【摘要】：混沌作為非線性系統(tǒng)的一種運(yùn)動(dòng)形式普遍存在于自然界。混沌具有很多特有性質(zhì),如非周期、長期不可測性等。研究混沌系統(tǒng)的控制和應(yīng)用這些性質(zhì)具有重要理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本文對混沌脈沖控制、混沌成型濾波、匹配濾波、混沌擴(kuò)頻技術(shù)、混沌探測技術(shù)等問題進(jìn)行了研究,主要工作和結(jié)論如下:(1)針對混沌符號(hào)動(dòng)力學(xué)通信中缺乏有效的調(diào)制方法,分別采用了一種脈沖微擾控制調(diào)制方案和一種混沌成型濾波器方案,其中微擾控制方案可以對任意二進(jìn)制序列有效調(diào)制而無需添加冗余碼,一次脈沖微擾控制可以調(diào)制若干位比特信息。接收端匹配濾波器由簡單的電阻-電容濾波器構(gòu)成,不但可以最大化接收信號(hào)信噪比,而且設(shè)計(jì)簡單,易于實(shí)現(xiàn)。采用一個(gè)特定的混沌基函數(shù)設(shè)計(jì)了一種混沌成型濾波器,二進(jìn)制符號(hào)序列通過此混沌成型濾波器即可得到連續(xù)的混沌信號(hào)。接收端的匹配濾波器由混沌基函數(shù)的時(shí)間逆與接收信號(hào)的卷積實(shí)現(xiàn),使接收端信噪比最大,提高了通信系統(tǒng)性能。針對脈沖微擾控制方案,利用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的微擾電路,用電路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提調(diào)制、解調(diào)方法。針對混沌成型濾波器方案,采用TMS320C6713數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,DSP)實(shí)現(xiàn)了所提調(diào)制、解調(diào)方案。所提方案在高斯信道下獲得了與二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)相近的誤碼率。同時(shí),利用該混沌信號(hào)李亞普諾夫指數(shù)譜不變特性設(shè)計(jì)了多徑抑制方案,所提方案配合多徑抑制算法比BPSK加上最小均方差(MMSE)均衡算法在多徑衰減信道中獲得了更好的性能表現(xiàn)。(2)提出了一種基于混雜系統(tǒng)和對應(yīng)匹配濾波器的差分混沌鍵控(DCSK)方案。該方案采用(1)中產(chǎn)生的混沌信號(hào)替代傳統(tǒng)DCSK方案中的邏輯映射混沌信號(hào),并在接收端增加了對應(yīng)的匹配濾波器以最大化接收端信噪比。所提方案不但繼承了傳統(tǒng)DCSK優(yōu)點(diǎn),可以有效抑制多徑傳輸帶來的碼間干擾,而且由于匹配濾波器的使用進(jìn)一步降低了誤碼率,同時(shí)匹配濾波器具有低通濾波特性可以有效抑制加性高頻干擾信號(hào)。此外,由于所采用的混沌系統(tǒng)可使用(1)中的調(diào)制方案,可以提供一路額外的比特流進(jìn)行傳輸。通過蒙特卡洛仿真驗(yàn)證了所提方案的優(yōu)越性,結(jié)果表明所提方案在高斯信道和多徑衰減信道下具有更好的誤碼性能和更強(qiáng)的抗干擾能力。(3)針對DCSK系統(tǒng)低速率和延遲功能實(shí)現(xiàn)難的缺點(diǎn),提出了基于混雜系統(tǒng)的相位分離DCSK通信系統(tǒng)。此方案利用相互正交的正弦信號(hào)對分別傳送參考信號(hào)和信息信號(hào),不但獲得了傳統(tǒng)DCSK兩倍的通信速率,而且避免使用延遲模塊,便于實(shí)現(xiàn)。同時(shí),混沌信號(hào)的調(diào)制提供了一路額外的信息比特流傳輸。仿真結(jié)果表明:此方案在保證設(shè)備可靠性的前提下,提高了通信速率,且實(shí)現(xiàn)設(shè)備與傳統(tǒng)方案通信設(shè)備完全兼容,適用于復(fù)雜信道下的高可靠性通信。