（n）=Acosn。仿真中，信噪比保持不變?yōu)?，通過(guò)調(diào)整干擾噪聲幅值A(chǔ)值來(lái)調(diào)節(jié)信干比，信干比變化范圍為［－30，－10 dB］，以1 dB速率遞增，得到結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯旁氡仍冢?6 dB以下情況下，兩者誤碼率相差不大，但在誤碼率在－26 dB以上的時(shí)候，雙混沌直序擴(kuò)頻的誤碼率遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻，在兩者誤碼率都為5×10－6時(shí)，雙混沌直序擴(kuò)頻要優(yōu)于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻8～10 dB。在單頻干擾的條件下，雙混沌直序擴(kuò)頻的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)直序擴(kuò)頻。

圖6 單頻干擾下系統(tǒng)誤碼率比較Fig 6 Comparison of system bit error rate under single-frequency interference condition

3 結(jié)論

本文立足無(wú)人機(jī)測(cè)控鏈路抗干擾能力強(qiáng)，隱蔽性好，多址能力強(qiáng)的需求特點(diǎn)，對(duì)混沌序列和現(xiàn)今無(wú)人機(jī)鏈路中應(yīng)用最廣泛的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)行深入研究，在此基礎(chǔ)上提出一種全新的雙混沌直序擴(kuò)頻技術(shù)。通過(guò)建立仿真模型驗(yàn)證，該方法能有效提高測(cè)控鏈路的抗干擾能力，同時(shí)，由于混沌序列復(fù)雜度高，數(shù)目眾多等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)控鏈路的抗截獲能力和多址能力也能得到進(jìn)一步提高。

［1］ 仵敏娟．無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］．西安:西北工業(yè)大學(xué)，2007．

［2］ Edrich M，Schmalenberger R．Combined DSSS/FHSS approach to interference rejection and navigation support in UAV communication and control［C］∥IEEE 7th Int’l Symp on Spread-Spectrum Tech ＆ App1，2002:687－691．

［3］ 吳 潛．無(wú)人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］．電視技術(shù)，2009（9）:90－94．

［4］ 李思佳，毛玉泉，鄭秋榮，等．UAV數(shù)據(jù)鏈抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2011（6）:2020－2024．

［5］ Kurian A P，Puthusserypady S，Su Myat Htut．Performance enhancement of DS/CDMA system using chaotic complex spreading sequence［J］．IEEE Transactions on Wireless Communications，2005，4（3）:984 －989．

［6］ 張 怡，費(fèi)恒歌，趙恒斌，等．混沌序列相關(guān)特性研究及在擴(kuò)頻通信中的應(yīng)用［J］．火力與指揮控制，2011（11）:19－24．

［7］ 李長(zhǎng)庚，周家令，孫克輝，等．四種數(shù)字混沌擴(kuò)頻序列的平衡性分析［J］．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2008，28（1）:95 －97．

［8］ 王興元．混沌系統(tǒng)的同步及在保密通信中的應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2012．

［9］ 虞 闖，丁曉東，于舒娟．三種混沌擴(kuò)頻序列性能研究與分析［J］．沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）:21 －24．