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基于线性反时间混沌理论的混沌信号延迟技术

来源:哗拓教育
基于线性反时间混沌理论的混沌信号延迟技术 曹伟莹 袁睿 (南昌大学电子信息工程系,江西南昌 330031) 摘要:本文从线性反时间混沌理论出发,提出一种混 沌信号延迟技术.以用于通信和雷达系统中的相关处理。该技 术通过数字延迟的噪声信号驱动线性系统直接产生延迟后的 反时间混沌信号,这能解决宽带信号的时延难题。本文通过数 值仿真和电路试验给出该延迟技术的说明和分析 关键词:线性反时间 混沌理论信号延迟技术仿真 实验 1.简介 信号延迟技术是相关处理中的关键技术,已经在通信和 雷达领域得到广泛的应用『1—9]。传统的信号延迟技术通常 采用同轴电缆线、声表面波延迟线、光纤延迟线和数字射频存 储等技术。但传统的信号延迟技术都是有限带宽的,延迟后的 信号性能由这些方法的通带带宽决定。混沌信号作为理论上 具有无限带宽频谱的宽带信号,传统延迟技术的带宽限制必 然会恶化延迟后的信号性能。 为此我们提出了一种基于线性反时间混沌理论的混沌信 号延迟技术。线性反时间混沌理论是由文献f10—14]提出的, 该理论证明了噪声驱动的线性系统能产生反时间混沌(re— verse—time chaos)。我们利用线性反时间混沌理论研究混沌信 号的延迟技术,由于反时间混沌信号与混沌信号有相同的频 谱和自相关函数,在相关处理中没有区别,因此下文中不对反 时间混沌信号与普通混沌信号加以区分。我们利用数字系统 产生脉冲信号和延迟后的脉冲信号,将其分别通过相同的线 性滤波器得到反时间混沌信号和延迟的反时间混沌信号。义 中通过理论阐明了该混沌信号延迟技术,并经由仿真和试验 进行了验证和分析。 2.线性反时间混沌理论 本节简单介绍文献『1O一14]中的线性反时间混沌理论。 首先.我们从非线性混沌映射开始.考虑如下混沌映射: Zn+l=2z modl (1) 其初始条件0≤z <l。如果状态变量Z. 写为一个二进制分 数,(1)式中的映射将可以看成左移然后舍去整数位的操作。 在有限精度实现映射(1)时,假设初始条件z =0.1l101101,那 么将有z.=0.11011017。其中?意味着一个比特的新信息,其可 以看作初始条件zn取有限精度值时舍去的信息。后续的迭代继 续每次一个比特的左移出新的信息,而确定性系统的这种产 生新信息的能力解释了混沌系统对初始状态的极度敏感性。 由文献『l0一l41的线性反时间混沌理论,与混沌系统(1) 相应的反时间混沌映射可以描述如下: V+【『 yn+l —— (2) 其中初始条件0≤v <1,盯 是随机序列,且仃 ∈f0,1}。用二 进制表示,映射(2)可以定义为右移后在最高位插入盯. 的操 作。比如将初始条件v =0.1l101101映射为v =0.?11101101,其 中?表示由【『 提供的一个比特的新信息。可见,反映射(2)的迭 代从随机源吸收信息,这与混沌映射(1)产生新信息相反。如 果精确地知道映射(2)当前的信息就能确定以前的迭代信息, 这说明映射(2)从反时间上看是确定性的,且映射(2)的反向 迭代满足混沌映射(1)。因此映射(2)作为由随机过程驱动的 线性滤波器能有效的产生反时间混沌。 类似于离散映射.连续的反时间混沌信号可以由受驱动 的二阶线性系统产生 x+2[3x+(to一+B )x=s(t) (3) 其中X(t)为标量状态变量,f3>0为衰减率,(t)为阻尼振荡的 频率。驱动信号s(t)为随机产生的脉冲。系统(3)通过类似离散 系统(2)的机制产生反时间混沌信号,详细证明参见文献 『】1]。下文中,我们以系统(3)为混沌信号源的基本模型。 3.信号延迟技术 本节阐述混沌信号延迟技术。首先设ll:X和V=I1,那么系统 (3)可以表示为如下动力系统: {【vu=v .=-2[3V一(∞ p)“ ( ’ (4) 然后,我们构造一个与之相似的动力系统 jf  V一2p V一(∞+2—p)2 u+s( 一△ (5) Lu一: 其中,当 p,E=ton ̄,,系统(4)与系统(5)的不同只在于驱 动信号s(t)和s(t—At)。下面我们证明系统(5)产生的信号将是 系统(4)的延迟信号。 定理1:当 = , =(I)时,对任意初始值的系统(4)和系统 (5),其解有如下关系: 1imlu(t)一U(t-At)l=0 (6) + 证明:设系统(4)与系统(5)的状态变量误差为e,=V(卜△t) 、e,=u(t—At)-u,误差系统可以由公式(4)(5)得到: j【 ee, ̄==e,-2 31e 一 B )e: (7) 构造李雅普诺夫函数L=e +((1)‘+13 )e:,利用公式(7)可得 到其一阶导数。 dL =2e1 1+2(∞ + d=2el[-213el-(to, ‘+p一)9 e2]+2(【l】 +t’ 3, 一)e2el =-413e ≤0 (8) 根据李雅普诺夫稳定性理论,可从(8)式的结果判断公式 (7)表示的误差系统在原点全局渐进稳定。