基于哈達瑪矩陣的星載混沌通信擴頻算法研究

程珺煒 劉春玲 張然

摘? 要： 針對衛(wèi)星通信中數(shù)據(jù)安全傳輸與準確恢復的需求，文中設計一種基于哈達瑪矩陣的星載混沌通信擴頻算法。為了克服復雜的信道環(huán)境對擴頻算法的挑戰(zhàn)，將混沌通信理論應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，使用混沌擴頻序列代替PN偽隨機序列進行調制。同時為了提高實用性與降低誤碼率，文中采用哈達瑪矩陣構造混沌擴頻序列，并利用哈達瑪矩陣的列正交性減少判決干擾項。仿真驗證與數(shù)據(jù)分析的結果表明，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，且序列長度越短所提算法誤碼率性能越優(yōu)。

關鍵詞： 混沌通信; 擴頻算法; 哈達瑪矩陣; 衛(wèi)星通信; 混沌擴頻序列; 仿真驗證

中圖分類號： TN911?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 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)星通信技術的發(fā)展，星載通信得到了廣泛的關注，在衛(wèi)星導航定位、應急通信和軍事領域等方面得到了較多的應用[1?3]。但由于傳輸距離過長、信道環(huán)境復雜，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)星通信的各種擴頻技術，在一定程度上可以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸及恢復，但仍無法滿足需求[5?7]。為了進一步提高誤碼率性能，混沌通信理論被應用到擴頻技術之中[8?11]。另外，哈達瑪矩陣由于具有高正交性與平衡性，在圖像處理領域也得到了廣泛研究[12?13]。本文提出基于哈達瑪矩陣的星載混沌通信算法。在星載通信系統(tǒng)中應用混沌通信理論，使用混沌擴頻序列代替原有的PN偽隨機序列進行擴頻調制。另外，為了提高混沌通信的誤碼率性能，本文提出使用哈達瑪矩陣構造混沌擴頻序列，降低了信號判決的干擾項方差。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)于其他擴頻方法。

1? 系統(tǒng)模型

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

本文通過誤碼率來統(tǒng)計驗證星載混沌擴頻通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的正確性。將原始數(shù)據(jù)延時處理并與解調后的信號進行數(shù)據(jù)對比，然后統(tǒng)計一段時間內的系統(tǒng)誤碼率特性，而誤碼率統(tǒng)計單元僅在驗證算法有效性時使用。

2? 混沌序列構建

在星載通信系統(tǒng)中，由于遠距離傳輸與復雜的信道條件，使得信息穩(wěn)定、安全傳遞困難。信號經過調制、信道傳播與解調，若保證信息可以準確傳遞，必須采用特殊的信號序列生成方式對信號進行調制。為了實現(xiàn)星載通信信息傳遞的準確性，本文采用混沌序列代替PN序列進行擴頻調制。在混沌通信系統(tǒng)中，利用哈達瑪矩陣生成混沌序列，從而保證序列的正交性。

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

3? 混沌通信系統(tǒng)

本文設計的混沌通信系統(tǒng)采用相關延遲鍵控的方式，其發(fā)送信號為參考混沌信號。

4? 仿真驗證與性能分析

為了驗證本文提出的基于哈達瑪矩陣的星載混沌通信擴頻算法的有效性，在不同信噪比下比較本文提出的算法與其他兩種擴頻序列的誤碼率性能，如表1所示。另外，進一步比較了兩種信道下不同擴頻序列長度對誤碼率性能的影響，如表2所示。

由表2可得，在Rayleigh信道下使用本文所提擴頻序列，誤碼率略高于AWGA信道，說明本文所提算法對于多徑信道狀況具有一定的敏感性。同時隨著序列長度的提高，兩種信道下的誤碼率均逐漸提高。這是因為隨著序列長度的提高，干擾項的方差會逐漸變大，從而導致誤碼率性能變差。

5? 結? 語

本文研究了基于哈達瑪矩陣的星載混沌通信擴頻算法。在現(xiàn)有衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基礎上，使用混沌擴頻方法代替原有偽隨機擴頻方法。為了降低誤碼率，使用哈達瑪矩陣構成混沌擴頻序列，利用其列正交性降低信號互干擾項的方差，同時本文給出了基于最小和譯碼方法的信號判決方法。仿真實驗與數(shù)據(jù)分析證明了本文提出的基于哈達瑪矩陣的星載混沌通信擴頻算法，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)有星載擴頻算法，具有較高的實用性。

注：本文通訊作者為劉春玲。

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