论文研究-基于混沌序列扩频通信系统的simulink仿真研究 .pdf

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基于混沌序列扩频通信系统的simulink仿真研究,宗恒山,李艳萍,提出了一种基于混沌序列的直扩通信系统模型,并作了系统仿真。经过理论研究和仿真实验,仿真输出的各波形图与理论推导的结果是相
取国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn imn-∑ 上式说明: Logistic混沌序列在0和1附近概率密度较大,且关于1/2对称分布。 产生混沌序列的自相关函数为: 0.125=0 (r)=im-∑ 0 产生混沌序列的互相关函数为 b (T)=lim 0 →0 对于保密通信而言,既要求对初值的敏感性又要求信号的随机性,敏感性越强同时随机 性越好,则保密性越强。这些特性可由概率统计特性均值、自相关和互相关性来定量描述。 当混沌序列无限长时, Logistic序列的自相关特性和白噪声是一致的。 Logistic列越长,互 相关性越好。在码分多址系统中,最辶要的干扰是多址干扰,衡量抗多址干扰能力的主要指 标主要是码间互相关性的大小。利用概率密度函数,可以计算得到所关心的一些统计特性 ()关于偶对称,自相关函数近似为δ函数,互相关为零。其概率统计特性与白噪声一致 适合于在保密通信中的应用 混沌序列与序列的比较 在扩频通信系统中,人都采用线性或非线性移位寄存器产生的伪随机码作为扩频序列, 例如,m序列和Gold序列。然而,这些序列码集中的码个数都很有限。在具有大容量的CDMA 通信系统中,这些序列的数量远远满足不了睿量的要求。另外,他们提供的保密性也很有限, 睿易破译。根据以上所述的混沌序列的特性,可将混沌序列代替一般的伪随机序列来作为扩 频系统的扩频序列,即所谓的混沌扩频序列。 使用混沌扩频序列主要以下几个优点4: (1)混沌序列是伪随机信号,具有较好的自相关和互相关特性,其自相关函数是δ函数, 互相关函数为零。而m序列具有良好的二值自相关特性,但其互相关特性不够理想。Gold 码序列的互相关特性较m序列的互相关特性有较大的改善,但Gold码序列不再具有m序列 完美的二值自相关函数特性和平衡性。 (2)混沌序列容易产生和存储。混沌序列只需要一个模型和初始条件就可以产牛,而m 序列、Gold码等PN序列,由多级移位寄存器或其它延迟元件通过线性反馈产牛,要获得不 同的随机序列,必须对其产生的随机二进制序列进行缓存,不如混沌序列产生方便 (3)混沌序列对初始参数极其敏感,即使对相差为10°的两个初值,经过混沌模型数次 达代后产生的序列也将变得亳不相关,这样可通过混沌模型产生大量不相关的序列。而n 序列和Gold码序列长度只能固定,并且序列的数量有限 (4混沌序列的保密性要好于PN序列。混沌序列具有确定的、随机的和不可预测的特征, 并且具有连续宽频谱特征。混沌系列没有周期,类似于一个随机过程,且任意截取一段序列, 均不能预测岀整个序列,不同于普通扩频系统中的伪随机序列。 可见,混沌序列用于扩频调制,理论上可以进一步改其性能。 取国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 简介 MATLAB是美国 Mathworks公司牛产的一个为科学和工程计算专门设计的交式人型 软件,是一个可以完成各和精确计算和数据处理的、可视化的、强大的计算工具。 MATLAB 软件包拈两大部分:数值计算和工程仿真。其数值计算部分提供了强大的矩阵处理和绘图功 能;在工程仿真方面, MATLAB提供的软件文持儿乎遍布各个工程领域,并且不断加以完 善。 SIMULINK是基于框图的仿貞平台,它挂接在 MATLAB环境上,以 MATLAB强大的 计算功能为基础,以直观的模块框图进行仿真和计算。在 SIMULINK环境下使用通信系统 仿真模块库中的模块,可以很方便的进行通信系统的仿真,直观的图形输出让我们可以很清 楚地看到仿真结果。 混频扩频系统的建模与实现 混沌扩频通信系统的仿真模型设计 在 simulink环境下,在通信系统仿寘模块库中选择本系统仿真所需要的各个模块,搭建 仿真模聖,如图2所示。 LMM 「sH aerator Modulator iola Unipole Eror Rate Error Fatal 3981 nit Delay F 图2混沌序列扩频通信系统仿真模型 Fig2. The simulation model of Spread Spectrum Communication System Based on Chaos Sequence 仿真参数设置是仿真过程中的重要环节,直接影响到仿真的效果,主要参数设置如下 在扩频部分,首先由信号在 Random Integer Generator产生一个随机的信号, Random Integer Generator中设置釆样时间为0.1s,设置产生的随机信号为二值序列;在混频序列产生模块 中,设产牛混沌扩频序列的初值。-0.2,即将常数模块 Constant值设置为0.2,之后的每次 计算都是把第n次的结果当作第n+1次计算所需的值,循环迭代计算就可以得到一个随机 性很强的序列。 Constantl的值设置为0.7, Constan2的值设置为-0.5, Constan2的值与最终 结果相加是为了改变输出结果的区间,通过它将Fcn输出的结果变换到[-1,1],以便于通过 Sign模块将结果变换到[0,η区间。