(4)為了進(jìn)一步提高通信速率,提出了一種基于匹配濾波器的雙比特流多元DCSK通信方案,按照信息的重要程度提供了兩種傳輸質(zhì)量,其中高優(yōu)先級(jí)(High Priority,HP)比特流用于傳輸重要的信息,其將多位比特映射為一個(gè)符號(hào)并由正交Walsh碼矩陣的一行表示;低優(yōu)先級(jí)(Low Priority,LP)比特流可用于傳輸具有較高容錯(cuò)率的信息,與之前的方案相同,由調(diào)制的混沌信號(hào)構(gòu)成。該方案在接收端使用匹配濾波器和極大似然判決規(guī)則顯著減小了通信方案的誤碼率。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)表明:高斯信道下,所提方案相對于對比方案具有更低的誤碼率;多徑衰減信道下,所提方案具有更好的抗多徑能力。(5)分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了混沌信號(hào)測距的可行性,并給出了一種基于多徑抑制的雙基地混沌定位方案,其中測距部分采用混雜系統(tǒng)產(chǎn)生探測信號(hào),并采用對應(yīng)的匹配濾波器濾除噪聲,多徑抑制技術(shù)減小多徑效應(yīng)的影響,獲得了相比于傳統(tǒng)余弦探測信號(hào)、線性調(diào)頻探測信號(hào)更精確的測距結(jié)果。定位部分利用雙基地的測距結(jié)果和波束方向角判斷目標(biāo)坐標(biāo)。通過水聲信道模型的仿真表明,所提定位方案獲得了最優(yōu)的定位結(jié)果,具有更好的抗多途影響能力和復(fù)雜信道下更準(zhǔn)確的定位性能。(6)針對通信安全性問題,提出了兩種混沌保密通信方案,其中基于延遲Chen系統(tǒng)保密通信方案的密鑰信號(hào)由具有理論無限維的延遲Chen系統(tǒng)產(chǎn)生,具有更復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)特性,難以利用時(shí)間序列進(jìn)行相空間重構(gòu)破譯。采用了多次移位映射作為明文信號(hào)和密鑰信號(hào)的混淆函數(shù),提高了破譯難度。密文信息沒有在公共信道中直接傳輸,而是送入混沌吸引子中再次進(jìn)行混淆,隱藏了密鑰信號(hào)和密文信號(hào)的動(dòng)力學(xué)特性和統(tǒng)計(jì)特性,無法通過構(gòu)建回歸映射進(jìn)行破譯。基于單向耦合映象格子保密通信方案的密鑰信號(hào)由單向耦合映象格子產(chǎn)生。,具有多個(gè)正李亞普諾夫指數(shù),明文信號(hào)和一組密鑰信號(hào)送入非線性加密模塊加密,將加密輸出信號(hào)和另一組密鑰信號(hào)再送入線性加密模塊,進(jìn)一步混淆了明文信息,同時(shí)隱藏了明文信號(hào)和密鑰信號(hào),提高了破譯難度。信道傳輸?shù)拿芪男盘?hào)經(jīng)過均值濾波器作為發(fā)射端和接收端的驅(qū)動(dòng)信號(hào),增強(qiáng)了噪聲魯棒性。采用多頻正弦信號(hào)和語音信號(hào)對所提方案進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)證所提方案的有效性,證明了所提方案的優(yōu)越性。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O415.5;TN918;TN713
【圖文】：

