一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统
阅读说明：本技术 一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统 (Differential chaotic phase shift keying communication method and system based on mixed index ) 是由 方毅 陶熠威 马焕 韩国军 于 2021-07-16 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统,解决了现有的差分混沌相移键控通信方案频谱效率和能量效率低下,并且传输数据速率慢的问题,所述方法包括基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法及基于混合索引的差分混沌相移键控接收信号解调方法；其中,混合索引为混合索引比特,包括载波索引比特和载波数目索引比特,将载波索引比特和载波数目索引比特混合,调制发送信号,混合索引下的调制与解调配合,相较于单一的基于载波索引比特的差分混沌相移键控通信方式能量效率和频谱效率高,综合提升了能量效率、频谱效率及误码率性能。(The invention provides a differential chaotic phase shift keying communication method and system based on a mixed index, which solve the problems of low spectrum efficiency and energy efficiency and low transmission data rate of the existing differential chaotic phase shift keying communication scheme; the hybrid index is a hybrid index bit and comprises a carrier index bit and a carrier number index bit, the carrier index bit and the carrier number index bit are mixed, a signal is modulated and sent, modulation and demodulation under the hybrid index are matched, and compared with a single differential chaotic phase shift keying communication mode based on the carrier index bit, the hybrid index is high in energy efficiency and spectral efficiency, and the energy efficiency, the spectral efficiency and the error rate performance are comprehensively improved.)
技术领域
本发明涉及混沌通信的技术领域，更具体地，涉及一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统。
背景技术
目前，由于各类多媒体技术越来越普遍的应用于生活，无线用户数量急剧增加，造成了可利用频谱资源的稀缺，因此，在当今频带资源日益紧张，人们对数据传输速率要求越来越高的情况下，合理利用频谱资源，提高频带利用率及码元速度至关重要。
由于混沌信号具有内在的宽频、类噪声、长期不可预测性及良好的初始值敏感性等特点，可以方便的构建混沌宽带通信系统，使其在无线通信领域具有广泛的应用前景。差分混沌移相键控通信系统由于低功耗和较低的硬件复杂度使其成为无线通信应用的候选，如无线个人局域网和无线传感器网络。
传统的差分混沌移相键控通信系统，比特传输时间被分为两个时隙。前一个时隙传输参考信号。后一个时隙传输承载信息比特的反向或同向信号。这种非相干混沌数字调制技术采用传输参考(Transmitted-Reference，T-R)方式，将参考信号和携带信息的信号全部发送给接收端,解决了混沌移位键控中存在的判决门限漂移问题，但这种传输方式花费了一半的比特时间用来传输不含数据信号的参考信号，使得系统的传输速率和能量效率都比较低。为了提高系统性能，最近提出的索引调制技术引起研究人员的极大兴趣，索引调制是通过选择不同的索引序号来传递信息，例如2020年10月9日，中国发明专利(公开号：CN111756664A)中公布了一种短参考载波索引差分混沌移位键控调制解调方法及系统，采用CI-DCSK和短参考信号相结合的方式，在短参考的基础上引入重复信号，实现了在提高系统频带传输速率的基础上，降低系统接收的噪声，但是这种系统固定激活载波数目，会有子载波保持静默，因此，造成了频谱资源的浪费。此外，也有一种基于载波数目索引的正交频分复用的通信系统被提出，如但由于子载波激活数目不固定，即子载波激活数目未知待判断，而当子载波激活的数目判断错误的时候就会出现信息比特丢失或冗余的情况。
发明内容
