FPGA发生器混沌跳频序列设计方案与实现

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作者：PanHongliang

仅供个人学习

基于FPGA发生器的混沌跳频序列的设计与实现

凌聪，准会员，IEEE和吴晓芙

摘要：基于混沌的伪噪声（PN）序列是传播频谱（SS）通信行列中最有前途的一种通信方式。本文涉及混乱频率的设计和实现跳频（FH）的序列发生器两方面，它们都与当前的FH / SS技术兼容。一个简单的发电机，采用的是非线性自回归（AR）的过滤器结构，这是以随机序列模型和度量熵随机序列的生成为基础的。传统的PN序列干扰发生器要符合序列履行期间和家庭规模的跳频要求。此外，基于混沌的跳频序列发生器原型可以应用于可编程门阵列（FPGA）和各种执行测试中。发生器产生长期的跳频序列均匀分布在可用带宽中，它具有大型线性复杂度以及最理想的汉明等相关属性。这些结果表明，成本效益性能良好的发电机有潜力被纳入到现有的FH系统中。

关键词：混沌，现场可编程门阵列，频率跳通信，随机生成序列。

1.引言

在过去十年的研究中，我们得出了即将在混沌通信方面占主导地位的是数字的结论，因为混沌非线性固有的参数在电子设备中不会出现再生困难的现象，同时也可以提供确切的偏差，唯一的数字模拟系统的混沌信号计划是与现代通信系统兼容的。其中的各种数字化应用，主要有两个，即混沌加密的安全性和基于混沌伪噪声（PN）序列扩频（SS）通信，这两方面即将被纳入现有的系统中，因为他们对其他正弦变化载波通信系统[1]功能块不做要求。新的世纪的开始，我们应该看到基于混沌通信在某些环境下的系统是可以实现的现实。

PN序列被广泛的用于扩频码直接序列（DS）的SS系统和跳频模式跳频（FH）系统[1]中。基于混沌的设计提供近似非线性PN序列的一类新正交性，尤其是宝贵的异步码分多址接入（CDMA）系统。对于DS序列[2]-[4]或FH[5]系统的积极探索和研究的结果是令人鼓舞的。当前的SS系统集成了这些序列。混沌PN序列的相关特性类似，在某些情况下，甚至比他们的线性更好。混沌序列的精确设计和分析在传统的代数方法下一般是不可能实现的，研究人员或多或少的依靠统计方法。其中许多的设计方法，例如基于随机序列的模型，它使设计更容易处理问题，尽管它在一般情况下不是最好的。此外，许多SS文献中，建立随机序列模型的有效性的表现使得在异步CDMA系统中使用长周期序列的分析成

为可能。从理论上讲，统计设计方法产生纯粹的随机序列混沌的系统精度是无限的。柯大亚和特斯马达[6]导出足够的条件可以产生纯粹的随机二进制序列。瓦萨里和科伦巴[7]提出了两种方法从一个独立的连续数字提高到另一个混沌锁相环（PLLS）采样。文献[5]是一个更方便的方法去判断一个混沌系统是否能够生产纯随机序列。从数字的混乱局面得到的序列发电机，必然有一个有限的时期，当然，没有真正随机的，但精心设计的混沌PN序列的性质非常接近随机序列。这些序列在CDMA系统中，在多个访问随机的基础上可以得出相同的性能序列模型。马志尼的想法[4]是不同于文献[5]-[7]的，它试图增加基于混沌的能力DS / CDMA系统。导致序列执行略优于随机序列。然而，分析[8]发现，混沌基础蔓延的纯粹最大增益的随机序列码14％左右能力可能仅有0.1个分贝。此外，相当小的增益要以相关的退化来作为代价，这将影响光谱特性序列的初始收购。例如，最大归自相关旁瓣的幅度将为0.25，以实现完整的0.1 dB的获得。在文献[9]和[10]中被报道的结果是独立的，这表明更准确的增益最多是15％分析。这种现象符合众所周知的韦尔奇和司德福[1]扩频序列，双胞胎的自相关和互相关是不可能取得的，观察到了很多建设中的传统扩频序列（例如文献[11]）。由于要在不显著的多个访问中使所获得的混沌序列的性能改善，不考虑相关的负面影响，纯随机序列模型似乎就更有吸引力整。

