摘要 f m d c s k ( f r e q u e n c y m o d u l a t e dd i f f e r e n t i a lc h a o ss h i f tk e y i n g ，調(diào)頻差分 混沌鍵控) 是一種集調(diào)制與擴(kuò)頻于一身的混沌通信技術(shù)，其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單，在多 徑衰落信道下表現(xiàn)出良好的魯棒性和優(yōu)異的b e r ( b i te r r o rr a t e ，比特錯(cuò)誤率) 性能。 本文在f m d c s k 頻率分集的基礎(chǔ)上引入了空間分集的思想，提出一種 s i m o ( s i n g l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ，單入多出) 架構(gòu)的f m d c s k 調(diào)制解調(diào) 方案。該方案在接收端使用多根天線對(duì)獨(dú)立的接收副本進(jìn)行處理以獲得空間分集 增益，同時(shí)在發(fā)送端使用多個(gè)w a l s h 函數(shù)并行地發(fā)送數(shù)據(jù)子流，在不增加帶寬的 條件下顯著地提升了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。在多徑衰落信道下的仿真表明，s i m o f m d c s k 方案較原先的f m d c s k 相比獲得了明顯的分集增益，b e r 性能得到 了良好的改善。在與d s v b l a s t ( d i r e c ts p r e a d v e r t i c a lb e l ll a bs p a c e t i m e ， 直序列擴(kuò)頻貝爾實(shí)驗(yàn)室分層空時(shí)碼) 的對(duì)比仿真中我們發(fā)現(xiàn)，在相同的數(shù)據(jù)傳輸 速率和相同的帶寬效率下，s i m of m d c s k 方案在b e r = 1 0 擊時(shí)表現(xiàn)出較明顯的 性能優(yōu)勢(shì)，并且后者在實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度方面體現(xiàn)出較強(qiáng)的競爭力。 更進(jìn)一步，我們研究了s i m of m d c s k 方案與幾種具有代表性的糾錯(cuò)編碼 之間的適配性關(guān)系。在不同碼率和不同幀長下的仿真表明，加入p a 編碼的s i m o f m d c s k 系統(tǒng)在多徑衰落信道下表現(xiàn)出比l d p c 和卷積碼更為優(yōu)秀的b e r 性 能。緊接著，我們通過仿真找到了該系統(tǒng)的一個(gè)最佳碼率，得出了該系統(tǒng)適用于 中長幀傳輸?shù)慕Y(jié)論。 大量的仿真結(jié)果表明，本文所提出的s i m of m d c s k 方案由于其簡單的結(jié) 構(gòu)和優(yōu)異的性能，再結(jié)合p a 碼這種編碼靈活、譯碼簡單的糾錯(cuò)碼型，有望成為 未來無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的一種強(qiáng)有力的備選傳輸方案。 關(guān)鍵詞：f m d c s k ，空間分集，糾錯(cuò)編碼 a b s t r a c t f r e q u e n c y m o d u l a t e dd i f f e r e n t i a lc h a o s s h i f tk e y i n g ( f m _ d c s k ) i sa na t t r a c t i v e s c h e m ej o i n i n gc h a o t i cm o d u l a t i o nw i t hs p r e a d s p e c t r u mp r o p e r t y , w h i c hi ss i m p l ei n i m p l e m e n t a t i o na n d r o b u s ti nm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s i nt h i sp a p e r , s p a c ed i v e r s i t yh a sb e e ni n t r o d u c e di n t of m _ d c s ka n da l ls i m o ( s i n g l e i n p u t a n dm u l t i p l e o u t p u t ) a r c h i t e c t u r eo ft h ef m - d c s km o d u l a t i o n t e c h n i q u e i sp r o p o s e d t h en e ws c h e m eu s e sm u l t i p l ea n t e n n a sa tt h er e c e i v e re n dt o f o r ma l ls i m os t r u c t u r es oa st oo b t a i nad i v e r s i t yg a i n a tt h es a m et i m e ，o r t h o g o n a l w a l s hf u n c t i o n sa r ee m p l o y e da tt h et r a n s m i t t e r , w i t hp a r a l l e ls u b s t r e a m st r a n s m i t t e d w i t has i n g l ea n t e n n at oh e l pa c h i e v eas i g n i f i c a n ti n c r e a s eo ft h ed a t ar a t e s i m u l a t i o n r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tb e rl e v e lo f10 由，t h ep r o p o s e ds i m of m d c s k a r c h i t e c t u r eh a sa no u t s t a n d i n gb i te