本發(fā)明涉及低截獲概率通信波形設(shè)計，尤其是涉及一種混合混沌的低截獲通信系統(tǒng)設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

水下低截獲通信聲吶著重在于信息的保密能力以及接收端的還原能力。雖然近些年低截獲聲吶通信系統(tǒng)發(fā)展較快，然而大部分是具有特性形式的信號。由于水聲信道的特點使得相同聲源級的信號并不能實現(xiàn)在不同距離上的低截獲通信。基于此，提出了通過混沌信號作為信息載體的方法，這種通信方式允許通信信號被檢測到，但是識別時會被當(dāng)作海洋生物噪聲探測，達到低截獲通信的目的，然而這種方法攜帶信息較少，并不利于實時通信。

針對傳統(tǒng)的海洋低截獲通信存在的問題，本發(fā)明提出了一種擬合混沌信號的方法，可以將信息隱藏在信號的混沌波形中，實現(xiàn)隱蔽效果的增強。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種混合混沌的低截獲通信系統(tǒng)設(shè)計方法，采用離散混沌與連續(xù)混沌級聯(lián)的方式產(chǎn)生傳輸聲音信號，這樣可以將信息隱藏在信號的混沌波形中，這樣可以大大提高了信息的保密能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種混合混沌的低截獲通信系統(tǒng)設(shè)計方法，包括以下步驟：1)、通過混沌映射，數(shù)字混沌系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字混沌序列；2)、根據(jù)信道的特征，連續(xù)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生載波連續(xù)混沌信號；3)、將數(shù)字混沌序列輸送到連續(xù)混沌系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)字混沌序列與連續(xù)混沌信號的級聯(lián)，產(chǎn)生混合混沌信號；4)、發(fā)送端發(fā)送混合混沌信號；5)、接收端首先檢測連續(xù)混沌信號，生成數(shù)字序列；6)、然后接收端進行數(shù)字混沌序列的解調(diào)。

由于其數(shù)字混沌的時域波形與頻域具有平坦性，與噪聲的譜類似，具有很強的隱蔽特性；連續(xù)混沌信號的功率譜與環(huán)境的噪聲非常類似，同時其獲得截獲的機會非常低，實現(xiàn)兩者的級聯(lián)，在一定程度上極大的提高的隱蔽的性能。

以下從混沌序列以及混沌信號的平均模糊函數(shù)等方面對混沌系統(tǒng)進行分析

(1)典型的混沌序列及運動特征分析

自從lorenz發(fā)現(xiàn)混沌系統(tǒng)以來，人們建立了多種混沌系統(tǒng)模型，從混沌映射的維數(shù)角度出發(fā)，有一維、二位和多維的。按時域的特點又分為連續(xù)和離散混沌系統(tǒng)，研究較為集中的一維離散混沌系統(tǒng)主要有以下四種，分別為：logistic映射、改進的logistic映射、chebyshev映射以及tent映射，本發(fā)明以改進的logistic映射為例，產(chǎn)生混沌序列。

改進的logistic映射又稱拋物線映射，是一維映射中較常用的一種，改進的logistic映射的差分方程描述為：

xn+1＝1-2xn²,-1＜xn＜1

改進的logistic映射主要的性質(zhì)有：

①不變測度

②均值

由于其均值為零，因此改進的logistic映射又稱零均值logistic映射，序列二值化判決門限ξ＝0。

③自相關(guān)函數(shù)

④互相關(guān)函數(shù)

考慮兩個混沌序列{x1,k；k＝0,1,2,…}和{x2,k；k＝0,1,2,…}，其互相關(guān)函數(shù)為：

圖8是改進的logistic映射有限長序列的自相關(guān)函數(shù)以及互相關(guān)函數(shù)圖。仿真時所采用的序列為改進的logistic映射，分形參數(shù)r＝4，序列長設(shè)定為128位。初值分別為0.32和0.64。

對于改進的logistic映射，其自相關(guān)函數(shù)都是一個δ函數(shù)(沖擊函數(shù))，互相關(guān)函數(shù)恒為零，與白噪聲的統(tǒng)計特性一致，但需要注意的是，混沌序列是非周期的無限長序列，但在現(xiàn)有計算機(寄存器)或硬件電路中，以及通信中傳輸?shù)男畔⑿蛄芯俏粩?shù)和長度有限的序列，因此混沌序列就存在長度和截斷的問題。