混频序列产生模块中Fcn模块是计算混沌扩频序列的关键 部分,混沌序列产生模块的计算基于 Logistic映射动力方程,因此需将映射动力方程的数学 计算表达式+1=(1-),∈(0,1),分枝参数=3.98(3.56994564≤4),定义到 模块中,通过它得到 Logistic混沌序列;然后,随机信号经BPSK调制之后被生成的混沌扩 频序列调制,产生扩频信号;信号传输的信道采用 MATLAB通信工只箱提供的高斯信道(信 取国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 噪比设置为⑩0dB),扩频后的信号通过加性髙斯白噪声信道吋,会出现多径衰落、自由空间 信号功率的衰减,从而导致信噪比严重下降;在解扩部分,扩频信号输入 Product之后系统 利用与扩频部分相同的混沌扩频序列对扩频信号进行解扩,将接收到的信号和原米的伪随即 厅列进行相乘,把宽带信号恢复到一个很窄的频带内;对解扩后的信号,再用BPSK解调, 把信号从频带信号转化成基带信号,便能恢复出原始信号:最后将初始的信号和恢复出的信 号冋时输入到误码率分析器中对比得到该系统的误码率,计算结果通过显示模块( display)显 系统仿真结果与性能分析 本文进行的仿真,主要对直接扩频通信系统的波形、系统误码率进行了分析。按照上述 选定模块和设置仿真参数后,进行仿真,得到以下波形图。 2 图3发送端的序列波形 Fig3. The sequence waveform of sender 图4接收端的序列波形 Fig4.The scqucncc wavcform of rcccivcr 二 theory s 10 三三=三三 10 ==|=====士===========|==二 14 ES/No, dB 图5仿真误码率与理论值的对比图 取国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Fig5. The comparison chart of BeR simulation and the theoretical value 通过对混沌序列扩频通信系统进行仿真,得到以下结果,从仿真图形上的发送端示波器 Scope4(如图3)和接收端示波器 Scope(如图4)对比波形可以看出,原始信号的波形和 在接收端经过解扩解调后的信号波形较为致,区别在于接收端的信号和原始信号相比有 定的时间延迟,且在某些时刻有一定的误码,这说明系统能够正确接收信号。从仿真模型图 上的误码率分析仪上(如图2)可以看出,系统淏码率大约达到0.7%,也就是说,用混沌 序列进行扩频通信,平均传输10000个码字,出现错误码字还不到为70个,在这种误码率 的条件下,能较理想地传输信号和恢复信号。另外, Logistic混沌扩频通信系统单用户的误 码率系统的:= /。,式中:()= ①D()为标准正态函数;是1bit内信息数据的信号能量;a/2是白噪声双边功率谱密 度。通过 MATLAB编程得到混沌扩频通信系统的仿真误码率与理论值的对比图(如图5 通过计算和比较,可以发现它们的曲线几乎是一致的,考虑到数据精度,舍入等计算误差 这应是一个合理的结果。这说明此本文的仿真模型以及仿真结果是可信的。 结论 本文给出了一种基于 MATLABISIMULINK的混沌扩频通信系统的仿真模型,验证了基 于混沌序列的扩频通信系统的工作机理。从仿真的结果中的误码率和信号波形两个方面都可 以验证利用混沌序列进行扩频通信是一种更为优良、可筚的通信传输手段。本文所设计的仿 真框图,具有良好的性能和可视化的优点,下一步可以研究具有自适应特性的、对调制方式 载波数、扩频码的参数可以适时更改的、更加智能化和实用化的混沌序列扩频通信系统。随 着第三代通信的发展,保密传输变得越来越重要了,混沌序列百接扩频提供了比传统的扩频 系统吏好安全性。比如非周期性、对初始值及参数的敏感性、非二元性、仍随机性等都在传 输安全中有更好的优越性,再加上混沌序刎具有无穷的多样性,从而为通信质量和系统容量 的提高奠定了理论基础 参考文献 11何世彪,谭晓衡,扩频技术及其实现M.北京:电子工业出版社,2007.1. 「21田日才扩频通信M1北京:清华大学出版社,2007.4. 「3刘瑞芹,任阳,张凤元,蔡秀雄.混沌扩频序列的改进与仿頁门.讣算机工程与应用,209,45(11): Pp 92-94 4」米良,朱中梁混沌序列与一类基于秘位寄存器的非线性序列的性能比较山.电子与信息学 报,2003,25(11):pp.1476-1481 [5]王亥,胡健栋数字混沌扩频通信系统[北京郎电大学学报,198,21(4):p7-1l [6]舒冰清混沌序刎及其在扩频通信中的应用岍究D]成萏:西南交通大学,2007 取国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn Zong Hengshan, Li Yanping School of Information Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan(030024) A method of a direct spread-spectrum communication system based on chaotic sequences is presented and made a systcm simulation By theories studying and expcrimental simulation, simulation results are in agreement with those of theoretic analysiso They show that chaotic sequence are qualified for being as spread spectrum address sequences, and improve the communication system reliability and Anti-jamming Capability, with a strong thcorctical rescarch and practical application valuco sprcad-spcctrum communication; chaos scqucncc; simulink 作者简介: 宗恒山,男,1986年生,硕士研究生,主要研究方向是宽带通信网 李艳萍,女,1963年生,教授,硕十生导师,上要硏究方向是移动通信、光通信、通信信 号处理。

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