论文研究-基于混沌Duffing振子的BPSK信号K-means聚类解调方法.pdf

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针对二进制相移键控(binary phase shift keying,BPSK)信号在低信噪比下解调误码率较高的问题,提出了一种基于混沌Duffing振子的K-means解调方法。该方法的思想是根据混沌Duffing振子系统对初值的敏感性以及对噪声的免疫特性,低信噪比下Duffing振子系统输入BPSK信号时,由于BPSK信号相位在0°和π之间的跳变从而导致Duffing振子输出相轨迹状态发生改变。针对相轨迹状态的变化,采用K-means聚类算法对相轨迹进行迭代求质心,根据收敛后的质心间距大小对BPSK信号进行判决解调。仿真结果表明,与现有的几种解调方法相比较,基于混沌Duffing振子的B
564 计算机应用研究 第36卷 质心点;然后计算K个簇的质心点,并将计算得到的K个质心质心收敛后如图6(c)所示,不难看出码元1对应的相轨迹收 点进行亘新聚类;最后重复计算新的聚类质心点,直到质心收敛后的质心与初始质心相比偏移量较小,而码元-1对应相轨 敛。K- means迭代求聚类质心算法流程如图5所示。 迹收敛后的质心偏移量较大。以收敛后的两个质心水平距离 □BISK信号 d=|x1-x1.度量,其中x1、x,分别为收敛后左右质心的横坐 “-1”:框位T “1”:相位0 标。在输入信噪比为-15dB、-20dB、-25dB、-30dB条件 混沌 Duffing擐子系统」 下,分别取40个样本码元1和码元-1,经过K- means聚类算 叠加后的幅度β 法后两种码元对应相轨迹收敛后的两个质心距离d分布如图 值v 7所示。 相轨迹混沌状态 相轨周状态 1.8 何元“-1 码元“1 17 图4Dung振子系统相轨迹状态变化框图 16 ∝开始 40个码元 1.5 40个玛元1 1.4 -40个码元 芝取初始聚类质汇点坐 0 计算相轨迹上每一个点到质心的跑离 aSNR=-15dB时,码元1、元-1 bSN=20dB时,码元1、码元-1 并将该点归类到距离近的那个关中 质心收敛后距离分布 质小收敛后距离分布 计算新的驟类质心点 类质心点是否改变 18 1.7 WAr V 图5K- means聚类算法流程 40个元-14 当υuing振子系统输人的BlSk信号不加噪声时,码元1 SNR--25dB时,码元1、码元-1dSNR-30dB时,码元1、码元-1 质心收敛后距离分布 质心收敛后距离分布 (相位0)产生的相轨迹和码元-1(相位丌)产生的相轨迹如图 6(a)(b)所示,当信噪比SNR=-20dB时,码元1和码元 图7不同SNR条件下,K- Imeans算法收敛后质心距离分布图 的相轨迹如图6(c)所小。可以看出噪声只是在某种程度上使 从图7不难看出,经过 K-meaus聚类计算收敛后,码元1 相轨迹变得粗糙了些,并没有使相轨迹状态发生变化。 对应相轨迹质心横坐标距离在1.76-2.0,而码元-1对应相 轨迹质心横坐标距离在1.48~1.74。设置合适的距离阈值 利用相轨迹数据进行 K-means聚类计算,求出收敛后的质心横 坐标距离,并与阈值比较,便能判别出码元信息。其步骤简要 描述如下 a)设Duig振子输出相轨迹上有n个点,设置初始质心 为(±1,0),计算相轨迹上所有点到质心(-1,0)的距离d1 d21,…,d1,…,dn1,其中d1=[(xn+1)2+(yn-0)2]2,到质心 (-1,0)的距离d12,d2,…,da,…,d2,其中d2=[(xa-1)+ ()不加噪声(左)和加噪声(右)情况下码元1产生的相轨迹图 b)根据da1和da2的计算结果,将距离(-1,0)近的点归为 类,距离(1,0)近的点归为一类,这样可将相轨迹上的点重 新分成两类,两类点数分别为n1和n2(n1+n2=n)。 c)重新计算两类点的质心(X1,Y1),(X2,Y2)为新的质心 点,其中X1=(L/m1)5um(x1,x2,…,xn1),Y1=(L/n1)sum(y1 y2,…,yn1);同理,X2、Y2亦可计算出。 0 ~的b)不加噪声(左)和加噪声(右)情况下码元-1产生的相轨迹图 d)重复步骤a)中的内容,直到质心点不再偏移(或满足某 相轨迹 一相轨迹 个很小的偏移量)。 初始质心 初始质 e)计算收敛后左右两个质心的横坐标之间的距离d= 收敛后质心 收敛后质心 lx1-x,,并与距离阈值V进行比较,当d>Vm时判决为码元 1;反之,为码元-1。 由以上步骤分析可知,K- -Ideals聚类判决算法复杂度较 低,与相干解调相比,在解调端省略了乘以恢复载波和低通滤 波等步骤,使解凋端的计算量得到降低。与文献[5中的随机 0 图0cANB=20dB时,吗元1、1码元对应相轨逃质心变化 共振算法相比,文献[5]中随机共振算法参数较多,且参数调 码元1和-1的轨迹及相轨迹K- oriens质心收敛示意图 节过程复杂,参数在很大程度上会影响最后的计算结果,并且 根据 Melnikov方法求解,Dimg振子相轨迹图具有两个要求信号自身参数与随机共振的参数匹配,而本文所提方法避 鞍点4,为(=1,0),即不加噪声时,相轨迹的初始质心为开了算法中参数带来的计算复杂度,也不需要算法参数与信号 (±1,0),对于输入加噪声的信号, Duffing振子系统输出的相匹配。 