(2)混沌信號的平均模糊函數(shù)

一般來說，具有隨機特性的聲吶波形采用平均模糊函數(shù)aaf(averageambiguityfunctinn)的形式，但是考慮到實際中聲吶信號處理方式和處理時間的約束，這里采用樣本平均方式來進行計算?；煦缧盘柕钠骄：瘮?shù)如式所示：

式中i表示第i個樣本函數(shù)，m代表樣本個數(shù)，χi(τ,ξ)代表模糊函數(shù)。模糊函數(shù)定義為：

令xi(t)xi(t+τ)＝y(tǒng)i(t,τ)，則上式可以寫為：

對于離散信號，yi(t,τ)可以寫為yi(m,n)，可以得到

yi(m,n)＝xi(m)xi(m+n)

m代表離散時間變量，n對應(yīng)延遲時間變量，由此可以得出：

在實際運算中，令可以得到平均模糊函數(shù)為：

以中心值為零對稱分布的logistic映射函數(shù)為例，即：

設(shè)信號初值為x0＝0.49?？梢缘玫侥：瘮?shù)圖如圖4所示。

從上面的技術(shù)描述和仿真中，可以得到混沌系統(tǒng)可用來產(chǎn)生類噪聲信號和聲吶波形，而且某些混沌連續(xù)波的平均模糊函數(shù)具有或逼近理想“圖釘型”，因此它在噪聲聲吶系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用前景。截斷混沌序列信號理論上也具有較好的模糊圖形狀，在時域和頻域具有可觀的主旁瓣比和較好的距離和速度分辨力，加之混沌系統(tǒng)對初值的敏感性，使得混沌聲吶信號網(wǎng)具有極強的抗干擾性和極低的截獲概率。因此，混沌序列在低截獲系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

為克服在非相干解調(diào)時存在門限漂移的問題，本發(fā)明采用混沌鍵控(dcsk)調(diào)制，圖5是離散時域的dcsk調(diào)制器系統(tǒng)框圖，dcsk調(diào)制中，每個比特時間被分為兩個時隙，第一個時隙來發(fā)送一段混沌序列作為參考信號，第二個時隙發(fā)送經(jīng)信息信號調(diào)制的混沌信號，如果發(fā)送的信息比特為“+1”，則兩個時隙的信號是相同的混沌信號，如果發(fā)送的信息比特為“-1”，則信息段和參考信號段相位相反。換言之，dcsk將要發(fā)送的信息比特隱藏在兩段信號的相位差內(nèi)。

以雙極性二進制比特信息為例，dcsk系統(tǒng)發(fā)送端的信號可以表示為：

其中β表示每個時隙內(nèi)傳輸信號的采樣點數(shù)，根據(jù)擴頻因子(spreadingfactor，sf)的定義，dcsk系統(tǒng)中sf＝2β。

為恢復(fù)bk，接收端將接受的信號ri與自身延時β后的信號ri-β進行相關(guān)運算，如圖6為dcsk解調(diào)器的系統(tǒng)框圖。

相關(guān)器輸出為：

假定傳輸信號在信道中只受到加性高絲白噪聲影響，則上式中ri可表示為：

ri＝si+ξi

其中,ξi服從高斯分布。

將ri＝si+ξi代入上式，可得到接收端輸出，判決器需要判決的變量zk

式中，第一項的符號由當(dāng)前傳輸?shù)男畔⒈忍氐姆枦Q定。若傳輸?shù)男畔⒈忍貫椤?1”，則第一項為正；若傳輸?shù)男畔⒈忍貫椤?1”，則第一項為負。其余項數(shù)學(xué)期望均為零，因此將判決器的判決門限設(shè)置為零，則恢復(fù)信號為：

其中，sign[·]表示符號函數(shù)。

本發(fā)明通過所述連續(xù)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生連續(xù)混沌調(diào)頻信號，將信號信息產(chǎn)生的波形用調(diào)頻的方式實現(xiàn)波形的信息隱藏與發(fā)送，所述連續(xù)混沌調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式為：

其中0≤t≤t1，t1為積分時間，m為調(diào)頻指數(shù)，f0為中心頻率，為連續(xù)混沌信號，連續(xù)混沌信號為調(diào)制信號，由連續(xù)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生，調(diào)頻指數(shù)將擴大倍后，經(jīng)過積分器，由相位調(diào)制器輸出調(diào)頻信號作為連續(xù)混沌調(diào)頻信號；

