CDSK混沌通信系统关键技术研究

摘要

相关延迟键控（Correlation-Delay-Shift-Keying，CDSK）是一种典型的非相干混沌数字调制技术。在这种混沌通信系统中，参考信号和承载信息的延迟信号叠加后输出。与差分混沌键控（Differential-Chaos-Shift-Keying，DCSK）相比，由于不需要单独发送参考信号，CDSK的带宽利用率得以提高；由于不需要在参考信号和信息信号之间切换，CDSK允许发射机和接收机进行连续的操作；由于不同时刻的传输信号之间没有相关性，CDSK的传输信息更加不易被截获。
　　但是由于参考信号与信息信号并非完全正交，接收方在解调时会引入相邻混沌信号之间的互相关（即信号内干扰）。因此，CDSK的比特误码率（Bit-Error Ratio，BER）高于传统的数字通信方案。如果将CDSK应用于多用户系统，其信号内干扰将会随着用户数量的上升而增大。为了提高CDSK系统的BER性能，本文对基于CDSK的混沌数字调制技术展开深入研究。本文主要成果包括以下几个方面：
　　1.为了提高解调过程中的有用信号分量，实现对传统的单输入单输出CDSK（Single-Input-Single-CDSK，SISO-CDSK）系统BER性能的提升，提出多输入单输出CDSK（Multiple-Input-Single-Output CDSK，MISO-CDSK）和单输入多输出CDSK（Single-Input-Multiple-Output CDSK，SIMO-CDSK）。采用高斯近似分析法分别在AWGN信道和Rayleigh平衰落信道条件下推导出MISO-CDSK系统和SIMO-CDSK系统的BER公式，并且对MISO-CDSK和SIMO-CDSK系统的理论分析进Monte Carlo仿真验证。研究结果表明：与SISO-CDSK系统相比较，由于解调过程中的有用信号分量得到显著的增加，MISO-CDSK和SIMO-CDSK系统的BER性能得到改善，且改善程度随着天线数量的增加而增大。对比MISO-CDSK和SIMO-CDSK系统，可以发现：由于SIMO-CDSK系统的比特误码率不受信道延迟影响，并且归一化信道容量随着接收方天线数量增加显著提高，其性能优于MISO-CDSK系统。
　　2.为了降低CDSK混沌通信方案中的信号内干扰和噪声干扰，提出参考自适应相关延迟键控（Reference-Adaptive CDSK，RA-CDSK）及其单输入多输出系统（SIMO-RA-CDSK）。根据相邻信息比特的关系，RA-CDSK可以选择上一个比特周期发射信号或者混沌信号产生器输出序列作为下一个比特周期的参考信号。与CDSK系统相比，由于参考信号可用于承载信息，在解调过程中RA-CDSK产生的信号内干扰和噪声干扰显著降低。采用高斯近似分析法分别在AWGN信道和Rayleigh平衰落信道条件下推导出RA-CDSK和SIMO-RA-CDSK系统的BER公式，并且对RA-CDSK和SIMO-RA-CDSK系统的理论分析进行Monte Carlo仿真验证。结果表明，由于可以降低解调过程中的信号内干扰和噪声干扰，RA-CDSK系统比特误码率低于CDSK系统和GCDSK系统；在接收方天线数量相同的条件下，SIMO-RA-CDSK系统比特误码率低于SIMO-CDSK系统；SIMO-RA-CDSK系统归一化信道容量随接收方天线数量增加而增大。
　　3.为了进一步消除信号内干扰，提出无信号内干扰相关延迟键控（CDSK with No Intrasignal Interference，CDSK-NII）及其单输入多输出系统（SIMO-CDSK-NII）。该方案以重复混沌序列为参考信号，利用零和序列确保参考信号与信息信号严格正交，能够在解调过程中消除信号内干扰。采用高斯近似分析法分别在AWGN信道和Rayleigh平衰落信道条件下推导出CDSK-NII和SIMO-CDSK-NII系统的BER公式，并且对CDSK-NII和SIMO-CDSK-NII系统的理论分析进行Monte Carlo仿真验证。结果表明，由于可以完全消除解调过程中的信号内干扰，CDSK-NII系统比特误码率始终低于CDSK系统和GCDSK系统；由于CDSK-NII系统的BER性能随着复帧长度的增加持续提升，选择适当的复帧长度，CDSK-NII系统比特误码率能够低于RA-CDSK系统；在接收方天线数量相同的条件下，SIMO-CDSK-NII系统比特误码率能够低于SIMO-RA-CDSK系统；SIMO-CDSK-NII系统归一化信道容量随接收方天线数量增加而增大。
　　4.为了将CDSK-NII工作原理应用于多用户系统，提出多址无信号内干扰相关延迟键控（Multiple-access CDSK with No Intrasignal Interference，MA-CDSK-NII）。该方案给每个用户分配一对Walsh码序列。通过将Walsh码序列对交替用于调制参考信号，MA-CDSK-NII可以实现不同用户信号之间完全正交，最终达到在解调过程中无信号内干扰的目的。采用高斯近似分析法分别在AWGN信道和Rayleigh平衰落信道条件下推导出MA-CDSK-NII系统的BER公式，并且对MA-CDSK-NII系统的理论分析进行Monte Carlo仿真验证。结果表明，在用户数量相同的条件下，MA-CDSK-NII系统的BER性能明显优于MA-CDSK系统和MA-GCDSK系统的BER性能。

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专用术语注释表

第一章 绪论

1.1 研究意义

1.2混沌通信的研究现状

1.3论文的主要工作及结构安排

第二章 混沌数字调制技术

2.1引言

2.2混沌及混沌系统

2.3典型非相干混沌数字调制方案及分析方法

2.4本章小结

第三章 基于MISO和SIMO技术的相关延迟键控

3.1引言

3.2多输入单输出CDSK（MISO-CDSK）

3.3单输入多输出CDSK（SIMO-CDSK）

3.4 MISO-CDSK与SIMO-CDSK性能对比

3.5本章小结

第四章 参考自适应相关延迟键控

4.1引言

4.2 RA-CDSK系统模型

4.3 RA-CDSK性能分析

4.4仿真结果

4.5 SIMO-RA-CDSK系统及性能分析

4.6本章小结

第五章 无信号内干扰相关延迟键控

5.1引言

5.2 CDSK-NII系统模型

5.3 CDSK-NII性能分析

5.4仿真结果

5.5 SIMO-CDSK-NII系统及性能分析

5.6本章小结

第六章 多址无信号内干扰相关延迟键控

6.1引言

6.2 MA-CDSK-NII系统模型

6.3 MA-CDSK-NII性能分析

6.4仿真结果

6.5本章小结

第七章 总结与展望

7.1工作总结

7.2研究展望

参考文献

附录1 攻读博士学位期间撰写的论文

附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