張 劍 ,周興建,盧建川

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

直接序列擴頻(DSSS)是直接利用具有高碼率的擴頻碼序列經(jīng)過各種調(diào)制方式在發(fā)端對信號的頻譜進行擴展,而在接收端用相同的擴頻碼序列去進行解碼,把展寬的擴頻信號還原成原始的信息[1]。由于帶寬增加,信噪比降低,信號淹沒在信道的噪聲里,直擴信號具有較強的隱蔽性、抗干擾性、抗截獲性,被廣泛應用于各種抗干擾通信中。直擴系統(tǒng)一般采用BPSK調(diào)制或QPSK調(diào)制[2-3],近來也有文獻嘗試采用MSK、GMSK等調(diào)制方式[4-6],試圖利用連續(xù)相位信號的頻譜特性和恒包絡(luò)特性提高直擴系統(tǒng)的頻帶利用率和有效發(fā)送功率,但并未提出具體的解擴解調(diào)方法。直接擴頻通信系統(tǒng)一般工作于負信噪比,載波和相位的估計限制了很多調(diào)制方式的應用,文獻[7-8]研究了低信噪比下的載波和相位估計與跟蹤問題,基本是針對BPSK調(diào)制信號的處理方法,但性能并不理想,對于其他調(diào)制方式下的低信噪比載波和相位估計研究相對較少。

文獻[9]提出了一種符號內(nèi)連續(xù)相位差分相移鍵控(ISCP-DPSK)的調(diào)制解調(diào)方法,該方法的比特信息由符號內(nèi)相位變化的累積量表示,信號解調(diào)通過積累一個符號內(nèi)的相位變化累積量來實現(xiàn),使得解調(diào)方法對于初相、多普勒頻移不敏感。本文采用該調(diào)制實現(xiàn)的擴頻系統(tǒng)不需要載波和相位的估計與跟蹤,并且由于信號為準恒包絡(luò)而且相位連續(xù)變化,擴頻系統(tǒng)具有良好的功率和頻譜效率。

2 基于ISCP-DPSK調(diào)制的擴頻

基于ISCP-DPSK調(diào)制的擴頻系統(tǒng)如圖1所示,圖中fc為載波頻率,需要發(fā)送的信息比特流 d為隨機的[1,0]序列,按照下式進行直接序列擴展得到ISCP-DPSK調(diào)制的輸入信息序列d1。

其中擴頻序列的長度為2N。序列擴展后的基帶信號調(diào)制與文獻[9]略有區(qū)別,類似于BPSK的調(diào)制效率,輸入序列d1的每個比特調(diào)制后對應一個基帶符號。調(diào)制過程中,基帶信號由信號選擇邏輯根據(jù)輸入比特符號和當前相位狀態(tài)在基帶信號集合中選擇一個基帶信號作為調(diào)制信號輸出。

圖1 基于ISCP-DPSK調(diào)制的直接序列擴頻Fig.1 DSSS using ISCP-DPSK modulation

由于信號調(diào)制中每次調(diào)制器輸入為單比特信息,在每個相位狀態(tài)上僅需要選擇文獻[9]中的兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)移,因此基帶信號集合中包含了8種基本信號,分別表示如下:

其中,[pn,1,pn,0]為當前相位狀態(tài),其初始值設(shè)置為[p0,1,p0,0]=[0,0],dn為當前輸入比特。

3 擴頻信號的解擴解調(diào)

假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)利用同步符號實現(xiàn)了位同步,基帶信號在接收端經(jīng)過AD采樣后的復數(shù)信號表示為Z=[z1,z2,…,zi…],采樣率為基帶符號率的k倍,擴頻倍數(shù)為N。每個比特信息的解擴解調(diào)需要處理2kN個基帶采樣點的信號,解擴中根據(jù)不同擴頻碼的軌跡變化規(guī)律分別積累其起始到終止位置的向量,然后通過計算積累后起始向量與終止向量的相位變化得到該段接收符號屬于比特1或0的度量值,其中發(fā)送比特為1時相位為逆時針變化,發(fā)送比特為0時相位為順時針變化。具體的解擴解調(diào)算法如下所述。

