融合码下标调制的码复用差分混沌调制解调器的制作方法

本发明涉及通信系统中的调制与解调，尤其是涉及一种融合码下标调制的码复用差分混沌调制解调器。

背景技术：

差分混沌移位键控(DCSK:Differential Chaotic Shift Keying)是一类以混沌信号为载波的数字调制解调技术。混沌信号的宽谱性使得DCSK同时具有调制功能与扩频功能，是传统扩频通信系统的低成本替代方案。另外，DCSK技术在抗多径干扰和实现低成本的超宽带通信系统中具有较强的竞争力，在短距离无线通信领域也具有良好的应用前景。码复用差分混沌移位键控(CS-DCSK)是DCSK的一种变体，它采用正交码代替原有DCSK中的延时电路来实现参考信号与信息承载信号之间的正交，避免了DCSK接收机中的宽度延时线，降低了实现的复杂度。

相对于DCSK，CS-DCSK的频谱效率得到了提升，但由于参考信号不承载信息，同样存在能量效率低的缺点。近些年，随着科技的进步和发展，智能手机等移动终端设备爆炸式的增长，以及对网络服务质量要求的提高，导致了人们对带宽的需求急剧增加。同时大量的无线终端设备增加也引起了能耗问题，能耗问题不仅引起环境问题，还增加了网络运营商的运营成本。因此，提高能量效率是未来通信系统设计的主要目标之一。

参考文献：

[1]G.Kaddoum,Y.Nijsure,and T.Hung,``Generalized Code Index Modulation Technique For High Data Rate Communication Systems",IEEE Trans.Vehicular Technologies,2015,DOI:10.1109/TVT.2015.2498040.

[2]W.Xu,L.Wang and G.Kolumban,``A new data rate adaption communications scheme for code-shifted differential chaos shift keying modulation,"Int.J.Bifur.Chaos,vol.22,pp.1-8,Augest2012.

[3]E.Basar,U.Aygolu,E.Panayirci,and H.V.Poor,``Orthogonal frequency division multiplexing with index modulation,”IEEE Trans.Signal Processing,vol.61,pp.5536-5549,Nov.2013.

技术实现要素：

本发明是在码复用差分混沌移位键控调制(CS-DCSK)的基础上，针对现有的CS-DCSK存在能量效率和频谱效率较低的缺点，在CS-DCSK中引入码下标调制，提供一种融合码下标调制的码复用差分混沌调制解调器。

本发明包括调制器和解调器；

所述调制器包括：二进制/十进制转换器B2D、串/并转换器S2P、自然数/组合数映射器MAP、Wlash码选择控制器SEL、混沌信号发生器CG、Q+1个Walsh码发生器、乘法器MR1,MR2,...,MRN，M11,M12,...,M1N，……，MQ1,MQ2,...,MQN、延时单元D1,D2,...,DN-1、切换开关SR，S1，…，SQ和加法器ADD。调制器中由参考Walsh码发生器WR、乘法器MR1,MR2,...,MRN和切换开关SR组成参考支路R；由Walsh码发生器W1、乘法器M11,M12,...,M1N和切换开关S1组成支路1；……；由Walsh码发生器WQ、乘法器MQ1,MQ2,...,MQN和切换开关SQ组成支路Q；

所述解调器包括：接收器R、乘法器NR,N1,1,N1,2,....,N1,M,N2,1,N2,2,....,N2,M、方波发生器FR,F1,F2,....,FM、累加器AC1,AC2,....,ACM、取绝对值器A1,A2,....,AM、比较与选择控制器CS、切换开关K、判决器D1,D2,....,DQ、组合数/自然数映射器DEMAP、十进制/二进制转换器D2B。

本发明与传统的码复用差分混沌移位键控调制解调器主要的不同点在于调制器中的自然数/组合数映射器MAP和Walsh码选择控制器SEL，以及解调器中的比较与选择控制器CS和组合数/自然数映射器DEMAP，以下重点阐述这几个模块的工作原理。自然数/组合数映射器MAP和Walsh码选择控制器SEL的工作原理为：给定正整数M和Q，其中M为备选的Walsh码的个数，Q为并行传输的数据流的个数，令J＝{cQ,...,c1}为Q个整数构成的序列，满足cQ＞…＞c1≥0，对于任意正整数Z∈[0,C(M,Q)-1]可表示为一Q长的整数序列，

