張 宇 應(yīng)鵬魁 吳樂(lè)南

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

偽隨機(jī)調(diào)制序列的CP-EBPSK通信系統(tǒng)

張 宇 應(yīng)鵬魁 吳樂(lè)南

(東南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096)

為了緊縮通信系統(tǒng)的信號(hào)頻譜，減少其線譜能量，引入了一種偽隨機(jī)序列調(diào)制方法.該方法通過(guò)對(duì)連續(xù)相位擴(kuò)展的二元相移鍵控(CP-EBPSK)通信系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，使發(fā)射端鍵控調(diào)制時(shí)段的相位變化受控于偽隨機(jī)序列，從而使CP-EBPSK調(diào)制指數(shù)的符號(hào)隨機(jī)化，同時(shí)保持CP-EBPSK通信系統(tǒng)其他組成部分不變.仿真結(jié)果表明，該方法可使調(diào)制信號(hào)占用的帶寬僅為CP-EBPSK通信系統(tǒng)帶寬的一半，顯著提高了頻譜的利用率.即使在－60 dB帶寬的苛刻要求下，當(dāng)信號(hào)載頻分別為30 MHz和2.4 GHz時(shí)，偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK通信系統(tǒng)以約35 dB的信噪比為代價(jià)，獲得超過(guò)200 bit/(s·Hz)的頻譜利用率，大幅度緊縮了頻譜，提高了系統(tǒng)整體性能.同時(shí)，接收機(jī)沖擊濾波器的特殊濾波效果導(dǎo)致解調(diào)器可不受調(diào)制符號(hào)隨機(jī)化的影響，從而使得解調(diào)器的解調(diào)性能基本不變.

偽隨機(jī)序列;CP-EBPSK調(diào)制;沖擊濾波器;頻譜利用率;誤碼率

高速增長(zhǎng)的寬帶無(wú)線業(yè)務(wù)需求對(duì)無(wú)線通信提出了越來(lái)越高的要求，最大限度地壓縮無(wú)線傳輸頻譜具有重要的實(shí)際意義和直接的經(jīng)濟(jì)效益.為了在單位頻帶內(nèi)高速傳輸信息，需要盡可能提高頻譜利用率［1］.如何有效地提高頻譜利用率已成為新一代信息傳輸系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)指標(biāo)和關(guān)鍵共性技術(shù).連續(xù)相位的擴(kuò)展二元相移鍵控調(diào)制(continue phase-extended binary phase shift keying，CP-EBPSK)［2］可使帶寬大大縮減，符合工程意義上“超窄帶”的要求［3］.引入偽隨機(jī)序列調(diào)制CP-EBPSK的調(diào)制指數(shù)Δ，可進(jìn)一步降低已調(diào)信號(hào)中的線譜，得到更緊縮的線譜功率，解調(diào)器則保持采用基于數(shù)字沖擊濾波器［4］的判決技術(shù).

本文首先分析了利用偽隨機(jī)序列調(diào)制CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)的優(yōu)勢(shì).然后，在不同的信號(hào)載頻下選取不同的調(diào)制參數(shù)，對(duì)偽隨機(jī)序列調(diào)制的CPEBPSK調(diào)制信號(hào)的功率譜和誤碼率性能進(jìn)行了仿真比較，從而驗(yàn)證了理論分析的正確性.

1 偽隨機(jī)調(diào)制的CP-EBPSK調(diào)制器

CP-EBPSK序列調(diào)制的統(tǒng)一表達(dá)式為［1］

式中，g0(t)和g1(t)分別表示“0”碼元和“1”碼元的調(diào)制波形;T為碼元周期;τ為鍵控調(diào)制時(shí)段;ωc為調(diào)制載波的角頻率;Δ為調(diào)制指數(shù)，是一個(gè)很小的固定數(shù)值.與 EBPSK調(diào)制方式［2］相比，CP-EBPSK的最大特點(diǎn)在于“1”碼元處的相位變化是連續(xù)的.因此，采用CP-EBPSK得到的信號(hào)功率譜將更集中于載頻附近，其邊帶電平大大降低.