为解决现有的差分混沌相移键控通信系统频谱效率和能量效率低下，并且传输数据速率慢的问题，本发明提出一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统，提高能量效率、频谱效率和数据传输速率，具有更好的误比特率。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法，包括基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法及基于混合索引的差分混沌相移键控接收信号解调方法；其中，所述混合索引为混合索引比特，包括载波索引比特和载波数目索引比特，将载波索引比特和载波数目索引比特混合，调制发送信号，然后基于载波索引比特和载波数目索引比特混合，解调信号。
优选地，所述基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法的过程为：
S1.生成混沌信号cx，设置N个不同频率的子载波f0,f1，…,fN，将混沌信号cx作为参考信号，将参考信号进行脉冲整形，利用f0频率的子载波承载脉冲整形后的参考信号并发送；
S2.将步骤S1生成的混沌信号cx分别进行索引选择及希尔伯特变换，其中，希尔伯特变换后得到第一子载波激活混沌信号cy，将第一子载波激活混沌信号cy也进行索引选择；
S3.将初始信息比特进行分割，得到索引比特ak与调制比特bk，索引比特ak决定承载信息比特的参考信号的选取，索引比特ak作用于已进行索引选择的子载波激活混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy，得到子载波所使用承载调制比特的混沌信号ck；
S4.将混沌信号ck与调制比特bk进行混沌调制，混沌调制后的信号进行脉冲整形，分别利用f1，…,fN频率的子载波承载脉冲整形后的信号并发送。
优选地，所述基于混合索引的差分混沌相移键控接收信号解调方法的过程为：
SA.设发送信号经信道传输后的接收信号为r(t)，t表示信号的时刻；对r(t)中频率f0，f1，…,fN的子载波进行分离，得到f0频率的子载波中的信号r0(t)及f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)；
SB.对f0频率的子载波中的信号r0(t)进行希尔伯特变换，得到信号
SC.将f0频率的子载波中的信号r0(t)分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第一相关变量Ij，j＝1,2，…，N，将信号分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第二相关变量
SD.将第一相关变量Ij与第二相关变量分别取绝对值后相减，得到最终决策变量ξj；
SE.基于最终决策变量ξj对索引比特ak进行恢复；
SF.根据索引比特ak判断子载波激活所采用的混沌信号，进一步求解解调调制比特bk的决策度量，根据决策度量，解调出调制比特bk。
优选地，步骤S1生成的混沌信号cx进行希尔伯特变换变换后得到第一子载波激活混沌信号cy，混沌信号cx与第一子载波激活混沌信号cy的关系满足：
其中，β表示信号的采样点数；i表示第i个采样点次序；
设t表示信号时刻，索引比特ak作用于已进行索引选择的子载波激活混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy，得到子载波所使用承载调制比特的混沌信号ck时，在信号时刻t满足：
其中，cx(t)表示t时刻子载波激活混沌信号；cy(t)表示t时刻第一子载波激活混沌信号；ck(t)表示t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号。
将混沌信号ck与调制比特bk进行混沌调制，在t时刻，混沌调制后的信号满足：
其中，ck(t)表示t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号。
优选地，设t表示信号时刻，在t信号时刻f0频率的子载波承载的脉冲整形后的信号表示为：
s1(t)＝cx(t)cos(2πf0)
其中，cx(t)表示t时刻子载波激活混沌信号；f0表示子载波的频率，s1(t)表示t信号时刻f0频率的子载波承载的脉冲整形后的信号；
在t信号时刻，f1，…,fN频率的子载波承载的脉冲整形后的信号表示为：
其中，s2(t)表示f1，…,fN频率的子载波承载的脉冲整形后的信号；N表示f1，…,fN频率的子载波的数目；ck(t)表示t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号；
基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号表示为：
其中，s(t)表示基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号。
优选地，当第j路子载波使用的混沌信号为cx时，则步骤SC中所述第一相关变量Ij的表达式为：
第二相关变量的表达式为：
其中，A,B,C,D项均为噪声干扰项；j表示子载波的路次；β表示扩频因子，n0为参考信号的加性高斯白噪声，为n0的希尔伯特变换，nj为第j路子载波的加性高斯白噪声；
步骤SD所述将第一相关变量与第二相关变量分别取绝对值后相减，得到最终的决策变量ξj的表达式为：
忽略噪声干扰，决策变量ξj表示为：
即ξj大于0；当第j路子载波使用的混沌信号为cy时,决策变量ξj表示为：
基于最终决策变量ξj对索引比特ak进行恢复的公式为：