其中C(n,m)表示n中取m的组合数。给定输入Z和Q，根据公式(1)可计算整数序列J＝{cQ,...,c1}，然后将{cQ,...,c1}作为码下标选择总共M个备选Walsh中的Q个用于对Q路并行的数据流进行调制。基于约束Z∈[0,C(M,Q)-1]，十进制/二进制转换器可将个任意比特组合转换为满足约束条件的Z，作为组合数映射器MAP的输入，其中表示向下取整。

解调器中的比较与选择控制器CS与组合数/自然数映射器DEMAP的工作原理如下：CS对输入的M个绝对值进行从大到小的排序，并获取前Q个最大值对应的下标将估计的下标作为DEMAP的输入，通过公式(1)，即计算得到估计的

本发明利用码复用差分混沌移位键控的特点，通过引入码下标调制来提高码复用差分混沌移位键控的能量效率。

本发明将通过将部分传输的信息比特映射到Walsh码的下标上，然后根据这些下标，选择对应的Walsh码用于并行比特流CS-DCSK的调制，相对于现有的并行比特流CS-DCSK，能够增大带宽、节约能耗。因此本发明比现有DCSK和CS-DCSK在增加带宽和节约能耗方面更具有竞争力。

附图说明

图1为融合码下标调制的CS-DCSK调制器的组成结构；

图2为融合码下标调制的CS-DCSK解调器的组成结构；

图3为加性高斯白噪声(AWGN)信道下，融合码下标调制的CS-DCSK解调器与CS-DCSK在相同数据速率下的误比特率性能比较；

图4为多径瑞利(Rayleigh)衰落信道下，融合码下标调制的CS-DCSK解调器与CS-DCSK在相同数据速率下误比特率性能比较。

具体实施方式

融合码下标调制的CS-DCSK调制解调器完成一次传输所需的时间长度为T，将时间长度T均分为N部分，即T＝NTc，其中N为Walsh码的阶数。

参见图1，调制器具体调制过程如下：系统传输的每帧比特流包括码下标调制映射比特流和CS-DCSK调制比特流，每帧比特流表示为Si＝bcim,1,bcim,2,....,bcim,P,b1,b2,…bQ，其中比特流bcim,1,bcim,2,....,bcim,P为码下标调制映射比特流，比特b1,b2,…bQ为CS-DCSK并行调制比特流。二进制/十进制转换器B2D将比特流bcim,1,bcim,2,....,bcim,P转换为整数Z，自然数/组合数映射器MAP根据输入的Z和Q得到码下标序列{cQ,...,c1}，其中ck∈{1,2,....,M}。下标序列{cQ,...,c1}对应于Q个N阶Walsh码因此码下标调制映射比特流可用于Walsh码的选择。CS-DCSK调制比特b1,b2,…bQ映射成CS-DCSK调制信息符号，即首先将b1,b2,…bQ经串/并转换器S2P将串行比特流转换为Q路并行的比特流，然后将这Q路比特经映射规则：“0->-1，1->+1”映射为调制符号。