[30]。圖1-1 數(shù)字通信系統(tǒng)模型.Fig. 1-1 Digital communication system model.自從1993年Hayes提出了混沌符號(hào)動(dòng)力學(xué)通信以來[31-32]，研究人員早期關(guān)注于只具有高斯白噪聲的理想通信信道下的誤碼率和混沌保密通信[33-37]，并且局限于理論仿真，而缺乏實(shí)際的應(yīng)用方案。主要原因在于（1）基于符號(hào)動(dòng)力學(xué)的混沌調(diào)制理論仍不完善，如何對具有初值高度敏感性和隨機(jī)性的混沌信號(hào)有效調(diào)制問題；（2）無線通信信道因其多徑傳輸、窄帶寬、復(fù)雜的環(huán)境噪聲、外部信號(hào)干擾、時(shí)變特性和多普勒頻移等特點(diǎn)而展現(xiàn)出了相較于有線信道更加惡劣的信道約束，經(jīng)過復(fù)雜信道后嚴(yán)重畸變的接收信號(hào)難以保證發(fā)射端和接收端的魯棒混沌同步問題；（3）混沌信號(hào)的寬頻譜特征使得其難以應(yīng)用于帶寬受限信道，如短波無線信道和水聲信道。針對問題（1），部分研究學(xué)者提出了新的符號(hào)動(dòng)力學(xué)調(diào)制、解調(diào)理論[38-39]，簡化了調(diào)制、解調(diào)方案，但是仍然面臨著需要添加冗余碼以調(diào)制特定的序列問題或混沌信號(hào)對初值敏感

分隔的兩部分，可以分別用于調(diào)制比特信息“0”和“1”。(a) (b)圖1-2 伯努利移位映射和帳篷映射的相空間. (a)子圖是伯努利移位映射的相空間, (b)子圖是帳篷映射的相空間.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.利用混沌符號(hào)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行通信的方法是 1993 年由 Hayes 等提出并進(jìn)行了電路實(shí)驗(yàn)[31-32]，此后這個(gè)方向的研究進(jìn)展緩慢，原因在于（1）傳統(tǒng)控制方法基于傳統(tǒng)混沌吸引子，如 Lorenz，Chua 電路的調(diào)制方法復(fù)雜，混沌通信的調(diào)制理論尚不完善。如 Bollt 等人[125]提出的調(diào)制方案需要在碼元中插入冗余碼以防止出現(xiàn)連續(xù)的“0”或“1”。（2）混沌系統(tǒng)對初值的敏感性使得混沌濾波過程難以實(shí)現(xiàn)，雖然 Rosa 等人[126]提出了一種混沌信號(hào)反向迭代法用于抑制混沌信號(hào)帶內(nèi)噪聲，也可以用于基于同步通信方案中以抑制噪聲影響[127-128]，但是該方案由于計(jì)算復(fù)雜難以應(yīng)用于實(shí)際通信中。2005 年 Hayes 提出能夠被應(yīng)用于通信系統(tǒng)中的混沌信號(hào)必須存在一個(gè)基函數(shù)

Fig. 2-5 Block diagram of the experiment setup for the impulse control method.(1) 混雜系統(tǒng)電路式(2.1)-式(2.3)表示的混雜混沌系統(tǒng)電路同時(shí)包含了模擬和數(shù)字元件，如圖2-6所示。此混沌振蕩器電路能同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的混沌波形和對應(yīng)的離散符號(hào)，其中運(yùn)算放大器選為TL082，供電電壓 15V；二極管為IN4148；最右邊的邊沿觸發(fā)D觸發(fā)器為SN47LS74AN，供電電壓+5V；數(shù)字部分和模擬部分共地。圖2-6 混沌振蕩器電路.Fig. 2-6 The chaotic oscillator circuit.圖2-6中的電容Cf用于調(diào)整期望的混沌電路基頻f。圖中u點(diǎn)的左半部分構(gòu)成了一個(gè)負(fù)電阻，記為-R；左下角的兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成了阻抗轉(zhuǎn)換器，用于表示近似理想的電感器，記為L。由左半部分電路的負(fù)電阻-R，電感器L和電容Cf構(gòu)成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RLC振蕩器，可以表示為0u ufdv vC idt R , (2.24)u sdiL v vdt , (2.25)其中vu, vs分別為u點(diǎn)和s點(diǎn)處的電壓

本文編號(hào)：2787394