图1.阻止了小扰动的混沌跳频序列发生器的框图DS和FH是CDMA技术的两个主要类型。与DS相比，FH的主要优势是，它可以实现在一个更广泛的频率带宽，可以和带宽不连续。另一个功率控制的优点就是要求要比一个多用户系统要少得多。在DS系统，精确的功率控制抵抗远近效应是至关重要的。这两个跳频优势在许多应用中将是决定性的。在跳频通信系统，它是受雇于每个用户产生一个PN发生器“随机”序列的频率的。这样的系统要求套跳频序列，除了具有良好的海明相关的属性，还应该具有长期和大线性复杂度[12][13]。由于其他用户的存在，首先要求减少干扰，并有助于系统自同步能力，而第二个第三个则要求在重复序列生成的通信机制中防止智能干扰。大多数的跳频序列的构造通过代数方法[1]，[12]-[14]。本文致力于符合上述要求的混乱基于跳频序列。基于上述正当随机的设计方法序列模型。

文献[5]报道的初步结果表明，这些序列在下界汉明相关的渐近方面是欠佳的。基于混沌扩频的设计与分析，已经奠定了混沌PN序列走向实际应用。然而，据笔者所知，混沌PN序列的硬件实现发电机与当前的SS技术没有完全兼容的。这种主要障碍在实际应用中的混乱的有限字长是混沌系统的实施。最经典的混沌系统涉及复杂的非线性，如乘法或余弦，不适合用数字化实现，因为加法器和低精度乘法器是典型数字化的硬件，而高精度通常需要实现全面混乱的发展。此外，数字化的混乱时期分散在广泛的范围内。短周期内的不可预知的轨道的发生阻止了实际的FH / SS系统的混乱。

本文涉及以可编程门阵列（FPGA）为基础的混沌发生器跳频序列设计和实现。FPGA提供了极大的灵活性来设计高速高密度数字硬件。硬件很容易编程和重新配置。本文组织如下。第一节假设以一个简单的混沌跳频序列为基础，提出了适合FPGA实现的发电机。第二节，第三节提出了一个扰动架构混沌发生器的组成以及对它周期性的考虑。在第四节中，利用Xilinx XC4028XLA 对发电机的FPGA实现进行描述。第五节解决了基于混沌发生器的性能测试。最后，对余下的问题进行了讨论。

2.统计设计

基于动力学的混沌跳频序列的设计[5]在理论上是严格成立的，但不适合简单的硬件实现方法。系统设计与n维离散时间统一混沌系统分布[15]，[16]。系统基于自回归（AR）的过滤器补溢出非线性结构，我们对FPGA结构的简单实现十分感兴趣。因此，我们正在积极地研究基于非线性AR滤波器的发电机。混沌发生器的框图如图1所示。在严格意义上讲，周期轨道是不混乱的。本文中的“数字混沌轨道/序列”是指那些在模拟设备中可以使生成阶AR滤波器具有溢出非线性MOD(.)上的一个真正意义上的混沌系统.s(t)是随机信号. ,是状态变量，是上的é映射，但目前我们只能不断的通过乘法来得到它们，实系数是一个小扰动信号，要在下一节中被讨论，，即零输入的时间福祉。然而，所有的变量和系数被视为不失一般性的非负整数时，硬件实施而言，由于FPGA是更适合定点实现。纵观本文，连续混沌信号表示，但是表示的整数值的变量。相应地，函数MOD（.）定义为连续信号[15]。对于整数值的信号，它会第改为标准的