r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ei nc o n t r a s tt ot h e d s v b l a s ts c h e m e i np a r t i c u l a r , t h es i m p l e ra l g o r i t h mm a k e st h ep r o p o s e d a r c h i t e c t u r em o r ee f f i c i e n tt h a nt h ed s v b l a s ts c h e m e f u r t h e r m o r e ，s e v e r a lm a i nc h a n n e lc o d i n go rc o m n l o n l yc a l l e de r r o r - c o r r e c t i n g c o d i n gs c h e m e sa r ei n t r o d u c e di n t ot h es i m o f m d c s kc o m m u n i c a t i o ns y s t e mw i t h d i f f e r e n tc o d er a t e sa n dd i f f e r e n tf r a m el e n g t h so v e rm u l t i p a t hf a d i n gc h a n n e l s i ti s f o u n dt h a t ，i nc o n t r a s tt ol d p cc o d e sa n dc o n v o l u t i o n a lc o d e s ，p r o d u c ta c c u m u l a t e ( p a ) c o d e sc a np r o v i d eo u t s t a n d i n gb i t - e r r o rr a t e ( b e r ) p e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n ti n t h ee x i s t i n gs i m of m - d c s k s y s t e m t h e r e f o r e ，i ti se x p e c t e dt h a tt h ep r o p o s e ds i m of m d c s ks c h e m e ，e q u i p p e d w i t hp ac o d e sw i t hi t sa d v a n t a g e so fs i m p l ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gs t r u c t u r ea sw e l l a s f l e x i b l ya d j u s t a b l e c o d er a t e ，w i l lb ea p p l i e da sas t r o n gc a n d i d a t et od a t a t r a n s r n i s s i o ns e r v i c e si nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s k e y w o r d s ：f m d c s k ，s p a c ed i v e r s i t y , e r r o rc o r r e c t i n gc o d i n g 廈門大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 茲呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。 本人在論文寫作中參考的其他個(gè)人或集體的研究成果，均在文中以明 確方式標(biāo)明。本人依法享有和承擔(dān)由此論文產(chǎn)生的權(quán)利和責(zé)任。 聲明人( 簽名) ：沈中貿(mào) p 1 年戶月；口日 廈門大學(xué)學(xué)位論文著作權(quán)使用聲明 本人完全了解廈門大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。廈門大 學(xué)有權(quán)保留并向國家主管部門或其指定機(jī)構(gòu)送交論文的紙質(zhì)版和電 子版，有權(quán)將學(xué)位論文用于非贏利目的的少量復(fù)制并允許論文進(jìn)入學(xué) 校圖書館被查閱，有權(quán)將學(xué)位論文的內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索， 有權(quán)將學(xué)位論文的標(biāo)題和摘要匯編出版。保密的學(xué)位論文在解密后適 用本規(guī)定。 本學(xué)位論文屬于 l 、保密() ，在年解密后適用本授權(quán)書。 2 、不保密( ) ( 請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)括號(hào)內(nèi)打 ) 作者簽名：認(rèn)丐0 置 導(dǎo)師簽名：2 2 。沈 日期：刎年明j j 日 嗍撕薩妒了日 第一章緒論 1 1 混沌通信 第一章緒論 混沌通信是二十多年來新興的一種無線通信技術(shù)。與傳統(tǒng)通信技術(shù)的區(qū)別 是，混沌通信系統(tǒng)采用的載波是混沌信號(hào)，而傳統(tǒng)通信系統(tǒng)則采用正弦信號(hào) 1 】。 混沌信號(hào)是由非線性系統(tǒng)中的混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的，所謂的混沌現(xiàn)象是指發(fā)生在確 定性系統(tǒng)中的貌似隨機(jī)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。一個(gè)確定性理論描述的系統(tǒng)，其行為卻 表現(xiàn)為不確定性一不可重復(fù)、不可預(yù)測(cè)，這就是混沌現(xiàn)象?；煦缡欠蔷€性動(dòng)力 系統(tǒng)的固有特性，是非線性系統(tǒng)普遍存在的現(xiàn)象。 利用混沌現(xiàn)象產(chǎn)生的混沌信號(hào)同時(shí)具有確定性和類隨機(jī)特性，是一類非周 期的、有界但不收斂的信號(hào)，不容易被捕獲，具有一定的保密性。