程珺煒 劉春玲 張然

摘? 要： 針對(duì)衛(wèi)星通信中數(shù)據(jù)安全傳輸與準(zhǔn)確恢復(fù)的需求，文中設(shè)計(jì)一種基于哈達(dá)瑪矩陣的星載混沌通信擴(kuò)頻算法。為了克服復(fù)雜的信道環(huán)境對(duì)擴(kuò)頻算法的挑戰(zhàn)，將混沌通信理論應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，使用混沌擴(kuò)頻序列代替PN偽隨機(jī)序列進(jìn)行調(diào)制。同時(shí)為了提高實(shí)用性與降低誤碼率，文中采用哈達(dá)瑪矩陣構(gòu)造混沌擴(kuò)頻序列，并利用哈達(dá)瑪矩陣的列正交性減少判決干擾項(xiàng)。仿真驗(yàn)證與數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明，所提算法在不同的信噪比環(huán)境下，誤碼率性能均優(yōu)于現(xiàn)有的其他算法，且序列長(zhǎng)度越短所提算法誤碼率性能越優(yōu)。

關(guān)鍵詞： 混沌通信; 擴(kuò)頻算法; 哈達(dá)瑪矩陣; 衛(wèi)星通信; 混沌擴(kuò)頻序列; 仿真驗(yàn)證

中圖分類號(hào)： TN911?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）22?0072?03

Abstract： In allusion to the requirements of data security transmission and accurate recovery in satellite communications， a satellite?based chaos communication spread spectrum algorithm based on Hadamard matrix is designed. In order to overcome the challenge of complex channel environment to spread spectrum algorithm， chaos communication theory is applied to the satellite communication system， by which the chaos spread spectrum sequence is used to instead of PN pseudo?random sequence for modulation. The Hadamard matrix is used to construct chaotic spread spectrum sequence to improve the practicability and reduce the bit error rate， and the decision interference is reduced by means of the column orthogonality of Hadamard matrix. The simulation verification and data analysis show that the bit error rate performance of the proposed algorithm is better than that of other existing algorithms in different signal to noise ratio environments， and the shorter the sequence length， but the better the bit error rate performance of the proposed algorithm.

Keywords： chaotic communication; spread spectrum algorithm; Hadamard matrix; satellite communication; chaotic spread spectrum sequence; simulation verification

0? 引? 言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，星載通信得到了廣泛的關(guān)注，在衛(wèi)星導(dǎo)航定位、應(yīng)急通信和軍事領(lǐng)域等方面得到了較多的應(yīng)用[1?3]。但由于傳輸距離過長(zhǎng)、信道環(huán)境復(fù)雜，衛(wèi)星通信容易受到影響，且數(shù)據(jù)安全傳輸面臨著挑戰(zhàn)[4]。面向衛(wèi)星通信的各種擴(kuò)頻技術(shù)，在一定程度上可以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸及恢復(fù)，但仍無法滿足需求[5?7]。為了進(jìn)一步提高誤碼率性能，混沌通信理論被應(yīng)用到擴(kuò)頻技術(shù)之中[8?11]。另外，哈達(dá)瑪矩陣由于具有高正交性與平衡性，在圖像處理領(lǐng)域也得到了廣泛研究[12?13]。本文提出基于哈達(dá)瑪矩陣的星載混沌通信算法。在星載通信系統(tǒng)中應(yīng)用混沌通信理論，使用混沌擴(kuò)頻序列代替原有的PN偽隨機(jī)序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。另外，為了提高混沌通信的誤碼率性能，本文提出使用哈達(dá)瑪矩陣構(gòu)造混沌擴(kuò)頻序列，降低了信號(hào)判決的干擾項(xiàng)方差。通過仿真分析說明，本文所提算法在不同信噪比與誤碼率條件下均具有較好的誤碼率性能，優(yōu)于其他擴(kuò)頻方法。