优选地，步骤SF所述的根据索引比特ak判断子载波激活所采用的混沌信号的过程为：
当索引比特ak为0时，t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号为cy(t)，子载波激活所采用的混沌信号为cy,解调调制比特bk的决策度量的表达式为：
当索引比特ak为1时，t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号为cx(t)，子载波激活所采用的混沌信号为cx；解调调制比特bk的决策度量的表达式为：
调制比特bk解调公式为：
本发明还提出一种基于混合索引的差分混沌相移监控通信系统，所述系统包括用于实现基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法的发射机及用于实现基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法的接收机。
优选地，所述发射机包括：
混沌信号发生器，用于生成混沌信号cx；
第一希尔伯特变换器，用于对混沌信号cx进行希尔伯特变换，得到第一子载波激活混沌信号cy；
索引选择器，用于对混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy进行索引选择；
比特分割器，用于对初始信息比特进行分割，得到索引比特ak与调制比特bk；
索引比特ak输入至索引选择器，作用于已进行索引选择的子载波激活混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy，得到子载波所使用承载调制比特的混沌信号ck；
混沌调制器，将混沌信号ck与调制比特bk进行混沌调制，得到N路混沌调制信号；
N+1个脉冲整形器，用于对N路混沌调制信号进行脉冲整形以及对一路混沌信号cx进行脉冲整形；
N+1个载波乘法器，利用N个f1，…,fN频率的子载波分别与N路已脉冲整形的混沌调制信号相乘；利用一个f0频率的子载波与一路已进行脉冲整形的混沌信号cx相乘；
加法器，用于汇集N+1个载波乘法器对应f0，f1，…,fN频率的子载波所承载的脉冲整形后的信号后发射。
优选地，所述接收机接收发射机发射的信号后进行解调，设信号为r(t)，t表示信号的时刻：
所述接收机包括：
N+1个匹配滤波器，用于将接收的信号分离出频率f0，f1，…,fN的子载波，得到f0频率的子载波中的信号r0(t)及f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)
第二希尔伯特变换器，用于对f0频率的子载波中的信号r0(t)进行希尔伯特变换，得到信号
第一相关器，将f0频率的子载波中的信号r0(t)分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第一相关变量Ij，j＝1,2，…，N；
第二相关器，将信号分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第二相关变量
决策变量计算器，将第一相关变量Ij与第二相关变量分别取绝对值后相减，得到最终决策变量ξj；
门限判决器，根据最终决策变量ξj对索引比特ak进行恢复，得到索引比特ak；
调制比特解调器，根据索引比特ak判断子载波激活所采用的混沌信号，进一步求解解调调制比特bk的决策度量，根据决策度量，解调出调制比特bk。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提出一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法及系统，混合索引指由载波索引比特和载波数目索引比特混合后的索引比特，基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法包括发送信号调制方法及接收信号解调方法，混合索引下的调制与解调配合，相较于单一的基于载波索引比特的差分混沌相移键控通信方式能量效率和频谱效率高，相较于单一的基于载波数目索引的差分混沌相移键控通信方式误码率性能强，即综合提升了能量效率、频谱效率及误码率性能。
附图说明
图1表示本发明实施例中提出的基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法的整体框架示意图；
图2表示本发明实施例中提出的基于混合索引的差分混沌相移键控通信系统发射机的组成结构框图；
图3表示本发明实施例中提出的基于混合索引的差分混沌相移键控通信系统接收机的组成结构框图；
图4表示在频谱效率、能量效率方面，利用本发明所提方法与载波索引的差分混沌相移键控调制、多载波差分混沌相移键控调制方法的对比曲线图；
图5表示在高斯信道和多径瑞利衰落信道下，利用本发明所提方法与多载波差分混沌相移键控通信方法的误码率性能对比曲线图；
图6表示在高斯信道和多径瑞利衰落信道下，利用本发明所提方法与单一载波索引的差分混沌相移键控通信方法的误码率性能对比曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好地说明本实施例，附图某些部位会有省略、放大或缩小，并不代表实际尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知内容说明可能省略是可以理解的。
附图中描述位置关系的仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例