通過混沌狀態(tài)變量集合的狀態(tài)函數(shù)作為狀態(tài)變量集合，調(diào)控壓控振蕩器的頻率輸出所要產(chǎn)生的ccfms信號；

其中ccfms的相位為：

則可以得到：

通過連續(xù)混沌信號對正弦振蕩器進行非線性禍合，使得正弦振蕩器直接輸出連續(xù)混沌調(diào)頻信號。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

本發(fā)明提出實現(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)的序列混沌系統(tǒng)設(shè)計，產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，同時根據(jù)信道的特征，實現(xiàn)載波連續(xù)混沌信號的產(chǎn)生，通過數(shù)字混沌序列與連續(xù)混沌的級聯(lián)，實現(xiàn)混合混沌系統(tǒng)的設(shè)計；接收端首先實現(xiàn)連續(xù)混沌信號的檢測，生成數(shù)字序列，然后實現(xiàn)離散混沌序列的解調(diào)。由于其數(shù)字混沌的時域波形與頻域具有平坦性，與噪聲的譜類似，具有很強的隱蔽特性；連續(xù)混沌信號的功率譜與環(huán)境的噪聲非常類似，同時其獲得截獲的機會非常低，實現(xiàn)兩者的級聯(lián)，在一定程度上極大的提高的隱蔽的性能。

利用擬合混沌信號的方法進行信息隱藏，截獲端接收到信號后會被認為是生物噪聲而增加了信號的保密能力，并且信息攜帶量有所增加，實現(xiàn)聲吶的低截獲通信。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的混合信號通信系統(tǒng)框圖。

圖2是本發(fā)明提供的混合混沌系統(tǒng)的流程圖。

圖3是本發(fā)明提供的連續(xù)混沌調(diào)制信號產(chǎn)生的示意圖。

圖4是本發(fā)明提供的混沌序列的模糊度函數(shù)。

圖5是本發(fā)明提供的dcsk調(diào)制器。

圖6是本發(fā)明提供的dcsk解調(diào)器。

圖7是本發(fā)明提供的相位產(chǎn)生器圖。

圖8是本發(fā)明改進的logistic映射有限長序列的自相關(guān)函數(shù)圖及互相關(guān)函數(shù)圖。

具體實施方法

為使本發(fā)明的目的、方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施，并參照附圖，對本發(fā)明做進一步說明。

請參考附圖2，本發(fā)明基于混合混沌的低截獲通信系統(tǒng)設(shè)計方法，包括以下步驟：1)、通過混沌映射，數(shù)字混沌系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字混沌序列；2)、根據(jù)信道的特征，連續(xù)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生載波連續(xù)混沌信號；3)、將數(shù)字混沌序列輸送到連續(xù)混沌系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)字混沌序列與連續(xù)混沌信號的級聯(lián)，產(chǎn)生混合混沌信號；4)、發(fā)送端發(fā)送混合混沌信號；5)、接收端首先檢測連續(xù)混沌信號，生成數(shù)字序列；6)、然后接收端進行數(shù)字混沌序列的解調(diào)。

數(shù)字混沌系統(tǒng)將產(chǎn)生的數(shù)字混沌序列輸送到連續(xù)混沌系統(tǒng)中，實現(xiàn)系統(tǒng)的級聯(lián)，加強系統(tǒng)譜的平坦性與信息的隱藏性。本發(fā)明利用混沌信號，實現(xiàn)混沌序列的低截獲通信，包括混沌鍵控(dcsk)和混沌調(diào)相調(diào)頻的低截獲通信。

為克服碼移鍵控(codeshiftkeying，csk)在非相干解調(diào)時存在門限漂移的問題，本發(fā)明采用混沌鍵控(dcsk)調(diào)制，請參考圖5的離散時域的dcsk調(diào)制器系統(tǒng)框圖，混沌鍵控(dcsk)調(diào)制中，混沌鍵控(dcsk)將要發(fā)送的信息比特隱藏在兩段信號的相位差內(nèi)，即在dcsk調(diào)制中，每個比特時間被分為兩個時隙，第一個時隙來發(fā)送一段混沌序列作為參考信號，第二個時隙發(fā)送經(jīng)信息信號調(diào)制的混沌信號，如果發(fā)送的信息比特為“+1”，則兩個時隙的信號是相同的混沌信號，如果發(fā)送的信息比特為“-1”，則信息段和參考信號段相位相反。

