混沌的脉冲控制、滤波及其应用
发布时间：2020-08-09 16:46
【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。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O415.5;TN918;TN713
【图文】：
[30]。图1-1 数字通信系统模型.Fig. 1-1 Digital communication system model.自从1993年Hayes提出了混沌符号动力学通信以来[31-32]，研究人员早期关注于只具有高斯白噪声的理想通信信道下的误码率和混沌保密通信[33-37]，并且局限于理论仿真，而缺乏实际的应用方案。主要原因在于（1）基于符号动力学的混沌调制理论仍不完善，如何对具有初值高度敏感性和随机性的混沌信号有效调制问题；（2）无线通信信道因其多径传输、窄带宽、复杂的环境噪声、外部信号干扰、时变特性和多普勒频移等特点而展现出了相较于有线信道更加恶劣的信道约束，经过复杂信道后严重畸变的接收信号难以保证发射端和接收端的鲁棒混沌同步问题；（3）混沌信号的宽频谱特征使得其难以应用于带宽受限信道，如短波无线信道和水声信道。针对问题（1），部分研究学者提出了新的符号动力学调制、解调理论[38-39]，简化了调制、解调方案，但是仍然面临着需要添加冗余码以调制特定的序列问题或混沌信号对初值敏感
分隔的两部分，可以分别用于调制比特信息“0”和“1”。(a) (b)图1-2 伯努利移位映射和帐篷映射的相空间. (a)子图是伯努利移位映射的相空间, (b)子图是帐篷映射的相空间.Fig. 1-2 The chaotic phase space of the Bernoulli shift map and the Tent map. Subplot (a) is the chaotic phasespace of the Bernoulli shift map, and subplot (b) is the chaotic phase space of the Tent map.利用混沌符号动力学特性进行通信的方法是 1993 年由 Hayes 等提出并进行了电路实验[31-32]，此后这个方向的研究进展缓慢，原因在于（1）传统控制方法基于传统混沌吸引子，如 Lorenz，Chua 电路的调制方法复杂，混沌通信的调制理论尚不完善。如 Bollt 等人[125]提出的调制方案需要在码元中插入冗余码以防止出现连续的“0”或“1”。（2）混沌系统对初值的敏感性使得混沌滤波过程难以实现，虽然 Rosa 等人[126]提出了一种混沌信号反向迭代法用于抑制混沌信号带内噪声，也可以用于基于同步通信方案中以抑制噪声影响[127-128]，但是该方案由于计算复杂难以应用于实际通信中。2005 年 Hayes 提出能够被应用于通信系统中的混沌信号必须存在一个基函数
Fig. 2-5 Block diagram of the experiment setup for the impulse control method.(1) 混杂系统电路式(2.1)-式(2.3)表示的混杂混沌系统电路同时包含了模拟和数字元件，如图2-6所示。此混沌振荡器电路能同时产生一个连续的混沌波形和对应的离散符号，其中运算放大器选为TL082，供电电压 15V；二极管为IN4148；最右边的边沿触发D触发器为SN47LS74AN，供电电压+5V；数字部分和模拟部分共地。图2-6 混沌振荡器电路.Fig. 2-6 The chaotic oscillator circuit.图2-6中的电容Cf用于调整期望的混沌电路基频f。图中u点的左半部分构成了一个负电阻，记为-R；左下角的两个运放构成了阻抗转换器，用于表示近似理想的电感器，记为L。由左半部分电路的负电阻-R，电感器L和电容Cf构成了一个标准的RLC振荡器，可以表示为0u ufdv vC idt R , (2.24)u sdiL v vdt , (2.25)其中vu, vs分别为u点和s点处的电压
本文编号：2787394
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O415.5;TN918;TN713
【图文】：
[30]。图1-1 数字通信系统模型.Fig. 1-1 Digital communication system model.自从1993年Hayes提出了混沌符号动力学通信以来[31-32]，研究人员早期关注于只具有高斯白噪声的理想通信信道下的误码率和混沌保密通信[33-37]，并且局限于理论仿真，而缺乏实际的应用方案。主要原因在于（1）基于符号动力学的混沌调制理论仍不完善，如何对具有初值高度敏感性和随机性的混沌信号有效调制问题；（2）无线通信信道因其多径传输、窄带宽、复杂的环境噪声、外部信号干扰、时变特性和多普勒频移等特点而展现出了相较于有线信道更加恶劣的信道约束，经过复杂信道后严重畸变的接收信号难以保证发射端和接收端的鲁棒混沌同步问题；（3）混沌信号的宽频谱特征使得其难以应用于带宽受限信道，如短波无线信道和水声信道。针对问题（1），部分研究学者提出了新的符号动力学调制、解调理论[38-39]，简化了调制、解调方案，但是仍然面临着需要添加冗余码以调制特定的序列问题或混沌信号对初值敏感
分隔的两部分，可以分别用于调制比特信息“0”和“1”。(a) (b)图1-2 伯努利移位映射和帐篷映射的相空间. (a)子图是伯努利移位映射的相空间, (b)子图是帐篷映射的相空间.Fig. 1-2 The chaotic phase space of the Bernoulli shift map and the Tent map. Subplot (a) is the chaotic phasespace of the Bernoulli shift map, and subplot (b) is the chaotic phase space of the Tent map.利用混沌符号动力学特性进行通信的方法是 1993 年由 Hayes 等提出并进行了电路实验[31-32]，此后这个方向的研究进展缓慢，原因在于（1）传统控制方法基于传统混沌吸引子，如 Lorenz，Chua 电路的调制方法复杂，混沌通信的调制理论尚不完善。如 Bollt 等人[125]提出的调制方案需要在码元中插入冗余码以防止出现连续的“0”或“1”。（2）混沌系统对初值的敏感性使得混沌滤波过程难以实现，虽然 Rosa 等人[126]提出了一种混沌信号反向迭代法用于抑制混沌信号带内噪声，也可以用于基于同步通信方案中以抑制噪声影响[127-128]，但是该方案由于计算复杂难以应用于实际通信中。2005 年 Hayes 提出能够被应用于通信系统中的混沌信号必须存在一个基函数
Fig. 2-5 Block diagram of the experiment setup for the impulse control method.(1) 混杂系统电路式(2.1)-式(2.3)表示的混杂混沌系统电路同时包含了模拟和数字元件，如图2-6所示。此混沌振荡器电路能同时产生一个连续的混沌波形和对应的离散符号，其中运算放大器选为TL082，供电电压 15V；二极管为IN4148；最右边的边沿触发D触发器为SN47LS74AN，供电电压+5V；数字部分和模拟部分共地。图2-6 混沌振荡器电路.Fig. 2-6 The chaotic oscillator circuit.图2-6中的电容Cf用于调整期望的混沌电路基频f。图中u点的左半部分构成了一个负电阻，记为-R；左下角的两个运放构成了阻抗转换器，用于表示近似理想的电感器，记为L。由左半部分电路的负电阻-R，电感器L和电容Cf构成了一个标准的RLC振荡器，可以表示为0u ufdv vC idt R , (2.24)u sdiL v vdt , (2.25)其中vu, vs分别为u点和s点处的电压
本文编号：2787394
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