其信號(hào)頻譜 擴(kuò)展到一個(gè)很寬的頻段，因此對(duì)無線信道的多徑衰落具有顯著的抵御作用?；?沌信號(hào)對(duì)初始條件極為敏感，只要初始值發(fā)生微小的改變，系統(tǒng)狀態(tài)就會(huì)發(fā)生 很大的變化?；煦缧盘?hào)的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不同初值產(chǎn)生的信號(hào)之間互相關(guān)幾乎 為o ，且每個(gè)信號(hào)都具有很好的自相關(guān)特性，其自相關(guān)函數(shù)接近的萬函數(shù)。 8 0 年代以來，國際上混沌通信理論與技術(shù)的形成和發(fā)展經(jīng)歷了具有歷史意義 的3 件大事：1 、1 9 8 3 年，蔡少棠教授首次提出了著名的蔡氏電路，使人們能從電 路的角度較為方便地對(duì)混沌機(jī)理與特性進(jìn)行研究；2 、1 9 9 0 年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室 研究人員l m p e c o r a 和t l c a r r o l l 首次利用驅(qū)動(dòng)響應(yīng)法實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)混沌系統(tǒng)的 同步，這一突破性的進(jìn)展，使混沌理論應(yīng)用于通信領(lǐng)域成為可能；3 、1 9 9 1 年以 后，國際上相繼提出了各種混沌通信制式及其理論與方法，使混沌通信成為現(xiàn)代 通信領(lǐng)域的一個(gè)新的分支與方向 2 卜 4 1 。到目前為止，對(duì)混沌通信的研究主要可 以劃分為四大類： l 、混沌擴(kuò)頻 混沌擴(kuò)頻是采用非線性映射的混沌序列來替代擴(kuò)頻通信的p n 碼，因混沌 信號(hào)的不重復(fù)性，這樣的擴(kuò)頻混沌序列數(shù)量眾多，有效的解決了擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 中擴(kuò)頻碼短缺的問題。 s i m of m d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 2 、混沌鍵控 混沌鍵控可以分為兩種，第一種是利用所發(fā)送的數(shù)字信號(hào)調(diào)制發(fā)送端混沌 系統(tǒng)的參數(shù)，使其在兩個(gè)值之間切換。接收端通過檢測(cè)個(gè)混沌系統(tǒng)的同步誤差； 利用這兩個(gè)固定的值來判決出所發(fā)送的信息。第二種是差分混沌鍵控，利用參 考信號(hào)和信息信號(hào)的相對(duì)極性來檢測(cè)信息。 3 、混沌參數(shù)調(diào)制 混沌參數(shù)調(diào)制是利用發(fā)送端所傳輸?shù)男盘?hào)來調(diào)制混沌系統(tǒng)的參數(shù)，在接收 端利用混沌同步信號(hào)提取出相應(yīng)的混沌系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而恢復(fù)出所傳輸?shù)男畔ⅰ?4 、混沌掩蓋 混沌掩蓋是混沌保密通信方式的一種，其基本思想是在發(fā)送端利用混沌信 號(hào)作為一種載體來隱藏信號(hào)或者遮掩所要傳送的信息，在接收端則利用同步后 的混沌信號(hào)進(jìn)行去掩蓋，從而恢復(fù)出信息。 1 2 混沌調(diào)制的發(fā)展 在1 9 9 8 年的i e e e 國際電路與系統(tǒng)大會(huì)上，gk o l u m b a n 等人指出采用偽 隨機(jī)碼的擴(kuò)頻通信技術(shù)存在三個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)：一是接收機(jī)中去擴(kuò)頻的碼信號(hào)必 須與發(fā)射機(jī)的擴(kuò)頻碼具有嚴(yán)格的同步，但實(shí)際應(yīng)用中的惡劣傳播環(huán)境產(chǎn)生的同 步誤差將使得通信性能明顯惡化；二是擴(kuò)頻與去擴(kuò)頻處理需要額外的特定電路； 三是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的價(jià)格和功耗無法降低到某一極限以下。而混沌調(diào)制系統(tǒng)恰 恰具有克服這些缺點(diǎn)的優(yōu)越性?；煦缤ㄐ畔到y(tǒng)只要采用非常簡單的電路就能產(chǎn) 生任意頻帶的寬帶信號(hào)，具有任意的功率電平，所傳輸?shù)臄?shù)字信息可以直接映 射到某個(gè)混沌波形的樣本函數(shù)中去。如果采用差分的混沌調(diào)制方式，則擴(kuò)頻通 信中的擴(kuò)頻和去擴(kuò)頻處理所需的同步就可以在這里省去。再者，混沌調(diào)制產(chǎn)生 的波形自相關(guān)性較好，故對(duì)多徑傳播極不敏感。 gk o l u m b a n 提出了四種混沌調(diào)制技術(shù)：c s k ( 混沌鍵控) 、c o o k ( 混沌 開關(guān)鍵控) 、d c s k ( 差分混沌鍵控) 和f m d c s k ( 調(diào)頻差分混沌鍵控) 。c s k 和c o o k 存在判決門限不固定的缺陷，而d c s k 雖然解決了這個(gè)缺陷，卻存在 比特能量不恒定，接收端需要長時(shí)間的估算導(dǎo)致傳輸速率受到影響。f m d c s k 則很好的解決了這兩個(gè)問題：采用差分方式使得接收機(jī)可以采用0 作為門限來 2 第一章緒論 判決，將f m 調(diào)制后的混沌信號(hào)作為載波則使得比特能量固定，有效的提高了 傳輸速率 5 】。 因此，f m d c s k 作為一種實(shí)用性很強(qiáng)的混沌調(diào)制技術(shù)，受到了極大的關(guān) 注。gk o l u m b a n 在后續(xù)的研究中對(duì)f m d c s k 技術(shù)做了大量的深入分析，探討 了f m d c s k 在多徑衰落信道下性能，提出了一般的f m d c s k 解調(diào)方法【6 】 7 】； c k t s e 和f c m l a u 在其著作中給出了多種d c s k 的多址方案 1 】，這些方 案同樣適用于f m d c s k ；而葉麗芬、王琳等人的研究則進(jìn)一步揭示了 f m - d c s k 作為一種擴(kuò)頻技術(shù)的本質(zhì)以及該技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)c d m a 擴(kuò)頻系統(tǒng)的顯 著優(yōu)勢(shì) 8 】。 