基于物理熵源的扩频随机序列的产生与性能研究

发布时间：2020-07-01 13:10

【摘要】：扩频通信具有抗干扰、抗衰落和保密性高等优良性能,广泛应用于军事和宇航通信。扩频通信系统的性能优劣很大程度上取决于扩频序列的性能,传统扩频通信中一般采用伪随机序列作为扩频序列,因其存在周期性及弱正交性,不仅降低了扩频通信的链路性能,同时限制了其在保密通信和数字加扰领域的应用。物理随机序列不仅具有类白噪声的统计特性,又满足真随机性。本文提出了一种基于物理熵源产生的物理随机序列作为扩频随机序列的方案,研究了截短优选后的物理随机序列在直接扩频系统(DS-SS)中的应用。论文首先以半导体激光器输出的混沌信号作为物理熵源,经光电转换与数字化运算处理,利用Matlab/Simulink辅助运算获得了速率为4Gbit/s的高速物理随机序列。然后对物理随机序列和原始混沌序列的平衡性和相关性等统计特性进行对比分析,并利用NIST(National Institute of Standards and Technology)推出的测试标准软件对物理随机序列的真随机性能进行测试。最后,将截短优选后的物理随机序列作为扩频序列应用于DS-SS仿真模型,研究了扩频通信系统链路误码性能与抗多用户干扰性能。仿真结果表明,经截短优选后的物理随机序列与原始混沌序列相比具有更好的平衡性、自相关性和正交性,作为扩频序列应用于直接扩频系统具有更好的抗噪声干扰和抗多址干扰性能。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN914.42
【图文】：

特性图,激光信号,特性图

2.2.2 混沌激光特性分析物理熵源是物理随机数发生器的关键部分，因此混沌激光信号的特性必将对输出物理随机数的特性产生影响。其中，混沌信号的频谱带宽将会决定输出物理随机数的最高速率，混沌信号频谱的平坦与否将决定输出随机数的平衡性。由于混沌序列具有类白噪声的特性，可视为平稳的随机过程。因此依据信号处理的知识，可以通过对混沌激光信号的自相关函数进行傅里叶变换获得它的功率谱密度。功率谱密度指每单位带宽内的信号平均功率，它包含了频域上功率谱的分布特征。利用公式(2.7)和(2.8)以及表 2-1 中的参数配置，外腔反馈半导体激光器输出的混沌激光信号时域特性和频域特性如图 2.1 所示。其中，图 2.1(a)是混沌激光信号的时域特性图，其时域特性接近白噪声的随机特性。图 2.1(b)是混沌激光信号的频谱图，由图可见该频谱的中心频率很高，并且分布平坦。混沌激光信号对应频谱的 3dB 带宽为 5GHZ，利用此混沌激光信号作为物理熵源，经后续处理最高可以获得速率为 5GHZ的物理随机数。

激光信号,自相关曲线

源中提取的混沌激光信号利用光电转换器件，即可转换为混沌处理，接下来需要对混沌电信号进行采样、量化完成二值化过序列。在物理熵源产生过程中，激光器外腔反馈延迟会带来一混沌激光信号对应的自相关曲线，由图可见在相关间隔为2.5处出是因为外腔反馈带来的周期特性。采样周期的长度影响着信号小，采样周期越长则采样频率越低，进而导致序列相邻位之间随机序列性能的同时却降低了随机序列的输出速率。量化过程制数据转换为二进制数据后的码元个数就越多，因而会提高最，但同时也会降低随机序列的性能。因此，必须进行后续处理能。

【参考文献】