如图1所示，本发明实施例中提出一种基于混合索引的差分混沌相移键控通信方法，包括基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法及基于混合索引的差分混沌相移键控接收信号解调方法；其中，所述混合索引为混合索引比特，包括载波索引比特和载波数目索引比特，将载波索引比特和载波数目索引比特混合，调制发送信号，然后基于载波索引比特和载波数目索引比特混合，解调信号。
具体的，基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法的过程为：
S1.生成混沌信号cx，设置N个不同频率的子载波f0,f1，…,fN，将混沌信号cx作为参考信号，将参考信号进行脉冲整形，利用f0频率的子载波承载脉冲整形后的参考信号并发送；
S2.将步骤S1生成的混沌信号cx分别进行索引选择及希尔伯特变换，其中，希尔伯特变换后得到第一子载波激活混沌信号cy，将第一子载波激活混沌信号cy也进行索引选择；
S3.将初始信息比特进行分割，得到索引比特ak与调制比特bk，索引比特ak决定承载信息比特的参考信号的选取，索引比特ak作用于已进行索引选择的子载波激活混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy，得到子载波所使用承载调制比特的混沌信号ck；
S4.将混沌信号ck与调制比特bk进行混沌调制，混沌调制后的信号进行脉冲整形，分别利用f1，…,fN频率的子载波承载脉冲整形后的信号并发送。
基于混合索引的差分混沌相移键控接收信号解调方法的过程为：
SA.设发送信号经信道传输后的接收信号为r(t)，t表示信号的时刻；对r(t)中频率f0，f1，…,fN的子载波进行分离，得到f0频率的子载波中的信号r0(t)及f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)；
SB.对f0频率的子载波中的信号r0(t)进行希尔伯特变换，得到信号
SC.将f0频率的子载波中的信号r0(t)分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第一相关变量Ij，j＝1,2，…，N，将信号分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第二相关变量
SD.将第一相关变量Ij与第二相关变量分别取绝对值后相减，得到最终决策变量ξj；
SE.基于最终决策变量ξj对索引比特ak进行恢复；
SF.根据索引比特ak判断子载波激活所采用的混沌信号，进一步求解解调调制比特bk的决策度量，根据决策度量，解调出调制比特bk。
在本实施例中，步骤S1生成的混沌信号cx进行希尔伯特变换变换后得到第一子载波激活混沌信号cy，混沌信号cx与第一子载波激活混沌信号cy的关系满足：
其中，β表示信号的采样点数；i表示第i个采样点次序；
设t表示信号时刻，索引比特ak作用于已进行索引选择的子载波激活混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy，得到子载波所使用承载调制比特的混沌信号ck时，在信号时刻t满足：
其中，cx(t)表示t时刻子载波激活混沌信号；cy(t)表示t时刻第一子载波激活混沌信号；ck(t)表示t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号。
将混沌信号ck与调制比特bk进行混沌调制，在t时刻，混沌调制后的信号满足：
其中，ck(t)表示t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号。
设t表示信号时刻，在t信号时刻f0频率的子载波承载的脉冲整形后的信号表示为：
s1(t)＝cx(t)cos(2πf0)
其中，cx(t)表示t时刻子载波激活混沌信号；f0表示子载波的频率，s1(t)表示t信号时刻f0频率的子载波承载的脉冲整形后的信号；
在t信号时刻，f1，…,fN频率的子载波承载的脉冲整形后的信号表示为：
其中，s2(t)表示f1，…,fN频率的子载波承载的脉冲整形后的信号；N表示f1，…,fN频率的子载波的数目；ck(t)表示t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号；
基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号表示为：
其中，s(t)表示基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号。
在本实施例中，当第j路子载波使用的混沌信号为cx时，则步骤SC中所述第一相关变量Ij的表达式为：
第二相关变量的表达式为：
其中，A,B,C,D项均为噪声干扰项；j表示子载波的路次；β表示扩频因子，n0为参考信号的加性高斯白噪声，为n0的希尔伯特变换，nj为第j路子载波的加性高斯白噪声；
步骤SD所述将第一相关变量与第二相关变量分别取绝对值后相减，得到最终的决策变量ξj的表达式为：
忽略噪声干扰，决策变量ξj表示为：
即ξj大于0；当第j路子载波使用的混沌信号为cy时,决策变量ξj表示为：
基于最终决策变量ξj对索引比特ak进行恢复的公式为：
步骤SF所述的根据索引比特ak判断子载波激活所采用的混沌信号的过程为：
