基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法与系统

1.本发明涉及通信信号处理技术领域，特别涉及一种基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法与系统。


背景技术：

2.混沌数字调制技术不但可以保留传统扩频通信系统具有的低截获概率和减轻多径效应等特性，而且还在许多其他方面表现出了独特的优势，例如可以降低系统的硬件成本，提升通信安全性，适合在多用户环境中有效区分不同用户，并且能够提高扩频通信系统的性能。
3.由于目前缺乏可靠、有效的方法在接收端实现混沌同步，现有的混沌数字调制解调方法大多基于传输参考方法，即把载波信号和携带信息的信号都发送给接收端。其中，差分混沌移位键控（differential chaos shift keying, dcsk）调制解调方法无需完成信道估计，能够获得较好的误码性能，在许多实际应用场合下（即：包括无线个人局域网、无线传感器网络等）都表现出了很强的竞争力。但是，为保证参考信号和信息信号之间正交，dcsk在不同的时间段内传输这两种信号，因而发射端和接收端都必须使用延时单元。在超宽带传输时，采用现有工艺集成模拟延时单元几乎不可能，数字方式实现的延时单元则将消耗巨大的功率。
4.针对上述问题，多载波差分混沌移位键控（multi-carrier differential chaos shift keying, mc-dcsk）调制解调方法使用多个子载波来同时传输参考信号和多路信息信号，通过不同的子载波来区分参考信号和各路信息信号。在所有的子载波中，只有1个子载波被分配给参考信号，而余下所有的子载波均被分配给信息信号，且每1路信息信号占据1个子载波。虽然mc-dcsk消除了收发设备中的延时单元，但是mc-dcsk的比特误码率仍然偏高，比特误码性能与安全性均不够理想。


技术实现要素：

5.本发明的目的之一是提供一种基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，以解决现有调制解调方法数据速率不高、安全性不理想、能效偏低及比特误码率偏高的问题。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法，总的来说，在发送端：先将待传输的信息经过串并转换为n组平行信息，并将每组信息分成p个索引比特和1个调制比特；利用混沌发生器产生混沌参考信号并重复多次，将重复后的混沌参考信号与载波相乘，生成hadamard矩阵，从中选择每行作为walsh码；将索引比特通过索引映射器选择2
p
个载波中的1个载波进行信息比特传送，将调
制比特经极性转换器转换为调制符号后再与前者进行差分混沌键控调制，将差分混沌键控调制后的信号与walsh码相乘后再与重复后的混沌参考信号相加，最后经置乱器进行置乱，得到发送端的发送信号，将其发送到信道中；在接收端：将接收到的信号先经过解置乱器进行处理，再经过多载波解调，分别恢复出参考信号和n路信息信号；获取分段平均后的参考信号序列，将其与n路信息信号序列分别进行矩阵相乘，再利用能量比较器解调出索引比特，通过阈值判决恢复出调制比特，最后经过并串转换输出原信息。
7.具体而言，在发送端，信号调制包括以下步骤：1）对输入的信息信号进行串并转换，分成n组信息，每组信息包括p位索引比特和1位调制比特两个部分；2）将n组索引比特通过索引映射器，从2
p
个载波中选择一个载波进行传输；3）利用混沌发生器生成长度为θ的logistic混沌参考信号，并重复r次；4）将n组调制比特经过极性转换器转换为调制符号后与步骤2）的结果进行相乘，再与重复后的混沌信号相乘；5）将重复后的混沌信号与载波相乘；6）产生hadamard矩阵，从中选择每行作为walsh码；7）将步骤4的结果与walsh码相乘，再与步骤3的混沌参考信号相加；8）将步骤7的结果经过置乱器进行置乱，得到发送端的发送信号。
8.其中，在接收端，信号解调包括以下步骤：9）将接收到的信号通过解置乱器进行处理；10）将步骤9所得信号与2
p
个同步的载波分别相乘，得到乘积信号；11）对步骤10所得信号分别进行匹配滤波，对滤波后的2
p
路乘积信号进行时域采样；12）将步骤11得到的信息信号分别与各自对应的walsh序列相乘，得到的结果再平均；13）对步骤11得到的参考信号进行分段平均；14）将步骤13所得平均后的参考信号序列与步骤12所得n路信息信号序列分别相关，得到n个相关值；15）将步骤14所得n个相关值分别经过n个能量比较器，得到具有最大绝对值的元素，从而解调出索引比特；16）将步骤14所得n个相关值分别经过n个能量比较器，再经过阈值判决，恢复出调制比特；17）将步骤15得到的索引比特和步骤16得到的调制比特组合后再进行并串转换，恢复出原信息信号。
