【摘要】：混沌作為非線性系統的一種運動形式普遍存在于自然界�；煦缇哂泻芏嗵赜行再|,如非周期、長期不可測性等。研究混沌系統的控制和應用這些性質具有重要理論意義和應用價值。本文對混沌脈沖控制、混沌成型濾波、匹配濾波、混沌擴頻技術、混沌探測技術等問題進行了研究,主要工作和結論如下:(1)針對混沌符號動力學通信中缺乏有效的調制方法,分別采用了一種脈沖微擾控制調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制序列有效調制而無需添加冗余碼,一次脈沖微擾控制可以調制若干位比特信息。接收端匹配濾波器由簡單的電阻-電容濾波器構成,不但可以最大化接收信號信噪比,而且設計簡單,易于實現。采用一個特定的混沌基函數設計了一種混沌成型濾波器,二進制符號序列通過此混沌成型濾波器即可得到連續(xù)的混沌信號。接收端的匹配濾波器由混沌基函數的時間逆與接收信號的卷積實現,使接收端信噪比最大,提高了通信系統性能。針對脈沖微擾控制方案,利用MSP430單片機設計了相應的微擾電路,用電路實驗驗證了所提調制、解調方法。針對混沌成型濾波器方案,采用TMS320C6713數字信號處理器(Digital Signal Processor,DSP)實現了所提調制、解調方案。所提方案在高斯信道下獲得了與二進制相移鍵控(BPSK)相近的誤碼率。同時,利用該混沌信號李亞普諾夫指數譜不變特性設計了多徑抑制方案,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。(2)提出了一種基于混雜系統和對應匹配濾波器的差分混沌鍵控(DCSK)方案。該方案采用(1)中產生的混沌信號替代傳統DCSK方案中的邏輯映射混沌信號,并在接收端增加了對應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DCSK優(yōu)點,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一步降低了誤碼率,同時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。此外,由于所采用的混沌系統可使用(1)中的調制方案,可以提供一路額外的比特流進行傳輸。通過蒙特卡洛仿真驗證了所提方案的優(yōu)越性,結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的抗干擾能力。(3)針對DCSK系統低速率和延遲功能實現難的缺點,提出了基于混雜系統的相位分離DCSK通信系統。此方案利用相互正交的正弦信號對分別傳送參考信號和信息信號,不但獲得了傳統DCSK兩倍的通信速率,而且避免使用延遲模塊,便于實現。同時,混沌信號的調制提供了一路額外的信息比特流傳輸。仿真結果表明:此方案在保證設備可靠性的前提下,提高了通信速率,且實現設備與傳統方案通信設備完全兼容,適用于復雜信道下的高可靠性通信。(4)為了進一步提高通信速率,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量,其中高優(yōu)先級(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符號并由正交Walsh碼矩陣的一行表示;低優(yōu)先級(Low Priority,LP)比特流可用于傳輸具有較高容錯率的信息,與之前的方案相同,由調制的混沌信號構成。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。仿真結果和實驗表明: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)分析和實驗驗證了混沌信號測距的可行性,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產生探測信號,并采用對應的匹配濾波器濾除噪聲,多徑抑制技術減小多徑效應的影響,獲得了相比于傳統余弦探測信號、線性調頻探測信號更精確的測距結果。定位部分利用雙基地的測距結果和波束方向角判斷目標坐標。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)的定位結果,具有更好的抗多途影響能力和復雜信道下更準確的定位性能。(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系統保密通信方案的密鑰信號由具有理論無限維的延遲Chen系統產生,具有更復雜的動力學特性,難以利用時間序列進行相空間重構破譯。采用了多次移位映射作為明文信號和密鑰信號的混淆函數,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行混淆,隱藏了密鑰信號和密文信號的動力學特性和統計特性,無法通過構建回歸映射進行破譯�；趩蜗蝰詈嫌诚蟾褡颖Ｃ芡ㄐ欧桨傅拿荑�信號由單向耦合映象格子產生。,具有多個正李亞普諾夫指數,明文信號和一組密鑰信號送入非線性加密模塊加密,將加密輸出信號和另一組密鑰信號再送入線性加密模塊,進一步混淆了明文信息,同時隱藏了明文信號和密鑰信號,提高了破譯難度。信道傳輸的密文信號經過均值濾波器作為發(fā)射端和接收端的驅動信號,增強了噪聲魯棒性。采用多頻正弦信號和語音信號對所提方案進行了仿真和實驗驗證,驗證所提方案的有效性,證明了所提方案的優(yōu)越性。
【學位授予單位】：西安理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O415.5;TN918;TN713
【圖文】：

[30]。圖1-1 數字通信系統模型.Fig. 1-1 Digital communication system model.自從1993年Hayes提出了混沌符號動力學通信以來[31-32]，研究人員早期關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，而缺乏實際的應用方案。主要原因在于（1）基于符號動力學的混沌調制理論仍不完善，如何對具有初值高度敏感性和隨機性的混沌信號有效調制問題；（2）無線通信信道因其多徑傳輸、窄帶寬、復雜的環(huán)境噪聲、外部信號干擾、時變特性和多普勒頻移等特點而展現出了相較于有線信道更加惡劣的信道約束，經過復雜信道后嚴重畸變的接收信號難以保證發(fā)射端和接收端的魯棒混沌同步問題；（3）混沌信號的寬頻譜特征使得其難以應用于帶寬受限信道，如短波無線信道和水聲信道。針對問題（1），部分研究學者提出了新的符號動力學調制、解調理論[38-39]，簡化了調制、解調方案，但是仍然面臨著需要添加冗余碼以調制特定的序列問題或混沌信號對初值敏感

分隔的兩部分，可以分別用于調制比特信息“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.利用混沌符號動力學特性進行通信的方法是 1993 年由 Hayes 等提出并進行了電路實驗[31-32]，此后這個方向的研究進展緩慢，原因在于（1）傳統控制方法基于傳統混沌吸引子，如 Lorenz，Chua 電路的調制方法復雜，混沌通信的調制理論尚不完善。如 Bollt 等人[125]提出的調制方案需要在碼元中插入冗余碼以防止出現連續(xù)的“0”或“1”。（2）混沌系統對初值的敏感性使得混沌濾波過程難以實現，雖然 Rosa 等人[126]提出了一種混沌信號反向迭代法用于抑制混沌信號帶內噪聲，也可以用于基于同步通信方案中以抑制噪聲影響[127-128]，但是該方案由于計算復雜難以應用于實際通信中。2005 年 Hayes 提出能夠被應用于通信系統中的混沌信號必須存在一個基函數

Fig. 2-5 Block diagram of the experiment setup for the impulse control method.(1) 混雜系統電路式(2.1)-式(2.3)表示的混雜混沌系統電路同時包含了模擬和數字元件，如圖2-6所示。此混沌振蕩器電路能同時產生一個連續(xù)的混沌波形和對應的離散符號，其中運算放大器選為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用于調整期望的混沌電路基頻f。圖中u點的左半部分構成了一個負電阻，記為-R；左下角的兩個運放構成了阻抗轉換器，用于表示近似理想的電感器，記為L。由左半部分電路的負電阻-R，電感器L和電容Cf構成了一個標準的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點和s點處的電壓

本文編號：2787394