摘 要：依據(jù)混沌序列" title="混沌序列">混沌序列的白噪聲統(tǒng)計(jì)特性、較理想的自相關(guān)和互相關(guān)特性以及產(chǎn)生簡單、碼元豐富、抗干擾能力強(qiáng)等特性, 提出了基于混沌擴(kuò)頻" title="擴(kuò)頻">擴(kuò)頻序列的DS-UWB" title="DS-UWB">DS-UWB 通信系統(tǒng)方案,并針對(duì)混沌DS-UWB 通信系統(tǒng)的特點(diǎn)對(duì)同步和安全性能做出了改進(jìn)，最后給出了一種基于軟件無線電的實(shí)現(xiàn)方案，仿真結(jié)果表明本系統(tǒng)有較大的用戶容量和較低的誤碼率。
關(guān)鍵詞： 超寬帶" title="超寬帶">超寬帶 混沌擴(kuò)頻 外同步 RAKE接收機(jī) 軟件無線電
目前，短距離無線通信技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入前所未有的發(fā)展時(shí)期，而超寬帶（UWB）技術(shù)在無線通信領(lǐng)域的應(yīng)用更是引起了人們的廣泛關(guān)注。本文提出了一種基于混沌的DS-UWB系統(tǒng)，能夠提供更好的偽隨機(jī)性和更大的用戶容量，采用了組幀結(jié)構(gòu)的外同步方式，并通過對(duì)CM1、CM2信道的仿真確定在接收端使用3徑的RAKE接收機(jī)來提高性能。最后提出了一種基于軟件無線電思想的實(shí)現(xiàn)方法。
1 DS-UWB技術(shù)及其功率譜分析
1.1 DS-UWB技術(shù)
按照美國聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的定義信號(hào)帶寬大于1.5GHz或信號(hào)帶寬與中心頻率之比大于20%為超寬帶。后來FCC又規(guī)定帶寬超過500MHz可稱為超寬帶。
發(fā)射超寬帶信號(hào)最常用和最傳統(tǒng)的方法是發(fā)射時(shí)域上很短的脈沖，這種傳輸技術(shù)稱為IR(Impulse Radio),這種方式下信號(hào)不需要載波即可通信。其調(diào)制方式多采用脈沖位置調(diào)制（PPM）、脈沖幅度調(diào)制（PAM）、相位調(diào)制（BPSK）等，信號(hào)編碼則多采用跳時(shí)編碼（TH-UWB）和直接序列編碼（DS-UWB）。
一個(gè)典型的無載波DS-UWB系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生模型如圖1所示。
的自相關(guān)積分的傅氏變換。由(3)式可知，一旦脈沖的形狀p(t)確定，直序超寬帶信號(hào)的功率譜密度由擴(kuò)頻碼的頻譜決定。
由(3)式可得到DS-UWB信號(hào)的功率譜密度仿真（Np=10 202 000）如圖2所示。
可見，擴(kuò)頻序列的性能決定了DS-UWB信號(hào)的功率譜密度，同時(shí)在DS-UWB CDMA系統(tǒng)中，多址干擾（MAI）是影響用戶容量的主要因素，而一種好的擴(kuò)頻序列可以有效地減少多址干擾。所以選擇合適的擴(kuò)頻序列，對(duì)DS-UWB系統(tǒng)的性能起著決定性的作用。
2 混沌擴(kuò)頻序列
混沌信號(hào)" title="混沌信號(hào)">混沌信號(hào)具有如下性質(zhì)：既非周期也不收斂，對(duì)初始值敏感，還具有類似噪聲的寬頻譜，尖銳的自相關(guān)和近似正交的互相關(guān)特性，可以提供無限多的混沌序列。正是因?yàn)橐陨系膬?yōu)點(diǎn)，混沌信號(hào)在擴(kuò)頻通信中得到了廣泛的應(yīng)用。
同時(shí)將混沌信號(hào)作為DS-UWB系統(tǒng)的擴(kuò)頻序列，還有著以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
(1)因?yàn)榛煦缧盘?hào)類似噪聲的頻譜，可以避免在公共頻帶上與其他WLAN和WPAN技術(shù)產(chǎn)生干擾。
(2)混沌信號(hào)良好的自相關(guān)性能可以減少符號(hào)間干擾對(duì)信道估計(jì)的影響，進(jìn)而減少RAKE接收的徑數(shù)，簡化RAKE接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。