9.另一方面，本发明还涉及一种基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，其包括发射端和接收端，所述射端和接收端采用上面所述的方法对信号进行调制解调。
10.确切来说，所述发射端是按照上面步骤1至步骤8的方法对输入的信息信号进行调
制。
11.其中，所述接收端是按照上面步骤9至步骤17的方法对接收到的信号进行解调。
12.于本发明一实施例中，所述发送端包括：混沌信号发生器、脉冲成形滤波器、串并变换电路、重复电路、极性转换器、n个索引映射器、n*2
p
个载波乘法器、n个载波加法器、n个调制乘法器及n个walsh序列乘法器；所述混沌信号发生器用于生成离散混沌参考信号序列；所述脉冲成形滤波器用于对混沌参考信号脉冲成形滤波，得到当前符号周期内的参考信号；所述串并变换电路用于将当前符号时间内要传输的串行数据比特转变为并行数据比特；所述重复电路用于对混沌信号进行重复，以降低噪声干扰；所述极性转换器用于将输入的调制比特转换为调制符号；所述n个索引映射器用于依据索引比特选择一个载波对信号进行传输；所述n*2
p
个载波乘法器用于将载波调制系数与载波相乘，实现载波索引调制；所述n个载波加法器用于将与载波相乘后的信号进行相加；所述n个调制乘法器用于将载波索引调制信号与调制比特相乘；所述n个walsh序列乘法器用于将信息信号与n个walsh码相乘。
13.于本发明一实施例中，所述接收端包括：2
p
个载波乘法器、2
p
个匹配滤波器、2
p
个采样开关、n个相关器、n个能量比较器、n个阈值判决器及并串变换电路；所述2
p
个载波乘法器用于将2
p
个同步的子载波分别与接收的信号相乘，得到2
p
个乘积信号；所述2
p
个匹配滤波器用于对2
p
个乘积信号分别进行匹配滤波；所述2
p
个采样开关用于对匹配滤波后的2
p
个乘积信号分别进行时域采样，恢复出1路离散参考信号序列和2
p
路离散信息信号序列；所述n个相关器用于将恢复出的参考信号与信息信号分别相关；所述n个能量比较器用于将n路信号的能量各自进行比较，从而解调出索引比特；所述n个阈值判决器输出具有最大绝对值的元素；所述并串变换电路用于将所得n路索引比特和调制比特各自组合后再合并为1路串行解调数据比特并输出。
14.相较于现有的差分混沌移位键控（dcsk）调制解调方法，本发明所提供的基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法能够在同一时段内传输考信号和信息信号，增加了系统的数据传输速率、能量效率以及保密性。另外，本发明在发送端采用了重复电路，接收端采用了平均处理，能够大大降低判决变量中的噪声分量，从而提高系统的比特误码性能。与此同时，由于本发明采用的方法能够避免在接收端、发射端中使用延时单元，进一步降低了接收端判决变量中的噪声分量，改善了系统的比特误码性能，从而能够获得较mc-dcsk调制解调方法更低的比特误码率。
附图说明
15.图1 为实施例所涉调制解调方法的流程示意图。
16.图2 为实施例中发送端（调制器）的结构示意图。
17.图3 为实施例中接收端（解调器）的结构示意图。
18.图4 为实施例所涉调制解调方法与现有的mcs-mdcsk方法在加性高斯白噪声信道中的误码性能对比图。
具体实施方式
19.为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明。
20.总的来说，本发明是先将待传输的信息经过串并转换为n组平行信息，并将每组信息分成p个索引比特和1个调制比特；利用混沌发生器产生混沌参考信号并重复多次，将重复后的混沌参考信号与载波相乘，生成hadamard矩阵，从中选择每行作为walsh码；将索引比特通过索引映射器选择2
p
个载波中的1个载波进行信息比特传送，将调制比特经极性转换器转换为调制符号后再与前者进行差分混沌键控调制，将差分混沌键控调制后的信号与walsh码相乘后再与重复后的混沌参考信号相加，最后经置乱器进行置乱，得到发送端的发送信号，将其发送到信道中；之后将接收到的信号先经过解置乱器进行处理，再经过多载波解调，分别恢复出参考信号和n路信息信号；通过获取分段平均后的参考信号序列，将其与n路信息信号序列分别进行矩阵相乘，再利用能量比较器解调出索引比特，通过阈值判决恢复出调制比特，最后经过并串转换输出原信息。
21.图1示出了基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法的过程，主要包括如下步骤：在发送端：步骤1:对输入的信息信号进行串并转换，分成n组信息，每组信息包括p位索引比特和1位调制比特两个部分；步骤2:将n组索引比特通过索引映射器，从2
p