為了進(jìn)一步降低CP-EBPSK已調(diào)信號(hào)功率譜邊帶中的線譜(即離散譜)分量，可將信息碼元“0”所對(duì)應(yīng)的調(diào)制波形樣本g0保持不變.當(dāng)信息碼元為“1”時(shí)，令Δ的符號(hào)受控于一個(gè)偽隨機(jī)序列.當(dāng)該偽隨機(jī)序列值為“0”時(shí)，輸出調(diào)制波形樣本g10;當(dāng)偽隨機(jī)序列值為“1”時(shí)，輸出調(diào)制波形樣本g11.由此可得如下的表達(dá)式:

偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK通信系統(tǒng)全數(shù)字化實(shí)現(xiàn)過(guò)程見(jiàn)圖1.圖2為原CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)和偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK信號(hào)的時(shí)域波形［4］.圖中，每個(gè)碼元周期內(nèi)有4個(gè)載波周期;每個(gè)調(diào)制區(qū)間內(nèi)有2個(gè)載波周期;Δ=0.5.

圖1 偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK通信系統(tǒng)

圖2 CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)的時(shí)域波形

圖3為Δ=0.1時(shí)原CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)和偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)的功率譜.由圖可知，Δ的符號(hào)偽隨機(jī)化后，CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)功率譜中的線譜分量大大減少，降低約20 dB，從而進(jìn)一步提高了頻譜利用率.

圖3 CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)的功率譜

2 偽隨機(jī)調(diào)制的CP-EBPSK解調(diào)器

CP-EBPSK接收機(jī)如圖4所示.該接收機(jī)的核心部分是一個(gè)無(wú)限沖激響應(yīng)的數(shù)字帶通濾波器［5-6］，在數(shù)字帶通濾波器帶內(nèi)的中心頻率處具有極窄的陷波-選頻特性.當(dāng)發(fā)送碼元為1時(shí)，EBPSK，CP-EBPSK等調(diào)制信號(hào)的濾波輸出波形產(chǎn)生明顯而強(qiáng)烈的寄生調(diào)幅沖擊.即使當(dāng)EBPSK調(diào)制的跳變相位的符號(hào)和CP-EBPSK調(diào)制中的Δ符號(hào)發(fā)生改變時(shí)，該特性仍不受影響.因此，基于模擬鎖相環(huán)和數(shù)字沖擊波器的EBPSK接收機(jī)［7-8］，也能直接用于解調(diào)偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK調(diào)制信號(hào).

圖4 偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK接收機(jī)

3 仿真結(jié)果

假設(shè)一個(gè)碼元周期內(nèi)含有N個(gè)載波周期，一個(gè)跳變波形的時(shí)間長(zhǎng)度持續(xù)K個(gè)載波周期.分別選取30 MHz和2.4 GHz兩種載頻，考察取值不同時(shí)的K和N對(duì)于偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK通信系統(tǒng)性能的影響.接收機(jī)采樣頻率fs為載頻fc的10倍.

載頻分別為30 MHz和2.4 GHz時(shí)，比較了不同碼率及相同碼率下不同K值的偽隨機(jī)序列調(diào)制CP-EBPSK信號(hào)的功率譜，結(jié)果見(jiàn)圖5和圖6.仿真碼元個(gè)數(shù)為215，發(fā)射機(jī)無(wú)額外帶通成形濾波.由圖5和圖6可知，所得功率譜具有更高的“頻譜樹(shù)”(載波附近頻譜)和更低的“頻譜草”(主、旁瓣電平)［9］.按照 －60 dB功率帶寬(即邊帶電平均低于－60 dB時(shí)的信號(hào)帶寬)測(cè)量，即可得到名副其實(shí)的“超窄帶”.調(diào)制占空比越低，頻譜利用率越高.

圖5 30 MHz載頻下不同占空比的功率譜圖

由圖5可知，在信號(hào)載頻為30 MHz、調(diào)制系數(shù)為0.1的條件下，當(dāng)N從10增加到300時(shí)，調(diào)制占空比K/N逐漸減小，頻譜更加緊縮，頻譜利用率逐漸變大.仿真計(jì)算了圖5中所列各種情況下的－60 dB功率帶寬.當(dāng)碼率R從3 Mbit/s減小到100 kbit/s時(shí)，－60 dB功率帶寬從13 kHz減小到415 Hz，頻譜利用率從 230 bit/(s·Hz)上升到240 bit/(s·Hz)，較 CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)提高了近1倍.

