[论文解读] Chaos-based spread-spectrum communication system

Christian Nwachioma|arXiv (Cornell University)|Nov 24, 2019

Chaos control and synchronization参考文献 2被引用 11

一句话总结

本文提出一种基于混沌的扩频通信系统，采用自适应控制同步主从混沌发射-接收对，实现安全、鲁棒的传输。通过利用自适应同步与信号恢复技术（如指数平滑），系统在噪声AWGN信道中实现可靠的比特恢复，CFHSS在高噪声功率水平下仍表现出强健性。

ABSTRACT

Adaptive control is a control method that has an adaptation mechanism that reacts to model uncertainties. The control method is used to realized synchronization of a new chaotic system in a unidirectional master-slave topology. The master chaotic system and the slave system are adopted as transmitter and receiver, respectively for the purpose of secure communications. Both analog and digital designs are realized. The digital system is a cycle and bit accurate design having a system rate of $450MHz$. The design is targeted at an Artix-7 Nexys 4 FPGA. The transmitters are accordingly modulated by analog signals and fixed-point signals of different resolutions, sampling and frequencies. Although the adaptive controller tends to react on introduction of a modulating signal, we show that with a special detection mechanism or filtering including exponential smoothing, the choice of which depends on the nature of the modulating signal, it is possible to recover the modulating signal at the receiver. Moreover, chaos-based spectrum-spectrum communication systems are realized based on adaptive synchronization of the new chaotic system. Furthermore, in order to ascertain the robustness of the adaptive controller, the modulated signal is transmitted via an awgn channel and the probability of error and bit-error-rate (BER) computed by sweeping across sets of SNR and noise power values in a Monte Carlo simulation. It turns out that the probabilities of error or error rates are reasonably low for effective communication through mediums with certain noise conditions. Hence, the adaptive controlled communication system can be robust.

研究动机与目标

• 通过自适应控制实现混沌发射器与接收器系统之间的安全、同步通信。
• 解决自适应控制因响应调制信息信号而引起的信号失真问题。
• 在FPGA上设计并实现450MHz基于混沌的扩频系统的模拟与数字实现。
• 通过蒙特卡洛仿真，评估不同信噪比（SNR）与噪声功率下系统的鲁棒性。
• 在真实噪声环境中，验证基于混沌的跳频（CFHSS）与直接序列扩频（CDSSS）的可行性。

提出的方法

• 在单向主从配置中应用自适应控制，同步一种新型混沌系统，其中主端作为发射器，从端作为接收器。
• 系统采用450MHz周期精确的数字设计，在Artix-7 Nexys 4 FPGA上实现，使用定点信号处理。
• 对于CFHSS，频率合成器基于量化混沌信号生成跳频载波频率，通过模-m除法映射至101个预定义频段（58.6–200.0 MHz）。
• 使用带通FM调制器与解调器对实现跳频扩频传输，跳频速率为45kHz（比系统时钟慢10,000倍）。
• 在接收端，利用同步混沌信号锁定解调器至相同跳频频率，确保相干性。
• 对噪声信号应用带遗忘因子的指数平滑，以增强检测能力并实现基于阈值的二进制再生，尤其在高噪声条件下。

实验结果

研究问题

• RQ1 自适应控制能否在混沌通信系统中有效应用，而不扭曲所传输的信息信号？
• RQ2 当自适应控制器对调制信号产生响应时，如何在混沌扩频系统中实现信号恢复？
• RQ3 在高功率AWGN信道条件下，基于混沌的跳频扩频（CFHSS）性能如何？
• RQ4 指数平滑在噪声环境中对基于混沌的DSSS信号恢复的改善程度如何？
• RQ5 在所提出的混沌扩频系统中，确保可靠通信的信噪比（SNR）与噪声功率阈值是多少？

主要发现

• 自适应控制器成功同步主从混沌系统，即使其对调制信号产生响应，仍能实现可靠通信。
• CFHSS成功实现正确跳频与信号恢复，同步后接收端通道匹配。
• 指数平滑使信号在50 dB SNR、10 dBm噪声功率条件下仍能成功恢复，此时信号特征本已淹没于噪声中。
• 系统在AWGN信道中表现出强健性，当SNR超过某一阈值时，误比特率（BER）与误码概率均较低。
• CDSSS性能在200 dB SNR与-130 dBm噪声功率下仍显著下降，表明对噪声高度敏感，若无进一步优化则实用性有限。
• 功率谱密度分析证实，在白高斯噪声中存在明显的跳频频率，使用Kaiser窗实现150 dB旁瓣抑制，验证了频谱扩展的有效性。