1 。3 論文研究的目的、意義與方法 f m d c s k 技術(shù)經(jīng)過十年的發(fā)展，已經(jīng)相對(duì)完善，其調(diào)制解調(diào)方案已經(jīng)比 較成熟，多址方案也得到了多方的關(guān)注 1 】 1 2 】。然而，現(xiàn)代通信業(yè)務(wù)對(duì)通信系 統(tǒng)提出了更高更快更強(qiáng)的要求，數(shù)據(jù)傳輸速率必須越來越高，通信質(zhì)量必須越 來越好，我們迫切需要一種新的技術(shù)手段來提升f m d c s k 的性能。于是，我 們首都嘗試將空域信號(hào)處理引入f m d c s k ，在空間維度為f m d c s k 的發(fā)展 開拓一個(gè)新的方向。 我們注意到，近年來m i m o ( m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ，多入多出) 和空域信號(hào)處理技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。作為獨(dú)立于時(shí)間和頻率之外的第三種維 度，在空域上對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理能夠節(jié)省寶貴的時(shí)間和頻率資源，進(jìn)一步提升了 通信系統(tǒng)的性能 9 】。利用空間維度進(jìn)行信號(hào)處理的技術(shù)主要可以分為兩種，一 種是空間復(fù)用，一種是空間分集。前者利用各個(gè)收發(fā)天線之間的信道張成的自 由度，在多根發(fā)射天線上并行的發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，在接收端采用天線陣列進(jìn)行 信號(hào)檢測(cè)，這種技術(shù)有效的提高了信號(hào)的傳輸速率，其代表性技術(shù)是貝爾實(shí)驗(yàn) 室提出的v b l a s t 方案 1 0 】；后者也是利用空間信道的獨(dú)立性，不過與前者不 同的是，分集系統(tǒng)對(duì)相同的信息在空間多條信道中傳播產(chǎn)生的不同副本進(jìn)行處 理，從而獲得分集增益，提升系統(tǒng)的差錯(cuò)率性能，其代表性技術(shù)是空時(shí)分組碼 發(fā)射分集方案以及其他的接收分集方案 1 1 】。 通過對(duì)f m d c s k 自身特點(diǎn)的分析，我們首先認(rèn)為上述的m i m o 空間復(fù)用 方案在f m d c s k 中不可行。因?yàn)楝F(xiàn)行的通信系統(tǒng)可以采用m i m o 復(fù)用方案的 s i m of m d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 前提是接收機(jī)必須估計(jì)信道，且收發(fā)天線構(gòu)成的并行子信道相互之間相關(guān)性較 弱，接收機(jī)可以采用最大似然檢測(cè)或者其他次優(yōu)的線性檢測(cè)算法對(duì)接收信號(hào)進(jìn) 行處理。然而f m d c s k 的差分調(diào)制方案決定了接收機(jī)無需采用信道估計(jì)技術(shù)， 也不可能采用信道估計(jì)技術(shù)來對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。因此，空間分集的思想成 為與f m d c s k 技術(shù)相結(jié)合的合適候選。 據(jù)文獻(xiàn) 8 的仿真結(jié)果，我們看出f m d c s k 在頻率選擇性信道下的性能要 優(yōu)于在平坦衰落信道下的性能，因此，f m d c s k 實(shí)質(zhì)上是一種頻率分集技術(shù)。 本文我們將在頻率分集的基礎(chǔ)上增加一個(gè)空間的維度，首次嘗試將空間分集的 思想引入f m d c s k 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，采用多根接收天線構(gòu)成s i m o ( s i n g l e i n p u t a n dm u l t i p l e o u t p u t ，單入多出) 架構(gòu)f m d c s k 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，以期能夠提高 其差錯(cuò)率性能。同時(shí)，為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，我們?cè)诎l(fā)送端使用w a l s h 函數(shù) 區(qū)分子流，在不增加帶寬的情況下使傳輸速率實(shí)現(xiàn)了數(shù)倍的增長。 另一方面，從通信系統(tǒng)的完整性考慮，我們必須探尋s i m of m d c s k 方 案與其他通信技術(shù)的兼容性問題，特別是與在通信系統(tǒng)中起到至關(guān)重要作用的 糾錯(cuò)編碼的適配性。于是，我們選取了幾種有代表性的糾錯(cuò)編碼碼型與s i m o f m d c s k 方案結(jié)合，給出各種碼型在該傳輸體制下的差錯(cuò)率性能，以期能夠 對(duì)該方案的在實(shí)際通信系統(tǒng)中的應(yīng)用提供一定的參考。 在本文中，我們給出了s i m of m d c s k 的收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)，采用c 語言搭建 仿真平臺(tái)，通過大量的仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證s i m of m d c s k 方案在不同數(shù)目的子 流、不同數(shù)目的天線配置下的差錯(cuò)率性能，并且將該方案與d s v b l a s t 方案 在相同的帶寬效率、相同的傳輸速率條件下進(jìn)行了性能對(duì)比。