因此有: limle2(t)I=0 =}lirnlu(t)一u(t一△t)I=0 一∞ 由此得证。 由定理1可知,要延迟系统(4)产生的信号U(t),只需要延 迟驱动信号S(t)。因此我们提出的延迟技术,如图1,由数字系 统产生噪声序列,一路经数模转换得到驱动脉冲S(t),然后驱 动线性滤波器(4)得到反时间混沌信号u(t)。另一路数字延迟 后再数模转换得到脉冲S(t一△t),然后驱动(5)式的系统,得到 延迟后的信号u(t—At)。这种方法利用便于延迟的数字信号驱 动滤波器直接产生延迟后的宽带混沌信号,解决了宽带混沌 信号延迟的难题。 151 2叭1年第5期鼋 试周刊 验系统的结构如图5所示,脉冲驱动信号由EPF10K10LC84"4, ALTERA系列FPGA实现的数字系统产生,脉冲重复频率为 16kHz.组成线性滤波器的元器件参数分别为L=6.8mH。C= 132pF.R=150Q。图6a为用于驱动的脉冲信号和输出信号U (t).图6b为由电容两端电压和电阻两端电压画出的吸引子 图..图6验证了简单结构的线性系统能产生反时间混沌信号, 其具有和混沌信号相似的波形和吸引子。为验证延迟技术的 实用性,我们搭建了两个完全相同,如图5所示的系统,分别产 生反时间混沌信号和其时延信号。图7为两个系统的输出信 号,其中图7a和 7b所示分别是延迟为0和延迟为6.25X10 时 的结果。图7表明,本文推荐的混沌信号延迟技术可以方便地 由实际系统实现 图1 信号延迟技术框图 4.数值仿真 本节通过仿真验证信号延迟技术,分析该技术在参数失 配时的鲁棒性。仿真中,设13=1n2,to=2'n-,驱动信号S(t)为由标 准正态分布的噪声量化后产生的脉冲信号。如图2a所示,S(t) 的幅度为±l,脉冲宽度为1秒。线性系统(4)产生的反时间混沌 信号U(t)如图2b,图2c中为信号U(t)的频谱,从其平坦的特性 可以看出反时间混沌信号有和混沌信号相似的频谱特征。因 此也将有相似的自相关特性. .延迟的信号由系统(5)产生,理想情况下百=13:ln2, :(t): 21r,图3a和图3b分别画出了At=O和At=l时的信号U(t)和U(t)。 图中可以看出,本文提出的信号延迟技术有效的获得了延迟 信号。为考虑信号延迟技术在参数失配时的鲁棒性,我们令 At=0,并分别变化 和 ,使西和 逐渐离开理想值B和(tJ,然后 计算各个情况下的信噪比(u一)/((u—n)一)来衡量此刻信号延迟 技术的性能。图4a所示的是以(西一p)/13为自变餐,以(u )/(( 一 u)‘)为函数的仿真结果,以( 一(1)) )为自变量,(u )/((百一u) ) 为函数的结果显示在图4b中.其中图4结果中的每个点都由 100次独立试验的平均得到。图4结果表明,本文提出的信号延 迟技术在参数失配时具有鲁棒性。 船 聪 譬 盂 e 些 鼎 图2反时间混沌。(a)为驱动脉冲,(b)为反时间混沌信 号,(o)为反时间混沌信号的幅度谱 “。)… 0—— 01 0 .01 。 舳 。 01 0 -0.1 。 幅 。。 (b) ‘ 图3反时间混沌信号u(t)和其时延信号百(t),(a)时延 At=O ̄D(b)时延At=l。 图4参数失配时延迟信号的信噪比。(a)D失配情况和 (b)c-)失配情况 ’ 5.试验结果 本节给出本文推荐的混沌信号延迟技术的试验结果 试 152 图5试验系统结构图 图6线性反时间混沌。(a)驱动脉冲和反时间混沌信号 波形,(b)以电容两端电压和电阻两端电压分别为横轴和纵轴 的吸引子图。 图7混沌信号延迟,(a)时延为O,(b)时延为6.25xl0。 6.结语 木史提 了一种基于线性反时间混沌理论的混沌信号延 迟技术,该技术利用易于实现的数字延迟技术产生时延的脉 冲信号,再由脉冲信号驱动线性系统直接产生时延的混沌信 号。我们通过仿真和试验对该技术进行了验证和分析。 本文思路类似于文献[15,16],不同的是文献[15,l6]中 以脉冲信号驱动非线性系统直接产生延迟的混沌信号,而本 文延迟的混沌信号由线性系统产生。线性系统与非线性系统 相比,其稳定性易于控制,系统结构相对简单。基于线性反时 间混沌理论的混沌信号延迟技术在参数失配时具有鲁棒性, 这也是非线性系统所不具备的。因此相对文献[15,16],本文 的技术更有可能在通信和雷达系统中得到实际的应用。 参考文献: [1]Lenz,G.,Eggleton,B.J.,Madsen,C.K.,and Slusher,R. E..Optical delay 1ines based on optical filters.IEEE Journal of Quantum Electronics.200l V01.37:525-532. 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