(3)因?yàn)樘炀€發(fā)射信號(hào)的全向性，無線通信網(wǎng)絡(luò)往往信號(hào)的安全性較差，在物理層使用混沌信號(hào)加密可以極大地提高信號(hào)的安全性。
(4)因?yàn)榛煦缧蛄杏兄葌鹘y(tǒng)的擴(kuò)頻序列（例如：m序列、gold碼和Walsh碼）更好的自相關(guān)和互相關(guān)特性及序列數(shù)目，所以為UWB CDMA系統(tǒng)提供更大的系統(tǒng)容量。
因?yàn)長ogistic映射產(chǎn)生的混沌序列，具有良好的平衡性、自相關(guān)和互相關(guān)特性，非常適合用在DS-UWB系統(tǒng)中。本系統(tǒng)中選用Logistic映射作為混沌信號(hào)的產(chǎn)生模型：
xn+1=1-μxn2 x∈(-1,1) μ=2 (4)
3 基于軟件無線電思想的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。
根據(jù)軟件無線電（SDR）的設(shè)計(jì)思想，整個(gè)系統(tǒng)由三部分實(shí)現(xiàn)，其中數(shù)字部分由可編程的計(jì)算機(jī)軟件和FPGA實(shí)現(xiàn)，盡可能減少模擬部分。
因?yàn)橛糜跀U(kuò)頻的混沌序列需要優(yōu)選，但進(jìn)行優(yōu)選的過程十分復(fù)雜，不適合用FPGA實(shí)現(xiàn)，一旦產(chǎn)生了序列，就不需要經(jīng)常更改，所以在計(jì)算機(jī)上用程序來實(shí)現(xiàn)混沌序列的優(yōu)選，通過串口與FPGA相連，將初值存入FPGA的存儲(chǔ)器內(nèi)。需要注意的是，因?yàn)镕PGA只能存儲(chǔ)有限精度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，所以在計(jì)算機(jī)軟件優(yōu)選的過程中，混沌序列的初值也必須是有限精度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。其優(yōu)選過程的軟件算法如圖4所示。為了讓混沌序列具有更加優(yōu)良的性能，并考慮到IEEE802.15.3a中的DS-UWB建議方案，筆者選擇混沌碼的周期是24的整數(shù)倍，并且長度在2 000～4 000。在本系統(tǒng)中，選擇Np=2 048。
在發(fā)射機(jī)部分，使用了兩個(gè)混沌序列，一個(gè)用來混沌擴(kuò)頻，另一個(gè)用來混沌加密?；煦鐢U(kuò)頻的過程如圖1所示，混沌加密的過程就是簡單地用一個(gè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都知道初值的混沌序列與擴(kuò)頻后的信息序列進(jìn)行模2和運(yùn)算。
混沌信號(hào)的同步：信號(hào)的同步分為外同步和內(nèi)同步兩大類：內(nèi)同步直接從信息數(shù)字序列中提取同步信息，不需額外的同步信號(hào)功率。常見的方法有：步進(jìn)串序搜索法、匹配濾波器法和自回歸自適應(yīng)頻譜估測法。由于混沌序列的周期較長，步進(jìn)串序搜索法捕獲同步的時(shí)間較長，難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，而匹配濾波器法和自回歸自適應(yīng)頻譜估測法則需要大量的濾波器，電路復(fù)雜，不適合在功率和體積受限的移動(dòng)終端中使用，所以在本方案中使用外同步法對(duì)信號(hào)進(jìn)行同步。
混沌序列生成后，與信息序列進(jìn)行擴(kuò)頻，擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)采用物理層組幀的方法來實(shí)現(xiàn)加密和外同步。其幀的格式如圖5所示。
在系統(tǒng)中，使用11位的巴克碼作為同步碼，因?yàn)闊o論選用何種巴克碼始終存在與同步碼組碼元序列相同的數(shù)據(jù)碼組，為了實(shí)現(xiàn)正確的幀同步，還要使用相應(yīng)的同步保護(hù)電路來避免偽同步的發(fā)生。同時(shí)設(shè)定每傳輸2 048個(gè)擴(kuò)頻信息就組成一幀，這樣即使同步碼在傳輸過程中被破壞，也可以通過MAC層的重傳機(jī)制再次獲得數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以根據(jù)通信的不同安全級(jí)別，每一幀采用不同的混沌初值進(jìn)行擴(kuò)頻，進(jìn)一步提高通信的安全性。