最后，我們將不 同的糾錯(cuò)編碼碼型嵌入s i m of m d c s k 方案中，在不同的幀長、不同的碼率 條件下對(duì)各種碼型進(jìn)行了對(duì)比分析。 綜合以上，本文的創(chuàng)新之處主要有兩點(diǎn)： 1 、提出s i m o 架構(gòu)f m d c s k 方案，并與d s v b l a s t 進(jìn)行了對(duì)比，前者 無論在b e r 性能還是實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度方面都體現(xiàn)出可觀的優(yōu)勢(shì)。 2 、研究了各種糾錯(cuò)編碼與s i m of m d c s k 方案的適配性，發(fā)現(xiàn)p a 碼與 s i m of m d c s k 結(jié)合的方案與l d p c 、卷積碼相比具有更加優(yōu)越的性能。同時(shí) 也通過仿真發(fā)現(xiàn)了p a 編碼s i m of m d c s k 系統(tǒng)的最佳碼率。 4 第一章緒論 1 4 論文的結(jié)構(gòu) 本文具體內(nèi)容安排如下： 1 、 第一章闡述了混沌通信的發(fā)展歷程，f m d c s k 調(diào)制技術(shù)的提出及其與 空間分集思想結(jié)合的可能性，給出了本文研究的意義、目的和方法。 最后指出了本文的研究范圍和方向，給出了全文的內(nèi)容輪廓。 2 、 第二章介紹了無限通信系統(tǒng)的組成，特別對(duì)無線信道的衰落類型進(jìn)行 了較為詳細(xì)的闡述，并指出了本文的所有仿真所采用的信道類型。 3 、 第三章闡述了混沌通信理論，從各種混沌調(diào)制解調(diào)方式的接收判決門 限和估算問題引出了f m d c s k 技術(shù)。 4 、第四章詳細(xì)給出了作者所提的s i m of m d c s k 收發(fā)機(jī)方案，對(duì)該方案 的鏈路仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并與d s v b l a s t 方案的性能進(jìn)行了仿真 對(duì)比。 5 、第五章重點(diǎn)研究了加入糾錯(cuò)編碼的s i m of m d c s k 方案的差錯(cuò)率性 能，通過仿真對(duì)各種碼型的性能進(jìn)行有效的評(píng)估。 6 、 最后總結(jié)全文，并給出作者在攻讀碩士期間從事的科研工作和發(fā)表的 論文，以及相關(guān)的參考文獻(xiàn)。 s i m of m d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 第二章無線通信理論基礎(chǔ) 2 1 數(shù)字通信系統(tǒng)的構(gòu)成 自從1 8 9 7 年馬可尼第一次用無線電實(shí)現(xiàn)與橫跨英吉利海峽的船舶之間的聯(lián) 絡(luò)以來，經(jīng)過了漫長的數(shù)十年，直到2 0 世紀(jì)7 0 年代才實(shí)現(xiàn)了為全人類提供個(gè) 人無線通信這一夢(mèng)想，誕生了無線通信技術(shù)。無線通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬到數(shù) 字的轉(zhuǎn)變，從少數(shù)人的奢侈品成為現(xiàn)在人人都得以享用的公眾網(wǎng)絡(luò)，從最早的 語音通信逐漸過渡到越來越高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。無線通信已經(jīng)無處不在，正在人 類文明的進(jìn)程中發(fā)揮著巨大的推動(dòng)作用。 所謂的無線通信( c o m m u n i c a t i o n 或t e l e c o m m u n i c a t i o n ) ，是將電磁波信號(hào) 通過空氣( 或者真空) 傳播，把信息從一方無差錯(cuò)的傳輸?shù)搅硪环?，這樣的信 息可以是低速的語音，也可以是圖像、視頻等多媒體信息。最早出現(xiàn)的是模擬 通信，在基帶傳輸?shù)氖悄M信號(hào)；而數(shù)字信號(hào)因其抗噪聲、易檢測(cè)、高容量等 優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)完全取代模擬信號(hào)，成為無線信號(hào)傳輸?shù)闹饕问健?數(shù)字無線通信系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下 1 3 】： 債迥= 息? 黼?？谏厅円痪W(wǎng)。岡一網(wǎng)網(wǎng)l 圖2 - 1 數(shù)字無線通信系統(tǒng) 數(shù)字通信系統(tǒng)的目標(biāo)是盡量有效可靠的從一個(gè)數(shù)字信息源( 如計(jì)算機(jī)、數(shù) 字化的語音或視頻) 傳輸信息到一個(gè)接收端。 從圖2 1 可以看出，數(shù)字通信的過程首先是將信源格式化為數(shù)字信號(hào)( “0 和“l(fā) ) ，然后進(jìn)行信源編碼，通過數(shù)據(jù)壓縮提高信息的傳輸效率，同時(shí)采用數(shù) 6 第二章無線通信理論基礎(chǔ) 據(jù)加密編碼增加端到端的安全性。信道編碼是在傳輸?shù)拇a序列中引入一定算法 的冗余度，達(dá)到檢錯(cuò)和糾錯(cuò)的目地，用來減小在接收端誤判的概率。 經(jīng)過編碼的信息序列又用于改變一個(gè)模擬電磁波( 載波) 的某些特性，如 幅度、相位、頻率等，這個(gè)過程稱作調(diào)制。調(diào)制總是必需的，因?yàn)樗袑?shí)際的 通信信道都是帶限的模擬信道，不能直接傳輸數(shù)字信號(hào)。具體來說，調(diào)制就是 將一個(gè)信碼變換成一個(gè)適于傳輸?shù)哪M波形。一般的數(shù)字調(diào)制包括幅移鍵控 ( a m p l i t u d es h i f tk e y i n g ，a s k ) ，相移鍵控( p h a s es h i f tk e y i n g ，p s k ) ，頻 移鍵控( f r e q u e n c ys h i f tk e y i n g ，f s k ) ，連續(xù)相位調(diào)制( c o n t i n u o u sp h a s e m o d u l a t i o n ，c p m ) 和幅度相位鍵控( a m p l i t u d ep h a s ek e y i n g ，a p k ) 。