当索引比特ak为0时，t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号为cy(t)，子载波激活所采用的混沌信号为cy,解调调制比特bk的决策度量的表达式为：
当索引比特ak为1时，t时刻子载波所使用承载调制比特的混沌信号为cx(t)，子载波激活所采用的混沌信号为cx；解调调制比特bk的决策度量的表达式为：
调制比特bk解调公式为：
本发明实施例中还提出一种基于混合索引的差分混沌相移监控通信系统，该系统包括用于实现基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法的发射机及用于实现基于混合索引的差分混沌相移键控发送信号调制方法的接收机。
参见图2，发射机包括：
混沌信号发生器，用于生成混沌信号cx；
第一希尔伯特变换器，用于对混沌信号cx进行希尔伯特变换，得到第一子载波激活混沌信号cy；
索引选择器，用于对混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy进行索引选择；
比特分割器，用于对初始信息比特进行分割，得到索引比特ak与调制比特bk；
索引比特ak输入至索引选择器，作用于已进行索引选择的子载波激活混沌信号cx和第一子载波激活混沌信号cy，得到子载波所使用承载调制比特的混沌信号ck；
混沌调制器，将混沌信号ck与调制比特bk进行混沌调制，得到N路混沌调制信号；
N+1个脉冲整形器，用于对N路混沌调制信号进行脉冲整形以及对一路混沌信号cx进行脉冲整形；
N+1个载波乘法器，利用N个f1，…,fN频率的子载波分别与N路已脉冲整形的混沌调制信号相乘；利用一个f0频率的子载波与一路已进行脉冲整形的混沌信号cx相乘；
加法器，用于汇集N+1个载波乘法器对应f0，f1，…,fN频率的子载波所承载的脉冲整形后的信号后发射。
接收机接收发射机发射的信号后进行解调，设信号为r(t)，t表示信号的时刻：参见图3，所述接收机包括：
N+1个匹配滤波器，用于将接收的信号分离出频率f0，f1，…,fN的子载波，得到f0频率的子载波中的信号r0(t)及f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)
第二希尔伯特变换器，用于对f0频率的子载波中的信号r0(t)进行希尔伯特变换，得到信号
第一相关器，将f0频率的子载波中的信号r0(t)分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第一相关变量Ij，j＝1,2，…，N；
第二相关器，将信号分别与f1，…,fN频率的子载波中的信号r1(t),…,rN(t)进行相关，得到第二相关变量
决策变量计算器，将第一相关变量Ij与第二相关变量分别取绝对值后相减，得到最终决策变量ξj；
门限判决器，根据最终决策变量ξj对索引比特ak进行恢复，得到索引比特ak；
调制比特解调器，根据索引比特ak判断子载波激活所采用的混沌信号，进一步求解解调调制比特bk的决策度量，根据决策度量，解调出调制比特bk。
为进一步验证本发明所提方法的有效性，下面结合具体的仿真效果图进行说明，图4表示在频谱效率、能量效率方面，利用本发明所提方法与载波索引的差分混沌相移键控调制、多载波差分混沌相移键控调制方法的对比曲线图，其中，平滑线表示本发明所提方法标记，▲为载波索引的差分混沌相移键控调制方法的标记，★为多载波差分混沌相移键控调制方法的标记，由图4可得，发明所提方法及系统在频谱效率、能量效率方面相较于载波索引的差分混沌相移键控调制、多载波差分混沌相移键控调制具有很大的优势，当载波数目较大的时候，利用本发明所提方法的频谱效率、能量效率大约是其它方法的两倍。
图5表示在高斯信道和多径瑞利衰落信道下，利用本发明所提方法与多载波差分混沌相移键控方法(图5中“多载波差分混沌相移键控”图例)的误码率性能对比曲线图，分别展示了N＝4，扩频因子β＝300，路径数L＝3以及N＝32，扩频因子β＝300，路径数L＝3的情况，并且具有平均功率增益E(λ1 2)＝E(λ2 2)＝E(λ3 2)＝1/3，延迟τ1＝0，τ2＝2，τ3＝4。在高斯信道下，当载波数目N＝4,误码率为10-5的时候，本发明所提方法相较于多载波差分混沌相移键控系统具有1dB的性能增益。在多径瑞利衰落信道下，混合载波索引和载波数目索引的差分混沌相移键控方案也是具有更好的误码率性能。
图6表示在高斯信道和多径瑞利衰落信道下，利用本发明所提方法与单一载波索引的差分混沌相移键控通信方法(图6中指“载波索引的差分混沌相移键控”对应图例)的误码率性能对比曲线图，分别展示了N＝4，扩频因子β＝300，路径数L＝3以及N＝32，扩频因子β＝300，路径数L＝3的情况，且具有平均功率增益E(λ1 2)＝E(λ2 2)＝E(λ3 2)＝1/3，延迟τ1＝0，τ2＝2，τ3＝4。参见图6，在高斯信道下，载波数目N＝4误码率为10-5的时候，本发明所提出的方案相较于载波索引的差分混沌相移键控方案具有1-2dB的性能增益，而当载波数目N＝32误码率为10-5的时候，优势进一步扩大，本发明所提出的方案相较于载波索引的差分混沌相移键控系统具有2-3dB的性能增益。在多径瑞利衰落信道下当载波数目N＝32误码率为10-5的时候，本发明所提出的方案具有3dB的增益。
显然，本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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