以雙極性二進制比特信息為例，dcsk系統(tǒng)發(fā)送端的信號可以表示為：

其中β表示每個時隙內(nèi)傳輸信號的采樣點數(shù)，根據(jù)擴頻因子(spreadingfactor，sf)的定義，dcsk系統(tǒng)中sf＝2β。

為恢復(fù)bk，接收端將接受的信號ri與自身延時β后的信號ri-β進行相關(guān)運算。

相關(guān)器輸出為：

假定傳輸信號在信道中只受到加性高斯白噪聲，則上式中ri可表示為：

ri＝si+ξi

式中ξi服從高斯分布。

將ri＝si+ξi代入上式，可得到接收端得到輸出，則判決器需要判決的變量zk：

其中，第一項的符號由當(dāng)前傳輸?shù)男畔⒈忍氐姆枦Q定。若傳輸?shù)男畔⒈忍貫椤?1”，則第一項為正；若傳輸?shù)男畔⒈忍貫椤?1”，則第一項為負。其余項數(shù)學(xué)期望均為零，將判決器的判決門限設(shè)置為零，則恢復(fù)信號為：

其中，sign[·]表示符號函數(shù)。

本發(fā)明根據(jù)混沌映射，產(chǎn)生混沌序列，本實施例以改進的logistic映射為例，產(chǎn)生混沌序列，改進的logistic映射定義為：

xn+1＝1-2xn²；-1＜xn＜1

改進的logistic映射具有以下性質(zhì)：

①不變測度

②均值

由于其均值為零，因此改進的logistic映射又稱零均值logistic映射，序列二值化判決門限ξ＝0。

③自相關(guān)函數(shù)

④互相關(guān)函數(shù)

考慮兩個混沌序列{x1,k|k＝0,1,2,…}和{x2,k|k＝0,1,2,…}，其互相關(guān)函數(shù)為：

對于改進的logistic映射，其自相關(guān)函數(shù)都是一個δ函數(shù)(沖擊函數(shù))，互相關(guān)函數(shù)恒為零，與白噪聲的統(tǒng)計特性一致，但需要注意的是，混沌序列是非周期的無限長序列，但在現(xiàn)有計算機(寄存器)或硬件電路中，以及通信中傳輸?shù)男畔⑿蛄芯俏粩?shù)和長度有限的序列，因此混沌序列就存在長度和截斷的問題。

利用不同的初值產(chǎn)生的混沌序列分配給不同的用戶來作為多址接入的地址碼。對此，可以采用等間隔的方式來生成初值序列。同時，由于混沌序列無限長的特點，要產(chǎn)生個復(fù)值隨機相位，可以將產(chǎn)生的混沌序列依次移位進入一個n級移位寄存器，選取n級移位寄存器中的ri個抽頭構(gòu)成隨機相位映射器，混沌序列中的相位長度為基函數(shù)采樣點數(shù)n，通過上述混沌映射法來提高基函數(shù)相位譜的相關(guān)性。

基函數(shù)相位的隨機性主要和相位映射器的輸入r有關(guān)，且r是固定的。一旦r給定，在單位圓上一個周期內(nèi)的隨機相位總數(shù)就可以固定，而相位的隨機性則直接決定了基函數(shù)的隨機性。這里利用m序列所確定的r抽頭來控制混沌序列，通過改變相位映射器的輸入r，基函數(shù)相位的隨機性得以提高。

請參考圖7，m為產(chǎn)生的移位寄存器的級數(shù)；映射級數(shù)ri由m序列的m級移位寄存器的值決定。若m序列前的m個移位寄存器的值為ri＝4，則混沌序列有4級映射抽頭，抽頭所對應(yīng)的混沌序列前ri個移位寄存器的值決定相位映射，可選相位有點。

對于給定的r，則可以映射成種基數(shù)。若隨機相位映射器的輸入為r，則產(chǎn)生的基函數(shù)個數(shù)為：

如果混沌序列的可選數(shù)量為nc，m序列的移位寄存器級數(shù)為m，則相位映射總數(shù)為：

ns＝(2^m-1)nc＝nmnc

檢測概率為1/(2^m-1)，即隨著m的增加，檢測概率呈指數(shù)下降，通過分析可以得到，引入混沌序列后，基函數(shù)的隨機性得到大大提高，這樣就增加了信號的保密性，即使信號被截獲，也不容易被破譯。