其中， 信碼分別和一正弦載波的幅度、相位、頻率、相位和相位轉(zhuǎn)變、及幅度和相位 一一對(duì)應(yīng)。 在擴(kuò)頻通信中，調(diào)制后的信號(hào)還要經(jīng)過一個(gè)速率更高的擴(kuò)頻碼作用，再送 入信道傳輸，擴(kuò)頻在寬帶通信中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)然，實(shí)際通信里可能有多個(gè) 用戶同時(shí)發(fā)起通信，所以還要采用多址接入技術(shù)。信道是一個(gè)物理媒體，載信 模擬波形通過它從發(fā)送端到達(dá)接收端。在實(shí)際信道中，模擬信號(hào)不可避免的會(huì) 受到各種線性和非線性機(jī)制的損害：衰減、擴(kuò)散、碼間干擾、互調(diào)干擾、p m a m 和a m p m 轉(zhuǎn)變、噪聲、干擾、多徑效應(yīng)等。因而接收端從來不可能精確的接 收到發(fā)送的信號(hào)。 在接收端，待接收的信號(hào)要相應(yīng)做多址解復(fù)用、解擴(kuò)、解調(diào)、譯碼，這樣 信息才能恢復(fù)。接收端的多址解復(fù)用是為了把該用戶的信息從多個(gè)用戶的疊加 信號(hào)中分離出來。解擴(kuò)是為了把經(jīng)展寬的信號(hào)恢復(fù)成原來的窄帶信號(hào)。解調(diào)器 的作用就是從接收到的已損模擬信號(hào)中估計(jì)出一個(gè)傳輸碼序列。信道解碼器的 作用是從估計(jì)的碼序列中重構(gòu)原始的比特流。因?yàn)樵趯?shí)際通信信道中的干擾， 無差錯(cuò)的傳輸是從來不可能的。 由于實(shí)際需要傳輸?shù)亩际悄M信號(hào)，所以在上述數(shù)字通信系統(tǒng)的兩端還分 別加有格式化模塊，通過模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器等實(shí)現(xiàn)數(shù)字和模擬信號(hào)之間的格式 轉(zhuǎn)換。 另外，值得一提的是，在數(shù)字通信系統(tǒng)的發(fā)送端和接收端都可能使用多根 天線，利用信號(hào)在空間傳播的獨(dú)立性，實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用或者空間分集，以提高數(shù) s i m of m d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 據(jù)傳輸速率，降低差錯(cuò)率。如果發(fā)送端使用多跟天線而接收端使用單根天線， 構(gòu)成一個(gè)m i s o ( m u l t i p l e i n p u ta n ds i n g l e o u t p u t ) 系統(tǒng)，可以采用發(fā)射分集方 案來提升系統(tǒng)性能；如果發(fā)送端采用單根天線而接收端采用多根天線，構(gòu)成一 個(gè)s i m o ( s i n g l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ) 系統(tǒng)，可以采用接收分集方案來提 升系統(tǒng)性能；如果發(fā)送端和接收端都采用多根天線，構(gòu)成一個(gè)m i m o ( m u l t i p l e i n p u ta n dm u l t i p l e o u t p u t ) 系統(tǒng)，則配置方案更為靈活，發(fā)送端可以 采用多天線的發(fā)射分集或者多天線的空間復(fù)用，接收端則仍然是多天線的接收 分集，在復(fù)用的模式下，接收端的天線數(shù)不得少于發(fā)送端的天線數(shù)。關(guān)于空間 分集的闡述將在第四章中詳細(xì)給出。 混沌通信作為一種調(diào)制解調(diào)方案，與現(xiàn)行調(diào)制方式的區(qū)別在于，前者使用 非周期的混沌信號(hào)作為載波，而后者則采用周期正弦信號(hào)作為載波?；煦缯{(diào)制 因?yàn)槠渚哂袧撛诘目苟鄰剿ヂ涞膬?yōu)異能力而被提出來 1 4 】。有關(guān)混沌、混沌調(diào) 制、混沌通信的概念和原理將在后續(xù)章節(jié)里詳細(xì)闡述。在目前提出的所有混沌 調(diào)制方案中，f m d c s k 表現(xiàn)出最佳的抗噪聲和抗多徑衰落性能 6 】，故成為本 文研究關(guān)注的重點(diǎn)。 由于f m d c s k 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)抗無線信道的頻率選擇性衰落，而本文 將空間分集的思想引入f m d c s k 調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，也正是利用了信道空間衰落 的獨(dú)立性，因此，下一節(jié)將對(duì)無線衰落信道的特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。 2 2 無線衰落信道 與其它通信信道相比，無線信道是最為復(fù)雜的一種。在移動(dòng)無線環(huán)境中， 周圍的物體都會(huì)對(duì)無線電波產(chǎn)生反射作用，產(chǎn)生幅度衰減和相位延遲的反射波， 這些反射波經(jīng)空中各處的接收機(jī)天線接收后，根據(jù)其隨機(jī)相位的不同，對(duì)接收 信號(hào)會(huì)起到加強(qiáng)或者減弱的作用，處于這個(gè)多徑場(chǎng)中的移動(dòng)臺(tái)就有可能接收到 幅度和相位劇烈變化的信號(hào)。無線信道的衰落特性可以分為大尺度衰落和小尺 度衰落，下面將一一闡述。 2 2 1 大尺度衰落 大尺度衰落是一種基于宏觀的統(tǒng)計(jì)，包含兩種衰落，一種是路徑損耗，一 8 第二章無線通信理論基礎(chǔ) 種是陰影衰落。其中路徑損耗可以認(rèn)為是電磁波在自由空間隨距離的增長而發(fā) 生的衰減，而陰影衰落則是由建筑物或者自然特征的阻礙效應(yīng)造成的。 