在接收端，當(dāng)RAKE接收機(jī)接收到11位的巴克碼時(shí)，立刻進(jìn)入接收狀態(tài)，如果兩次收到的同步碼一致，就利用本機(jī)的密鑰進(jìn)行解密，否則即說明是偽同步或者是同步碼已經(jīng)受到時(shí)間選擇性衰落的破壞，則放棄接收，節(jié)省功率。因?yàn)榛煦缧蛄袑?duì)初值敏感，所以混沌解密后，要對(duì)收到的兩個(gè)初值進(jìn)行比較，如果一致，則進(jìn)行最后的同步解擴(kuò)（在DS-UWB中為掩模相關(guān)），否則就放棄接收，節(jié)省功率。解擴(kuò)后的數(shù)據(jù)經(jīng)RAKE接收機(jī)的最大比（MRC）合并后檢測輸出最終數(shù)據(jù)。
在接收機(jī)部分：由于UWB技術(shù)具有內(nèi)在的抗多徑能力，僅當(dāng)LOS(視距)與反射信號(hào)的傳播時(shí)差小于脈沖寬度時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生干擾。圖6是對(duì)IEEE802.15.3a建議采用和衡量UWB系統(tǒng)性能的多徑傳播信道模型CM1、CM2的功率延遲輪廓線（Power Delay Profile）進(jìn)行仿真的結(jié)果[1]。
在本實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，采用徑數(shù)為3的RAKE接收機(jī)就能達(dá)到比較好的效果。同時(shí)考慮到應(yīng)用UWB的無線終端多為功率和體積受限系統(tǒng)，僅采用最簡單的抽頭延時(shí)線模型來實(shí)現(xiàn)RAKE接收，同時(shí)還可以通過多次信道仿真取得均值來確定RAKE接收機(jī)的加權(quán)系數(shù)。
整個(gè)FPGA系統(tǒng)采用流水線結(jié)構(gòu)，同時(shí)，在接收端采用三通道AD聯(lián)合采樣（使用三個(gè)AD轉(zhuǎn)換器并行工作）以適應(yīng)DS-UWB系統(tǒng)的處理速度。模擬部分選擇高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù)作為脈沖波形，使用自制的電路實(shí)現(xiàn)。
4 信噪比和多用戶容量分析
圖7是在Ns=3時(shí)，CM1信道下系統(tǒng)的信噪比與誤碼率的關(guān)系?？梢婋S著信噪比的提高，RAKE接收機(jī)的性能優(yōu)于單接收機(jī)，并且當(dāng)Ns增大時(shí)(實(shí)際系統(tǒng)中Ns>>3）RAKE接收機(jī)的性能將更加優(yōu)越。圖8是在用戶數(shù)量為20時(shí)，CM1信道下系統(tǒng)的信噪比與誤碼率的關(guān)系。
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可見，BPSK調(diào)制的用戶容量要大于PPM調(diào)制，這也是為什么在實(shí)際中選擇BPSK調(diào)制作為DS-UWB CDMA的調(diào)制方式的原因。同時(shí)隨著信噪比的提高和序列長度的增加，混沌序列擴(kuò)頻的性能要優(yōu)于傳統(tǒng)的PN碼的擴(kuò)頻，這與前面分析的結(jié)論是一致的。
本文基于Logistic映射，提出了一種新的DS—UWB通信系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的DS—UWB系統(tǒng)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于：
?。?）采用Logistic映射作為擴(kuò)頻碼，為信號(hào)提供更好的偽隨機(jī)性和更大的用戶容量；
（2）采用混沌加密，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的安全性；
?。?）采用外同步，能更快地實(shí)現(xiàn)混沌序列的同步并節(jié)省功率；
（4）將信號(hào)用幀的方式進(jìn)行發(fā)射，能進(jìn)一步節(jié)省功率；
?。?）采用RAKE接收機(jī)提高接收端的信噪比；
?。?）基于軟件無線電思想的實(shí)現(xiàn)更適合未來通信的需要。
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