圖6 2.4 GHz載頻下不同占空比的功率譜圖

由圖6可知，在信號(hào)載頻為2.4 GHz、調(diào)制系數(shù)為0.1的條件下，當(dāng)N從10增加到3 000時(shí)，碼率R從240 Mbit/s降低到0.8 Mbit/s，－60 dB功率帶寬從1 MHz減小到27.2 kHz，頻譜利用率從238 bit/(s·Hz)上升到 294 bit/(s·Hz).這說(shuō)明偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK調(diào)制信號(hào)在高頻段依然有提高頻譜利用率的優(yōu)勢(shì).

在加性高斯白噪聲(AWGN)信道條件下且不采用任何信道編碼時(shí)，偽隨機(jī)序列調(diào)制CP-EBPSK信號(hào)的解調(diào)性能見(jiàn)圖7.由圖可知，在一定的信噪比下，保持N值不變，增加K值可提高偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK信號(hào)的解調(diào)性能，功率譜的主、旁瓣電平也會(huì)相應(yīng)提升.

圖7 不同占空比下的解調(diào)性能

圖8為 Δ =0.1，K∶N=2∶20時(shí)正常調(diào)制、偽隨機(jī)序列調(diào)制、正負(fù)間隔調(diào)制等3種CP-EBPSK調(diào)制方式下所得的誤碼率.其中，正負(fù)間隔調(diào)制［7-8］是指在發(fā)送碼元“1”時(shí)交替選擇+Δ和－Δ.由圖可知，這3種情況下的解調(diào)性能差別不大，特別是在低信噪比條件下.

圖8 3種調(diào)制方式下的誤碼率

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)偽隨機(jī)序列調(diào)制的CP-EBPSK通信系統(tǒng)發(fā)送端的波形進(jìn)行設(shè)計(jì)，大幅度降低了調(diào)制信號(hào)邊帶頻譜的線譜成分，減少了對(duì)鄰近頻道的干擾，得到了超過(guò)200 bit/(s·Hz)的頻譜利用率.同時(shí)，該通信系統(tǒng)接收端的沖擊濾波保留了CP-EBPSK調(diào)制的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有良好的解調(diào)性能.如果將其與信道編碼技術(shù)相結(jié)合，有望進(jìn)一步降低誤碼率，尤其適于帶寬受限但功率相對(duì)富裕的場(chǎng)合.

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Pseudo-random modulated CP-EBPSK communication system

Zhang Yu Ying Pengkui Wu Lenan
(School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

To tighten the signal spectrum of a communication system and reduce the spectral energy，a pseudo-random modulation method is introduced.In this method，the continue phase extended binary phase shift keying(CP-EBPSK)communication system is modified to make the phase changes of the transmitter's modulation to be controlled by the pseudo random sequence.The symbols of the modulation indexes of the CP-EBPSK are randomized while the other parts of the CP-EBPSK communication system keep unchanged.The simulation results show that by this method the bandwidth occupied by the modulation signal is half of that of the primitive CP-EBPSK communication system，and the spectrum efficiency is remarkably improved.Even in the harsh condition of the －60 dB bandwidth，when the carrier frequencies are 30 MHz and 2.4 GHz，the spectrum efficiency of the non-coding pseudo-random modulated CP-EBPSK communication system is more than 200 bit/(s·Hz)at the cost of about 35 dB signal-to-noise ratio and the spectrum is narrowed，which improve the system's overall performance.Besides，the special filter effect of the impact filter in receivers makes the demodulator free from the influence of the randomization of the modulation symbols，which keeps the demodulation performance unchanged.

pseudo-random sequence;continue phase extended binary phase shift keying(CP-EBPSK)modulation;impact filter;spectrum efficiency;bit error rate

TN911.25

A

1001－0505(2012)02-0209-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.003

2011-08-19.

張宇(1987—)，女，碩士生;吳樂(lè)南(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，wuln@seu.edu.cn.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2008AA01Z227)、國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60872075).

張宇，應(yīng)鵬魁，吳樂(lè)南.偽隨機(jī)調(diào)制序列的CP-EBPSK通信系統(tǒng)［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2012，42(2):209-213.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.003］