路徑損耗： 在理想的自由空間傳播中我們有功率損耗平方反比定律，接收到的信號(hào)功 率由下式給出 9 】： p = p ( 南) 2 g ，g r - ， 其中c 和p r 分別是發(fā)送功率和接收功率，丸是波長，g ，和g ，分別是發(fā)送和接 收的天線功率增益，d 是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的空間距離。如果是在小區(qū)環(huán)境中， 則接收功率可以寫為： p = 只f ，t , 絲d 2 、j 2 g ，g ， ( 2 2 ) 其中囊和以分別是發(fā)送和接收天線的有效高度，并且我們假設(shè)d 2 曩以。在現(xiàn) 實(shí)環(huán)境中，路徑損耗指數(shù)大約在2 5 至6 之間，取決于地形和植被的情況。 硯影衰落： 陰影衰落是由建筑物或者自然特征的阻礙效應(yīng)造成的。j a k e s 在1 9 7 4 年觀 測(cè)到，接收功率在微觀衰落下的平均值將接近于對(duì)數(shù)坐標(biāo)的正態(tài)分布 1 5 】。以 概率密度描述的對(duì)數(shù)正態(tài)分布函數(shù)為： 1 一! ! = 些! ! f ( x ) = p 2 仃2 ( 2 3 ) 2 尢。 其中，x ( 單位d b ) 是一個(gè)隨機(jī)變量，表示長期波動(dòng)的功率信號(hào)，和盯分別 表示x 的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，都以d b 為單位來表示。等于上文式( 2 2 ) 中以距 離為函數(shù)的路徑損耗值，仃的典型值是8 d b 。 2 2 2 小尺度衰落 信號(hào)的小尺度衰落指的是接收信號(hào)在時(shí)間、頻率和空間中的快速波動(dòng)，它 是由發(fā)送方和接收方之間的物理信號(hào)散射造成的，也即我們所說的多徑。圖2 2 9 s i m 0f m d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 k d b ) s h a d o w i n g 圖2 2 大尺度衰落和小尺度衰落對(duì)接收功率的影響 顯示了大尺度衰落和小尺度衰落對(duì)接收功率的影響，其中橫軸表示范圍，縱軸 表示接收與發(fā)送的功率比值。圖中的直線表示路徑損耗，是距離的函數(shù)；實(shí)線 表示陰影衰落，變化較緩慢；虛線表示小尺度衰落，變化較劇烈，但統(tǒng)計(jì)均值 則保持緩變。 我們假定小尺度衰落是由大量獨(dú)立散射成分的疊加造成的，那么接收信號(hào) 的同相分量和正交分量就可以認(rèn)為是獨(dú)立零均值的高斯過程，該信號(hào)的包絡(luò)可 以表示為一個(gè)瑞利( r a y l e i g h ) 密度函數(shù)： m ) = 爭吾m ) ( 2 _ 4 ) 其中，q 是平均接收功率，材( 砷是單位階躍函數(shù)，定義為 “c x ，= 三二三： c 2 5 ， 式( 2 - 4 ) 就是我們所說的瑞利衰落。另外，如果收發(fā)機(jī)之間存在直視徑( l i n e o fs i g h t ) ，此時(shí)信號(hào)幅度將服從萊斯( r i c e a n ) 分布；而n a k a g a m i 分布則是一 種更復(fù)雜的分布，刻畫了高頻信道衰落的特點(diǎn) 9 】。這兩種信道本文不再贅述， 在后文的所有仿真中，我們都采用基于瑞利分布的多徑信道模型。 1 0 bd 耳一r 第二章無線通信理論基礎(chǔ) 上述的統(tǒng)計(jì)特性，依據(jù)維度的不同，可以分為時(shí)間選擇性( 非選擇性) 衰 落、頻率選擇性( 非選擇性) 衰落和空間選擇性( 非選擇性) 衰落。 多普勒擴(kuò)畏s 時(shí)間選擇性衰落： 由于散射或者收發(fā)機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而引起的時(shí)變衰落導(dǎo)致了發(fā)送信號(hào)的多普 勒擴(kuò)展。最簡單的多普勒擴(kuò)展表現(xiàn)為一個(gè)單頻信號(hào)擴(kuò)散在一個(gè)有限頻帶的帶寬 之中，對(duì)于連續(xù)頻帶的信號(hào)，我們把信道響應(yīng)自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換定義為 多普勒功率譜。典型的多普勒功率譜如圖2 3 所示，( y ) 是信道輸出的平均 功率，y 是多普勒頻率，并且滿足屹一v v c + 。 吵肋) 的均方根帶寬稱為多普勒擴(kuò)展，多普勒擴(kuò)展v r i s 由下式給出： v i 吼i s 2 = c 2 6 ) 其中國表示多普勒頻率區(qū)間v c 一y 屹+ ，礦是多普勒頻譜的平均頻 率，表示如下： 礦：曼二竺竺! 蘭! ：( 2 7 ) l ( v ) 咖 為了說明信道的時(shí)間選擇性衰落，我們定義信道相關(guān)時(shí)間z 1 懈。當(dāng)乙 哆翻聊 廠、-八 一k+ _ a 印瞄時(shí)和釉哪 圖2 - 3 典型多普勒功率譜 s 訂0f m d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 小于信號(hào)的碼元寬度時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間選擇性衰落，或稱為快衰落；當(dāng)t 大于 等于信號(hào)的碼元寬度時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間非選擇性衰落，或稱為慢衰落。在后文 的仿真中，我們都假定信道是慢衰落。 延遲擴(kuò)展s 頻率選擇性衰落： 實(shí)際上，無線信號(hào)傳播過程中真正的單徑信道是不存在的，但是我們習(xí)慣 將信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布的在時(shí)間上不可分辨的多徑信道稱為瑞利單徑信道， 即瑞利平衰落信道；而多徑信道則一般都是指可分辨的多徑，即頻率選擇性信 道。二者以信號(hào)帶寬和信道相干帶寬的大小關(guān)系來區(qū)分。本文在后續(xù)的章節(jié)中 提到的多徑衰落信道均指頻率選擇性信道。 首先定義信道時(shí)延擴(kuò)展的均方根為： f 膦2 廣( f f ) 2 y 肪( f ) 出 r y 肪( f ) d r ( 2 8 ) 這里y 眈( r ) 表示多徑的強(qiáng)度，是時(shí)延r 的函數(shù)，如圖1 - 4 所示。