个载波中选择一个载波进行传输；步骤3:利用混沌发生器生成长度为θ的logistic混沌参考信号，并重复r次；步骤4:将n组调制比特经过极性转换器转换为调制符号后与步骤2的结果进行相乘，再与重复后的混沌信号相乘；步骤5:将重复后的混沌信号x与载波f0相乘；步骤6:从产生的hadamard矩阵中选择每行作为walsh码；步骤7:将步骤4的结果与walsh码相乘，再与步骤3的混沌参考信号相加；步骤8:将步骤7的结果经过置乱器进行置乱，得到发送端的发送信号。
22.在接收端：步骤9:将接收到的信号通过解置乱器进行处理；步骤10:将步骤9所得信号与2
p
个同步的载波分别相乘，得到乘积信号；步骤11:对步骤10所得信号分别进行匹配滤波，对滤波后的2
p
路乘积信号进行时域采样；步骤12:将步骤11得到的信息信号分别与各自对应的walsh序列相乘，得到的结果再平均；步骤13:对步骤11得到的参考信号进行分段平均；步骤14:将步骤13所得平均后的参考信号序列与步骤12所得n路信息信号序列分别相关，得到n个相关值；步骤15:将步骤14所得n个相关值分别经过n个能量比较器，得到具有最大绝对值的元素，从而解调出索引比特；步骤16:将步骤14所得n个相关值分别经过n个能量比较器，再经过阈值判决，恢复
出调制比特；步骤17:将步骤15得到的索引比特和步骤16得到的调制比特组合后再进行并串转换，恢复出原信息信号。
23.基于与上述调制解调方法相同的技术构思，本发明还提出一种基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，该系统可利用上述方法对信号进行调制解调。
24.图2示出了该系统中发送端（调制器）的具体结构，总体来看，其主要包括：混沌信号发生器、脉冲成形滤波器、串并变换电路、重复电路、极性转换器、n个索引映射器、n*2
p
个载波乘法器、n个载波加法器、n个调制乘法器及n个walsh序列乘法器；其中，混沌信号发生器用于生成离散混沌参考信号序列，脉冲成形滤波器用于对混沌参考信号脉冲成形滤波，得到当前符号周期内的参考信号，串并变换电路用于将当前符号时间内要传输的串行数据比特转变为并行数据比特，重复电路用于对混沌信号进行重复，以降低噪声干扰，极性转换器用于将输入的调制比特转换为调制符号，n个索引映射器用于依据索引比特选择一个载波对信号进行传输，n*2
p
个载波乘法器用于将载波调制系数与载波相乘，实现载波索引调制，n个载波加法器用于将与载波相乘后的信号进行相加，n个调制乘法器用于将载波索引调制信号与调制比特相乘，n个walsh序列乘法器用于将信息信号与n个walsh码相乘。
25.图3示出了该系统中接收端（解调器）的具体结构，总体来看，其主要包括：2
p
个载波乘法器、2
p
个匹配滤波器、2
p
个采样开关、n个相关器、n个能量比较器、n个阈值判决器及并串变换电路。其中，2
p
个载波乘法器用于将2
p
个同步的子载波分别与接收的信号相乘，得到2
p
个乘积信号，2
p
个匹配滤波器用于对2
p
个乘积信号分别进行匹配滤波，2
p
个采样开关用于对匹配滤波后的2
p
个乘积信号分别进行时域采样，恢复出1路离散参考信号序列和2
p
路离散信息信号序列，n个相关器用于将恢复出的参考信号与信息信号分别相关， n个能量比较器用于将n路信号的能量各自进行比较，从而解调出索引比特，n个阈值判决器输出具有最大绝对值的元素，并串变换电路则用于将所得n路索引比特和调制比特各自组合后再合并为1路串行解调数据比特并输出。
26.在上述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法中，由于能够在同一时段内传输考信号和信息信号，因而可以增加系统的数据传输速率、能量效率以及保密性。另外，由于系统在发送端采用了重复电路，接收端采用了平均处理，能够大大降低判决变量中的噪声分量，从而提高系统的比特误码性能。与此同时，由于系统在接收端、发射端中无需使用延时单元，理论上可以进一步降低接收端判决变量中的噪声分量，改善系统的比特误码性能，获得更低的比特误码率。
27.为了验证上述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法能否实质性地降低比特误码率，通过以下测试例进行验证测试，验证测试的过程设计如下：在发送端，对信号进行基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制：步骤1：选择在信道中比特信噪比时，采用一个符号时间内离散混沌信号序列长度θ为10，可供使用的载波数目2
p
=8，n=800, p=3的条件。
28.步骤2：在1个符号周期[0，tb]内，混沌信号发生器输出1个长度为10的离散混沌信号序列，并重复5次。
[0029]
步骤3：将步骤2中生成的离散混沌信号序列通过1路平方升余弦滚降滤波器，其时
