基于哈达玛矩阵的星载混沌通信扩频算法研究

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　　摘  要： 针对卫星通信中数据安全传输与准确恢复的需求，文中设计一种基于哈达玛矩阵的星载混沌通信扩频算法。为了克服复杂的信道环境对扩频算法的挑战，将混沌通信理论应用于卫星通信系统中，使用混沌扩频序列代替PN伪随机序列进行调制。同时为了提高实用性与降低误码率，文中采用哈达玛矩阵构造混沌扩频序列，并利用哈达玛矩阵的列正交性减少判决干扰项。仿真验证与数据分析的结果表明，所提算法在不同的信噪比环境下，误码率性能均优于现有的其他算法，且序列长度越短所提算法误码率性能越优。
　　关键词： 混沌通信; 扩频算法; 哈达玛矩陣; 卫星通信; 混沌扩频序列; 仿真验证
　　中图分类号： TN911?34                             文献标识码： A                      文章编号： 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
　　随着卫星通信技术的发展，星载通信得到了广泛的关注，在卫星导航定位、应急通信和军事领域等方面得到了较多的应用[1?3]。但由于传输距离过长、信道环境复杂，卫星通信容易受到影响，且数据安全传输面临着挑战[4]。面向卫星通信的各种扩频技术，在一定程度上可以保证数据的安全传输及恢复，但仍无法满足需求[5?7]。为了进一步提高误码率性能，混沌通信理论被应用到扩频技术之中[8?11]。另外，哈达玛矩阵由于具有高正交性与平衡性，在图像处理领域也得到了广泛研究[12?13]。本文提出基于哈达玛矩阵的星载混沌通信算法。在星载通信系统中应用混沌通信理论，使用混沌扩频序列代替原有的PN伪随机序列进行扩频调制。另外，为了提高混沌通信的误码率性能，本文提出使用哈达玛矩阵构造混沌扩频序列，降低了信号判决的干扰项方差。通过仿真分析说明，本文所提算法在不同信噪比与误码率条件下均具有较好的误码率性能，优于其他扩频方法。
　　1  系统模型
　　星载混沌扩频通信系统如图1所示。本文仅以星载设备向用户单方面发送数据为例进行分析，而星载设备将要向用户发送的数据进行扩频调制。其中，扩频调制采用随机扩频码进行调制。为了保证扩频码的正交性等性能，本文基于哈达玛矩阵生成的混沌序列进行扩频。扩频后的信号经过信道传播，被用户接收，并进行解调，从而恢复出原始信号。信号解调恢复的过程与信号调制的过程相反，经过解调、扩频调制与判决恢复原始信号。其中，扩频调制采用的扩频码与星载设备处的一致。
　　本文通过误码率来统计验证星载混沌扩频通信系统传输数据的正确性。将原始数据延时处理并与解调后的信号进行数据对比，然后统计一段时间内的系统误码率特性，而误码率统计单元仅在验证算法有效性时使用。 　　2  混沌序列构建
　　在星载通信系统中，由于远距离传输与复杂的信道条件，使得信息稳定、安全传递困难。信号经过调制、信道传播与解调，若保证信息可以准确传递，必须采用特殊的信号序列生成方式对信号进行调制。为了实现星载通信信息传递的准确性，本文采用混沌序列代替PN序列进行扩频调制。在混沌通信系统中，利用哈达玛矩阵生成混沌序列，从而保证序列的正交性。
　　哈达玛矩阵的列向量作为混沌序列进行使用。其优势包括：高正交性，哈达玛混沌序列任意两行或两列均正交;高自相关性与互相关性;生成方式简单，可以通过映射实现且操作性强;具有良好的平衡性，满足扩频通信的稳定性要求。
　　3  混沌通信系统
　　本文设计的混沌通信系统采用相关延迟键控的方式，其发送信号为参考混沌信号。
　　4  仿真验证与性能分析
　　为了验证本文提出的基于哈达玛矩阵的星载混沌通信扩频算法的有效性，在不同信噪比下比较本文提出的算法与其他两种扩频序列的误码率性能，如表1所示。另外，进一步比较了两种信道下不同扩频序列长度对误码率性能的影响，如表2所示。
　　由表2可得，在Rayleigh信道下使用本文所提扩频序列，误码率略高于AWGA信道，说明本文所提算法对于多径信道状况具有一定的敏感性。同时随着序列长度的提高，两种信道下的误码率均逐渐提高。这是因为随着序列长度的提高，干扰项的方差会逐渐变大，从而导致误码率性能变差。
　　5  结  语
　　本文研究了基于哈达玛矩阵的星载混沌通信扩频算法。在现有卫星通信系统的基础上，使用混沌扩频方法代替原有伪随机扩频方法。为了降低误码率，使用哈达玛矩阵构成混沌扩频序列，利用其列正交性降低信号互干扰项的方差，同时本文给出了基于最小和译码方法的信号判决方法。仿真实验与数据分析证明了本文提出的基于哈达玛矩阵的星载混沌通信扩频算法，在不同信噪比与信道环境下均有较好的适用性，优于现有星载扩频算法，具有较高的实用性。
　　注：本文通讯作者为刘春玲。
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