z m a x 是最大 時(shí)延，f 是平均時(shí)延，由下式給出： f ：二蘭竺! 二! 蘭二( 2 9 ) 廣( f ) d f 夕一f ) o d 婦y 圖2 4 典型多徑延遲功率分布圖 1 2 第二章無線通信理論基礎(chǔ) 信道的頻率選擇性衰落是由延遲擴(kuò)展造成的，可以用相干帶寬噩來描述： 皿1 。當(dāng)忍小于信號(hào)帶寬時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷頻率選擇性衰落；當(dāng)忍大于等于 信號(hào)帶寬時(shí)，信號(hào)經(jīng)歷頻率非選擇性衰落，也稱平衰落。圖2 _ 4 給出了典型的 多徑延遲功率分布圖。在后文的仿真中，我們都假定信號(hào)經(jīng)歷頻率選擇性衰落。 角受擴(kuò)展s 空聞選擇性衰落： 空間傳播的多徑信號(hào)到達(dá)接收天線陣列時(shí)都存在一定的角度，我們將其定 義為到達(dá)角占，用兒( 曰) 表示接收機(jī)的平均功率譜，典型的( 鄉(xiāng)) 與臼的函數(shù)關(guān) 系如圖2 5 所示。 我們把角度擴(kuò)展定義為： = 阿 一 i ( 鄉(xiāng)一目) 2 a ( e ) d o d - 石 p f o 、_ o 其中，歹是到達(dá)角的平均值，由下式給出 豇蹄 , e g o ) l ， 幾肌一 。 0 曩 叼b 卿 圖2 - 5 典型接收機(jī)功率譜與到達(dá)角秒的關(guān)系 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) s i m of m - d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 角度擴(kuò)展引起空間選擇性衰落，這就意味著接收信號(hào)的幅度由天線的空間 位置決定?？臻g選擇性衰落可以用相干距離口來描述，它表示空間衰落的自相 關(guān)系數(shù)下降到0 7 的空間距離，角度擴(kuò)展越大，相干距離越短，于是我們有 皿l 。如果信道的相干距離大于天線間距，信號(hào)經(jīng)歷空間非選擇性衰落； 如果信道的相干距離小于天線間距，則信號(hào)經(jīng)歷空間選擇性衰落。 必須說明的是，信道的選擇性衰落對(duì)無線通信系統(tǒng)而言非不一定總是有害。 相反的，我們可以利用各種分集技術(shù)來利用各個(gè)維度上的信號(hào)冗余，以達(dá)到改 善通信系統(tǒng)性能的目的，這在第四章中會(huì)詳細(xì)提及。本文提出的將空間分集引 入f m d c s k 系統(tǒng)的做法，正是利用了空間選擇性信道中各條路徑信號(hào)的獨(dú)立 性。 1 4 第三章混沌通信理論 第三章混沌通信理論 3 1 混沌通信產(chǎn)生的背景 八十年代以來，國際上混沌通信理論與技術(shù)的形成和發(fā)展主要經(jīng)歷了具有 歷史意義的三件大事：1 9 8 3 年，蔡少棠教授首次提出了著名的蔡氏電路，它是 迄今為止在非線性電路中產(chǎn)生復(fù)雜動(dòng)力學(xué)行為的最有效而簡單的混振電路之 一。通過對(duì)蔡氏電路參數(shù)的改變，可產(chǎn)生從倍周期分岔、單渦卷、周期3 到雙 渦卷等十分豐富的混沌現(xiàn)象，從而使人們能從電路的角度較為方便地對(duì)混沌機(jī) 理與特性進(jìn)行研究；1 9 9 0 年，美國海軍實(shí)驗(yàn)室研究人員p e e o r a 和c a r r o l l 首次 利用驅(qū)動(dòng)響應(yīng)法實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)混沌的同步，這一突破性的進(jìn)展，使混沌理論應(yīng)用 于通信領(lǐng)域成為可能；1 9 9 1 年以后至今，在國際上相繼提出了各種混沌通信制 式及其理論與方法，由此使混沌通信成為現(xiàn)代通信領(lǐng)域的一個(gè)新的分支，隨著 混沌通信的進(jìn)一步完善與發(fā)展，它將成為本世紀(jì)通信技術(shù)的一個(gè)重要方向。 按目前國際國內(nèi)的研究水平，可以將混沌通信劃為四大類：l 、混沌擴(kuò)頻； 2 、混沌鍵控；3 、混沌參數(shù)調(diào)制；4 、混沌掩蓋。前三類屬于混沌數(shù)字通信，最 后一類屬于混沌模擬通信。如何圍繞這四大類混沌通信體制進(jìn)行理論分析、仿 真和實(shí)驗(yàn)研究，已成為信息科學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。在這四大類混沌通信體制 中，c s k 等一大類混沌鍵控占有重要的地位，具有較大發(fā)展前景與應(yīng)用價(jià)值， 主要包括有c s k ，c o o k ，d c s k 和f m d c s k 等。其中，f m d c s k 的抗多徑 衰落和抗干擾的優(yōu)越性最為明顯。 3 2 混沌調(diào)制解調(diào) 在傳統(tǒng)通信中，已調(diào)信號(hào)由對(duì)應(yīng)于各個(gè)碼元的一段模擬周期波形組成。當(dāng) 使用正弦基本函數(shù)而不采用擴(kuò)頻技術(shù)時(shí)，傳輸?shù)氖钦瓗盘?hào)。這種情況下，多 徑傳輸( 因?yàn)榻邮盏蕉鄠€(gè)沿不同路徑傳輸?shù)男盘?hào)) 會(huì)導(dǎo)致很大的衰減，甚至信 號(hào)的丟失( 在災(zāi)難性破壞性的干擾的情況下) 。 混沌通信，是調(diào)制方案采用混沌調(diào)制的數(shù)字通信系統(tǒng)。所謂混沌調(diào)制，就 s 0f m - d c s k 無線通信系統(tǒng)研究 是載波或者說基本函數(shù)是由混沌信號(hào)來實(shí)現(xiàn)的調(diào)制方案?；煦缤ㄐ诺奶岢?，為 無線移動(dòng)通信受到多徑衰落困擾的問題，提供了一種新的解決思路。 混沌信號(hào)，是一種對(duì)初始條件極為敏感的，看似不可預(yù)測(cè)，其實(shí)可以被數(shù) 學(xué)方式描述的偽隨機(jī)信號(hào)，它具有類似高斯白噪聲的很寬的頻譜，是一種擴(kuò)頻 寬帶信號(hào)。因?yàn)樗膶拵П举|(zhì)，采用混沌信號(hào)作為基本函數(shù)的調(diào)制方式比基