轨迹经过K-mens聚类算法迭代求质心后,码元1和码元-1 基于 MATLAB仿真环境,信噪比分别设置为-25dB 第2期 蔣亮亮,等:基于混沌 Duffing振子的BPSK信号 K-means聚类解调方法 565 -20dB、-15dB、-10dB,将本文提出的基于 Duffing振子的 induced bistable stochastic resonance for FSK signal processing at low K- means解调方法、文献[5]中提出的随机共振解调法以及传 SNR[C]//Proe of IEEE International Conference on Computer and Information Technology. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2014: 427-430 杂度)和解调误码率两个方面进行比较,得到仿真结果如表1[4.王璃峰,张安原,表于Dmg振子的2K倍号检测方法研究 所示。仿真参数设置如下:码元长度len=500,码元速率R I k baud,载频f=8kHz,采样频率f,=40/=320kHz,滚降系 yan. Study on detection method of 2 FSK signal based on Duffing oscil latorJ] Journal of the China Railway Society, 2013, 35(7): 63 数a=0.7,质心距离阈值为vm=1.75 表1K- means聚类解调法在不同SNR条件下仿真结果 [5]尚全红,王艄忠,张光璐,等.基于随机共振的2PSK信号相干接 信噪比 SNR/dB 解洞误码率BER% 收误码卒的研究[J].应用声学,2015,34(6):495-500.( Shang 本文解调法随机共振解调法相十解调法 Jinhong, Wang Fuzhong, Zhang Guanglu, et aL. A study of 2PSK sig- 25 16.2 nal's bit error coherent demodulation based on stochastic resonance 16.2 IJ. Journal of Applied Acoustics, 2015, 34 (6): 495-500) 3.8 「6]张福仨,江江,张秋云,基于随机共振的大频率信号相干接收误码 平均仿真时间/s36.8458.6442.76 率研究[J].自动化仪表,2017,38(7):50-53.( Zhang fujia, 由表1不难得出,在相同信噪比下,本文所提的方法解调 Jiang Hong, Zhang Qiuyun. Study on the bit error of coherent reception 误码率明显低于另外两种方法,且计算速度也快于另外两种 of high frequeney signal based on stochastic resonance| J|. Process Automation Instrumentation, 2017, 38(7): 50-53.) 方法 [7]詹亚修,曹志刚,马正新.滚降系教误差对MBSK信号谖码性能的 增加仿真信噪比区间,每种信噪比下仿真20次,其他仿真 影响[冂].通信学报,2003,4(10):125-130.( Zhan Yafeng,Cao 参数不变。以接收端输人SNR为橫轴,BPSK信号解调误码率 Zhigang, Ma Zhengxin. 'The effeets of rolloff-factor error on the BER BER为纵轴,分别计算本文所提方法、文献[5]中的随机共振 performance of MPsK signals J]. Journal of China Institute of 法以及相干解调法的误码率,得到如图8所示的SNR-BER曲 Communications,2003,4(10):125-130 线。由图8可知,当输入信噪比低至-20dB时,本文所提解8]左金钟,马伊民,习清伶,滚降系教不匹配对基带传输系统的性能 调法淏码率约为10%,随机共振法和相干解调法误码率分别 影响J].国外电子测量技术,2011,30(8):21-28.(Zuo 为16%和22%:当输入信噪比为-10dB时,本文所提解调法 Jinzhong, Ma Yimin, Xi Qinglin. The effects of mismatched roll-off fac 误码率仅为1%左右,随机共振法和相干解调法误码率分别为 tor on the performance of digital baseband transmission system[I] Foreign Electronic Measurement T echnology, 2011, 30(8): 21 4%和6%,通过仿真再次验证了本文所提方法在低信噪比环 境下解调的优越性。 [9]谢涛,魏学业.混沌振子在微弱信号检测中的可靠性研究[冂].仪 器仪表学报,2008,29(6):12651269.( Xie tao, Wei Xueye. 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Harbin: Harbin Institute of based on initial cluster centers selection according to maximum di Technology, 2014) tance J. Application Research of Computers, 2014, 31(3): 713 [3 Liu Jin, Li Zan, Gao Rui, et al. A novel detector based on parameter- 716.)

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