同时混沌信号发生器CG产生时间长度为Tc的混沌载波信号，在0时刻，分别送入支路R、支路1、……、支路Q。在支路R中第1级乘法器MR1将混沌载波与参考支路Walsh码发生器WR输出的码元wR,1相乘，产生第1段参考信号R1，通过切换开关SR(切换开关切换到节点TR1)输出；在支路1中第1级乘法器M11将混沌载波、信息调制符号a1以及支路1的Walsh码发生器W1输出的码元相乘，产生支路1的第1段信息调制信号I1,1，并从切换开关S1(切换开关切换到节点T11)输出；支路2中第1级乘法器M21将混沌载波、信息调制符号a2以及支路2的Walsh码发生器W2输出的码元相乘，产生支路2的第1段信息调制信号I2,1，并从切换开关S2(切换开关切换到节点T21)输出；类似地，可得到其它支路的第1段信息调制信号I3,1,…IQ,1。然后将第1段参考信号R1和Q个支路的第1段信息调制信号I1,1,I2,1,…IQ,1送入加法器ADD，相加输出时间长度为Tc的第1段发送信号。在Tc时刻，Tc长的混沌载波信号经过延时单元D1延时Tc后分别送入支路R、支路1、……、支路Q。在支路R中，第2级乘法器MR2将混沌载波与参考支路Walsh码发生器WR输出的码元wR,2相乘，产生第2段参考信号R2，通过切换开关SR(切换开关切换到节点TR2)输出；在支路1中，第2级乘法器M12将混沌载波、信息调制符号a1以及支路1的Walsh码发生器W1输出的码元相乘，产生支路1的第2段信息调制信号I1,2，并从切换开关S1(切换开关切换到节点T12)输出；在支路2中，第2级乘法器M22将混沌载波、信息调制符号a2以及支路2的Walsh码发生器W2输出的码元相乘，产生支路2的第2段信息调制信号I2,2，并从切换开关S2(切换开关切换到节点T22)输出；类似地，可得到其它支路的第2段信息调制信号I3,2,…IQ,2，然后将第2段参考信号R2和Q个支路的第2段信息调制信号I1,2,…IQ,2送入加法器ADD相加，输出时间长度为Tc的第2段发送信号。以此类推，经过N-1个相同的操作，在(N-1)Tc时刻，加法器ADD输出时间长度为Tc的第N段发送信号，至此，经过N次操作，调制器输出长度为T的所有发送信号。

在图1中，各标记的含义如下：

如图2为融合码下标调制的CS-DCSK解调器的结构，解调器的具体实施过程如下：接收器RC接收到的信号r(t)后分2路输出，一路作为信息支路分别进入M个分支中对应的乘法器N1,1,N1,2,....,N1,M，另一路作为参考支路进入乘法器NR。在参考支路中，N阶Walsh码wR进入方波发生器FR产生长度为T的信号输出，同时，在信息支路的分支1中，N阶Walsh码w1进入方波发生器F1产生长度为T的信号后输出，并进入乘法器N1,1与接收的信号相乘，相乘的结果送入乘法器N2,1中，与参考支路NR输出的信号相乘，相乘的结果送入累加器AC1，累加的结果分两路分别送入到切换开关K和取绝对值器A1，取绝对值器A1输出的结果送入比较与选择控制器CS。在信息支路的分支2中，N阶Walsh码w2进入方波发生器F2产生长度为T的信号后输出，并进入乘法器N1,2与接收的信号相乘，相乘的结果送入乘法器N2,2中，与参考支路的NR输出的信号相乘，相乘的结果送入累加器AC2，累加的结果分两路分别送入到切换开关K和取绝对值器A2，取绝对值器A2输出的结果送入比较与选择控制器CS。以此类推，信息支路的M个分支均完成上述类似的处理，共有M个取绝对值器的输出送入比较与选择控制器CS，在比较与选择控制器CS中对M个绝对值按照从大到小的顺序排序，获得前Q个最大值对应的Walsh码下标值并将这些下标值对应的分支通过切换开关K将这Q个最大支路的输出分别送到Q个判决器DS1,…,DSQ，经过判决输出Q路的并行比特流同时，比较与选择控制器CS将Walsh码下标值输出到组合数/自然数映射器DEMAP，组合数/自然数映射器DEMAP将下标值转换为整数最后通过十进制/二进制转换器D2B将转换为码下标调制映射比特流的估计值后输出。

在图2中，各标记的含义如下：

实施例

以下基于计算机仿真过程，进一步阐述本发明的实施方法。假设混沌载波由离散的Logistic映射产生，信号的采样频率设为fs＝1000次/秒，混沌载波的持续时间Tc＝0.008秒，则对应的混沌采样数为θ＝8，完成一次传输的时间T＝NTc，对应的信号采样点为β＝Nθ。混沌信号发生器的映射方程为当给定初始值时x(0)，通过迭代式x(i+1)＝1-2×x²(i),i＝0,....,i,....,θ-1,可以产生长度为θ的混沌载波序列N阶Walsh码矩阵的构造方法为：Wm＝[Wm-1,Wm-1；Wm-1,-Wm-1]，W1＝[+1,+1；+1,-1]，其中在Walsh码矩阵中，我们选择矩阵的第一行wR作为参考信号的调制码，选择M＝N/2行的Walsh码作为备选的信息调制码，即从第N/2+1行到第N行，则并行比特流数Q必须满足Q＜M。