域冲激响应为h(t)，完成脉冲成形滤波，得到当前符号周期内的参考信号：；其中，t表示时间；tc表示码片时间。
[0030]
步骤4：使用串并变换电路，将在当前符号周期内要传输的1路长度为3200的串行数据比特转变为800路并行低速数据比特。每组信息包括3位索引比特和1位调制比特两个部分；步骤5：将800组索引比特同时通过映射选择器，各自从8个载波中选择一个载波进行传输；步骤6：将800组调制比特与步骤5的结果相乘，再与重复后的混沌信号相乘；步骤7：产生512*512的hadamard矩阵，从中选择每行作为walsh码；步骤8：混沌信号x重复后与载波f0相乘，得到参考信号；步骤9：步骤6的结果经过置乱矩阵，得到发送端的发送信号；步骤10：接收步骤9所发送的信号，将其经过解置乱矩阵后，与8个同步的载波分别相乘，得到乘积信号；步骤11：将步骤10所得8路乘积信号分别进行匹配滤波，对滤波后的8路乘积信号进行时域采样，采样后的每路信号分别经过矩阵b和矩阵a得到1路参考信号和800路信息信号；步骤12：对步骤11得到的800+1路信号，分别与各自对应的walsh序列相乘，得到的结果再平均；步骤13：将步骤12所得平均后的参考信号序列与步骤12所得800路信息信号序列分别相关，得到800个相关值；步骤14：将步骤13所得800个相关值分别经过800个能量比较器，得到具有最大绝对值的元素，从而可以解调出索引比特；步骤15：将步骤14所得800个相关值分别经过800个能量比较器后，再分别经过阈值判决器，恢复出调制比特；步骤16： 将步骤14得到的索引比特和步骤15得到的调制比特组合后再进行并串转换，恢复出原信息信号。
[0031]
利用计算机仿真对测试例中设计的基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法进行试验。试验中，传输的数据比特数目为3200，离散混沌信号序列由logistic映射产生，混沌信号采样频率为1mhz，符号持续时间t=16us，每个符号时间内等效的信号采样点数为16，平方升余弦滚降滤波器滚降系数α=0.25，所有子载波的中心频率间隔满足。
[0032]
图4为加性高斯白噪声信道中仿真得到的测试例的比特误码率。作为对照，图中还给出了相同条件下仿真得到的现有mcs-mdcsk方法的比特误码率。从图中可以看出，与现有的mcs-mdcsk方法相比，上述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法明显降低了比特误码率，表现出了更好的比特误码性能。
[0033]
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。
[0034]
为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本技术文件还省略了一些其它元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。

技术特征：
1.基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法，其特征在于：在发送端：将待传输的信息经过串并转换为n组平行信息，并将每组信息分成p个索引比特和1个调制比特；利用混沌发生器产生混沌参考信号并重复多次，将重复后的混沌参考信号与载波相乘，生成hadamard矩阵，从中选择每行作为walsh码；将索引比特通过索引映射器选择2
p
个载波中的1个载波进行信息比特传送，将调制比特经极性转换器转换为调制符号后再与前者进行差分混沌键控调制，将差分混沌键控调制后的信号与walsh码相乘后再与重复后的混沌参考信号相加，最后经置乱器进行置乱，得到发送端的发送信号，将其发送到信道中；在接收端：将接收到的信号先经过解置乱器进行处理，再经过多载波解调，分别恢复出参考信号和n路信息信号；获取分段平均后的参考信号序列，将其与n路信息信号序列分别进行矩阵相乘，再利用能量比较器解调出索引比特，通过阈值判决恢复出调制比特，最后经过并串转换输出原信息。2.如权利要求1所述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法，其特征在于，在发送端，信号调制包括以下步骤：1）对输入的信息信号进行串并转换，分成n组信息，每组信息包括p位索引比特和1位调制比特两个部分；2）将n组索引比特通过索引映射器，从2
p