1? 系統(tǒng)模型

星載混沌擴(kuò)頻通信系統(tǒng)如圖1所示。本文僅以星載設(shè)備向用戶單方面發(fā)送數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析，而星載設(shè)備將要向用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。其中，擴(kuò)頻調(diào)制采用隨機(jī)擴(kuò)頻碼進(jìn)行調(diào)制。為了保證擴(kuò)頻碼的正交性等性能，本文基于哈達(dá)瑪矩陣生成的混沌序列進(jìn)行擴(kuò)頻。擴(kuò)頻后的信號(hào)經(jīng)過信道傳播，被用戶接收，并進(jìn)行解調(diào)，從而恢復(fù)出原始信號(hào)。信號(hào)解調(diào)恢復(fù)的過程與信號(hào)調(diào)制的過程相反，經(jīng)過解調(diào)、擴(kuò)頻調(diào)制與判決恢復(fù)原始信號(hào)。其中，擴(kuò)頻調(diào)制采用的擴(kuò)頻碼與星載設(shè)備處的一致。

本文通過誤碼率來統(tǒng)計(jì)驗(yàn)證星載混沌擴(kuò)頻通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的正確性。將原始數(shù)據(jù)延時(shí)處理并與解調(diào)后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，然后統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)誤碼率特性，而誤碼率統(tǒng)計(jì)單元僅在驗(yàn)證算法有效性時(shí)使用。

2? 混沌序列構(gòu)建

在星載通信系統(tǒng)中，由于遠(yuǎn)距離傳輸與復(fù)雜的信道條件，使得信息穩(wěn)定、安全傳遞困難。信號(hào)經(jīng)過調(diào)制、信道傳播與解調(diào)，若保證信息可以準(zhǔn)確傳遞，必須采用特殊的信號(hào)序列生成方式對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。為了實(shí)現(xiàn)星載通信信息傳遞的準(zhǔn)確性，本文采用混沌序列代替PN序列進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制。在混沌通信系統(tǒng)中，利用哈達(dá)瑪矩陣生成混沌序列，從而保證序列的正交性。

哈達(dá)瑪矩陣的列向量作為混沌序列進(jìn)行使用。其優(yōu)勢(shì)包括：高正交性，哈達(dá)瑪混沌序列任意兩行或兩列均正交;高自相關(guān)性與互相關(guān)性;生成方式簡(jiǎn)單，可以通過映射實(shí)現(xiàn)且操作性強(qiáng);具有良好的平衡性，滿足擴(kuò)頻通信的穩(wěn)定性要求。

3? 混沌通信系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)的混沌通信系統(tǒng)采用相關(guān)延遲鍵控的方式，其發(fā)送信號(hào)為參考混沌信號(hào)。

4? 仿真驗(yàn)證與性能分析

為了驗(yàn)證本文提出的基于哈達(dá)瑪矩陣的星載混沌通信擴(kuò)頻算法的有效性，在不同信噪比下比較本文提出的算法與其他兩種擴(kuò)頻序列的誤碼率性能，如表1所示。另外，進(jìn)一步比較了兩種信道下不同擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度對(duì)誤碼率性能的影響，如表2所示。

由表2可得，在Rayleigh信道下使用本文所提擴(kuò)頻序列，誤碼率略高于AWGA信道，說明本文所提算法對(duì)于多徑信道狀況具有一定的敏感性。同時(shí)隨著序列長(zhǎng)度的提高，兩種信道下的誤碼率均逐漸提高。這是因?yàn)殡S著序列長(zhǎng)度的提高，干擾項(xiàng)的方差會(huì)逐漸變大，從而導(dǎo)致誤碼率性能變差。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文研究了基于哈達(dá)瑪矩陣的星載混沌通信擴(kuò)頻算法。在現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用混沌擴(kuò)頻方法代替原有偽隨機(jī)擴(kuò)頻方法。為了降低誤碼率，使用哈達(dá)瑪矩陣構(gòu)成混沌擴(kuò)頻序列，利用其列正交性降低信號(hào)互干擾項(xiàng)的方差，同時(shí)本文給出了基于最小和譯碼方法的信號(hào)判決方法。仿真實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析證明了本文提出的基于哈達(dá)瑪矩陣的星載混沌通信擴(kuò)頻算法，在不同信噪比與信道環(huán)境下均有較好的適用性，優(yōu)于現(xiàn)有星載擴(kuò)頻算法，具有較高的實(shí)用性。

注：本文通訊作者為劉春玲。

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