融合码下标调制的码复用差分移位键控调制解调方法在加性高斯白噪声信道(AWGN)误比特率性能如图3所示。在多径瑞利(Rayleigh)衰落信道下的误比特率性能如图4所示。图中的系统参数如下：对于本发明的调制解调器，“R”表示完成一次传输可以传输的比特数，即R＝Q+P。作为比较，图中给出了CS-DCSK在相同条件下即相同的扩频因子和信道的误比特率性能，对于CS-DCSK，R就是同时传输的并行比特流数，最大可以取到M。在这个例子中，我们取Walsh码的阶数N＝16,M＝8，扩展因子均为SF＝128。由图3可以看出，本发明的调制解调器相对于CS-DCSK有明显地性能增益，最大的性能增益大约为2dB。最重要的是在相同参数条件下，CS-DCSK仅能够实现最大并行比特流为R＝8的传输，但本发明的调制解调器可实现最大并行比特流R＝10的传输，并且BER性能没有恶化。由图4可以看出，本发明的调制解调器与CS-DCSK的BER具有相同的斜率，表明它们具有相同的分集阶数，并且它们具有相当的BER性能，但本发明的调制解调器比CS-DCSK具有更高的带宽效率。

融合码下标调制的码复用差分混沌调制器，自然数/组合数射模块MAP可将码下标调制映射比特流bcim,1,bcim,2,....,bcim,P映射为Q个正整数，从而该Q个正整数可作为N阶Walsh码矩阵的行下标，选择Q行作为码复用差分混沌移位键控的Q个信息调制码，完成Q路并行信息比特流b1,b2,…bQ的传输。

融合码下标调制的码复用差分混沌解调器，接收器R接收后的信号进入参考支路与参考调制码wR,相乘输出参考信号，同时R接收的信号分别进入M个信息支路，并与信息调制码w1,,…wM,相乘，其结果分别与参考支路输出的参考信号相乘，然后送入各自的累加器，累加器的结果分两个分支分别进入取绝对值器A1,A2,....,AM和切换开关K，取绝对值器的输出送入比较与选择控制器CS，并计算Q个最大的绝对值对应的Walsh码下标该下标分别进入组合数/自然数映射器DEMAP和切换开关K，在切换开关K中比较与选择控制器CS将控制与对应的Q个支路开关闭合到对应的Q个判决器DS1,…,DSQ上，判决输出Q个并行比特流的估计值在组合数/自然数映射器DEMAP中，码下标将被映射为正整数最后将输入到十进制/二进制转换器D2B中，估计出调制器端的码下标调制映射比特流的估计值

所述差分混沌移位键控调制器，信息比特不仅可以通过并行的码复用调制进行传输，还可以通过码下标调制映射比特流选择不同的Walsh码参与传输，利用的Walsh码的下标值作为传输信息比特的载体，实现额外的信息比特的传输。

所述差分混沌移位键控解调器，接收器R接收到的信号，分别进入M个备选的分支中进行常规的CS-DCSK的解调，并将获得的M个解调判决量送入对应的M个取绝对值器A1,A2,....,AM，M个取绝对值器的输出一起送入比较与选择器CS，比较与选择器CS检测出Q个最大值及其对应的Walsh码下标值，Q个最大值进入判决器判决后输出Q路比特流，Q个下标值则根据与调制器相反的映射方式恢复出码下标调制比特流。

本发明将传输的信息比特映射在Walsh码的选择上，提高了传输的数据率，增加了带宽，提高了能量效率，并且在AWGN信道和多径Rayleigh衰落信道下的误码性能和常规DCSK相当或更好，是一种在短距离通信应用中具有竞争力的调制解调器。