兩個長度相同的時域基函數(shù)bl(n)、其相關(guān)函數(shù)為：

其中，n為基函數(shù)采樣點函數(shù)，m為基函數(shù)之間的時延，au、是兩個基函數(shù)頻譜的幅值，分別為兩個基函數(shù)第u和v個子載波相位，sl和sq分別表示兩個基函數(shù)上的調(diào)制數(shù)據(jù)。

當(dāng)l≠q時，且m＝0時，可以得到基函數(shù)的互相關(guān)函數(shù)最大值為：

當(dāng)l＝q，m＝0時，可以得到基函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)為：

當(dāng)m＝0時，可以得到基函數(shù)的自相關(guān)函數(shù)最大值為：

本發(fā)明通過連續(xù)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生連續(xù)混沌調(diào)頻信號，將信號信息產(chǎn)生的波形用調(diào)頻的方式實現(xiàn)波形的信息隱藏與發(fā)送，這種方法使信息攜帶量有所增加，并且編碼的靈活性有所增強。連續(xù)混沌調(diào)頻信號的數(shù)學(xué)表達式可由下式描述：

其中0≤t≤t1，t1為積分時間，m為調(diào)頻指數(shù)，f0為中心頻率，x(ζ)為連續(xù)混沌信號。圖3給出了連續(xù)混沌調(diào)頻信號ccfms的產(chǎn)生原理框圖，連續(xù)混沌信號為調(diào)制信號，由連續(xù)混沌系統(tǒng)產(chǎn)生。調(diào)頻指數(shù)將擴大倍后，經(jīng)過積分器，由相位調(diào)制器輸出調(diào)頻信號作為連續(xù)混沌調(diào)頻信號ccfms。

通過混沌狀態(tài)變量集合的狀態(tài)函數(shù)作為狀態(tài)變量集合，調(diào)控壓控振蕩器的頻率輸出所要產(chǎn)生的ccfms信號。狀態(tài)集合為：

其中ccfms的相位為：

則可以得到：

通過連續(xù)混沌信號對正弦振蕩器進行非線性禍合，使得正弦振蕩器直接輸出連續(xù)混沌調(diào)頻信號。非線性禍合參數(shù)的變化將使得正弦振蕩器方程解的時間尺度發(fā)生變化，對于正弦形式解來說，時間尺度變化等效于信號的頻率變化。取非線性禍合參數(shù)為基于連續(xù)混沌信號的時變參數(shù)，此時正弦振蕩器輸出信號的頻率將隨連續(xù)混沌信號而變化。

假設(shè)x(t)為連續(xù)混沌信號，通過對正弦振蕩器進行非線性耦合，設(shè)定耦合參數(shù)σ(x(t))＝2π(f0+mx(t))，其中f0定義為中心頻率，m定義為調(diào)頻指數(shù)。

其中，連續(xù)混沌調(diào)頻信號的動力學(xué)設(shè)計模型的完整微分方程表示如下：

ccfms的動力學(xué)設(shè)計方式表明ccfms可由動力學(xué)設(shè)計系統(tǒng)直接產(chǎn)生，無需積分運算。同時這種動力學(xué)設(shè)計系統(tǒng)可以通過直接改變系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整信號性能，以及通過動力學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)來分析信號特征。

本發(fā)明提出實現(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)的序列混沌系統(tǒng)設(shè)計，產(chǎn)生數(shù)字混沌序列，同時根據(jù)信道的特征，實現(xiàn)載波連續(xù)混沌信號的產(chǎn)生，通過數(shù)字混沌序列與連續(xù)混沌的級聯(lián)，實現(xiàn)混合混沌系統(tǒng)的設(shè)計；接收端首先實現(xiàn)連續(xù)混沌信號的檢測，生成數(shù)字序列，然后實現(xiàn)離散混沌序列的解調(diào)。由于其數(shù)字混沌的時域波形與頻域具有平坦性，與噪聲的譜類似，具有很強的隱蔽特性；連續(xù)混沌信號的功率譜與環(huán)境的噪聲非常類似，同時其獲得截獲的機會非常低，實現(xiàn)兩者的級聯(lián)，在一定程度上極大的提高的隱蔽的性能。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護范圍為準(zhǔn)。