个载波中选择一个载波进行传输；3）利用混沌发生器生成长度为θ的logistic混沌参考信号，并重复r次；4）将n组调制比特经过极性转换器转换为调制符号后与步骤2的结果进行相乘，再与重复后的混沌信号相乘；5）将重复后的混沌信号与载波相乘；6）产生hadamard矩阵，从中选择每行作为walsh码；7）将步骤4的结果与walsh码相乘，再与步骤3的混沌参考信号相加；8）将步骤7的结果经过置乱器进行置乱，得到发送端的发送信号。3.如权利要求1或2所述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法，其特征在于，在接收端，信号解调包括以下步骤： 9）将接收到的信号通过解置乱器进行处理；10）将步骤9所得信号与2
p
个同步的载波分别相乘，得到乘积信号；11）对步骤10所得信号分别进行匹配滤波，对滤波后的2
p
路乘积信号进行时域采样；12）将步骤11得到的信息信号分别与各自对应的walsh序列相乘，得到的结果再平均；13）对步骤11得到的参考信号进行分段平均；14）将步骤13所得平均后的参考信号序列与步骤12所得n路信息信号序列分别相关，得到n个相关值；15）将步骤14所得n个相关值分别经过n个能量比较器，得到具有最大绝对值的元素，从而解调出索引比特；
16）将步骤14所得n个相关值分别经过n个能量比较器，再经过阈值判决，恢复出调制比特；17）将步骤15得到的索引比特和步骤16得到的调制比特组合后再进行并串转换，恢复出原信息信号。4.基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，包括发射端和接收端，其特征在于：所述射端和接收端采用权利要求1所述方法对信号进行调制解调。5.如权利要求4所述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，其特征在于：所述发射端按照权利要求2中步骤1至步骤8的方法对输入的信息信号进行调制。6.如权利要求4或5所述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，其特征在于：所述接收端按照权利要求3中步骤9至步骤17的方法对接收到的信号进行解调。7.如权利要求6所述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，其特征在于，所述发送端包括：混沌信号发生器、脉冲成形滤波器、串并变换电路、重复电路、极性转换器、n个索引映射器、n*2
p
个载波乘法器、n个载波加法器、n个调制乘法器及n个walsh序列乘法器；所述混沌信号发生器用于生成离散混沌参考信号序列；所述脉冲成形滤波器用于对混沌参考信号脉冲成形滤波，得到当前符号周期内的参考信号；所述串并变换电路用于将当前符号时间内要传输的串行数据比特转变为并行数据比特；所述重复电路用于对混沌信号进行重复，以降低噪声干扰；所述极性转换器用于将输入的调制比特转换为调制符号；所述n个索引映射器用于依据索引比特选择一个载波对信号进行传输；所述n*2
p
个载波乘法器用于将载波调制系数与载波相乘，实现载波索引调制；所述n个载波加法器用于将与载波相乘后的信号进行相加；所述n个调制乘法器用于将载波索引调制信号与调制比特相乘；所述n个walsh序列乘法器用于将信息信号与n个walsh码相乘。8.如权利要求7所述基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控系统，其特征在于，所述接收端包括：2
p
个载波乘法器、2
p
个匹配滤波器、2
p
个采样开关、n个相关器、n个能量比较器、n个阈值判决器及并串变换电路；所述2
p
个载波乘法器用于将2
p
个同步的子载波分别与接收的信号相乘，得到2
p
个乘积信号；所述2
p
个匹配滤波器用于对2
p
个乘积信号分别进行匹配滤波；所述2
p
个采样开关用于对匹配滤波后的2
p
个乘积信号分别进行时域采样，恢复出1路离散参考信号序列和2
p
路离散信息信号序列；所述n个相关器用于将恢复出的参考信号与信息信号分别相关；所述n个能量比较器用于将n路信号的能量各自进行比较，从而解调出索引比特；所述n个阈值判决器输出具有最大绝对值的元素；所述并串变换电路用于将所得n路索引比特和调制比特各自组合后再合并为1路串行解调数据比特并输出。

技术总结
基于置乱矩阵的高数据率载波索引差分混沌键控调制解调方法与系统，与现有技术相比，本发明能够增加系统的数据传输速率、能量效率以及保密性。另外，本发明在发送端采用了重复电路，接收端采用了平均处理，能够大大降低判决变量中的噪声分量，从而提高系统的比特误码性能。与此同时，由于本发明采用的方法能够避免在接收端、发射端中使用延时单元，进一步降低了接收端判决变量中的噪声分量，改善了系统的比特误码性能，从而能够获得更低的比特误码率。率。率。


技术研发人员：粟新铭 俞斌 谭盛 贾雅琼 邹佶君 谌冠融
受保护的技术使用者：湖南工学院
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/12