設(shè)某一信息比特對應的基帶采樣復數(shù)據(jù)為

其中,采樣率取為基帶符號率的8倍。

按發(fā)送比特積累相位轉(zhuǎn)移的起始位置和終止位置的向量分別為

其中,α1為該發(fā)送比特對應調(diào)制符號相位變化起始位置向量,α2為終止位置向量。

計算該基帶調(diào)制符號的相位變化差異

該比特解調(diào)信息硬解碼的輸出為

軟解調(diào)的輸出為si=y。

4 性能仿真分析

圖2比較了信道中有多普勒頻移影響時系統(tǒng)的BER性能,由于常規(guī)系統(tǒng)的擴頻倍數(shù)一般取2的整數(shù)次冪,并且典型通信環(huán)境中平臺移動導致的多普勒頻率不超過符號率的1%,仿真中擴頻序列長度分別取為8、16、32,疊加的多普勒頻移為基帶信號符號率的1%。由圖中的仿真結(jié)果可以看出,當擴頻長度為8、16時,有無多普勒頻移對基于ISCP-DPSK調(diào)制的直擴系統(tǒng)BER性能沒有明顯影響,但當擴頻序列長度為32時,有多普勒頻移影響的擴頻系統(tǒng)BER性能有所下降。這種影響可以由公式(7)、(8)中看出,當擴頻序列較長時,符號間多普勒頻移導致的相位變化體現(xiàn)出來,解擴過程中信號能量的累加因為相位的相對變化而被消弱,導致了解擴后信號信噪比的下降。

圖2 多普勒頻移下ISCP-DPSK擴頻通信系統(tǒng)的BER性能Fig.2 BER performance of proposed DSSS with Doppler effect

圖3給出了TPC與擴頻系統(tǒng)結(jié)合的模型。其中TPC采用了(32,26,4)的編碼方式,編碼效率約為0.66,TPC迭代解碼中使用了4次迭代,其中不確定比特數(shù)設(shè)置為4;TPC的輸入軟信息由式(9)得到。圖4為串聯(lián)TPC編碼的擴頻系統(tǒng)BER性能與信噪比的關(guān)系。仿真中信道為高斯白噪聲,疊加的多普勒頻移為基帶信號符號率的1%。由圖4可以看出,當TPC串聯(lián)無擴頻ISCP-DPSK系統(tǒng)時,在信號信噪比為4.5 dB時,BER約為10-4;當TPC串聯(lián)上擴頻序列長度為8的ISCP-DPSK擴頻系統(tǒng)時,BER達到10-4時信噪比約為-4.4 dB;當TPC串聯(lián)上擴頻序列長度為16的ISCP-DPSK擴頻系統(tǒng)時,BER達到10-4時信噪比約為-7.3 dB。仿真結(jié)果表明,擴頻長度與所實現(xiàn)的擴頻增益與理論值基本一致。

圖3 TPC串聯(lián)擴頻系統(tǒng)Fig.3 DSSS plus TPC code

圖4 TPC串聯(lián)擴頻系統(tǒng)的BER性能Fig.4 BER performance of proposed DSSS with TPC code

5 結(jié) 論

基于ISCP-DPSK調(diào)制的直接序列擴頻方法有效地將連續(xù)相位調(diào)制信號的快速頻譜滾降特性與擴頻結(jié)合,可以有效提高擴頻系統(tǒng)的頻譜利用率;其次,ISCP-DPSK的時域信號為準恒包絡(luò),通信端機的功放可以工作到非線性飽和段,從而有效利用功放的發(fā)射功率;此外,由于ISCP-DPSK調(diào)制信號的解擴、解調(diào)僅考察解擴后符號內(nèi)的相位變化累積量,和信號的絕對相位沒有關(guān)系,從而對多普勒頻移、本振頻偏和信道等引起的相位變化不敏感,避免了低信噪比下的載波估計與跟蹤,簡化了擴頻系統(tǒng)的算法實現(xiàn)。對于擴頻序列特別長的擴頻系統(tǒng),載波頻偏仍然會惡化信號解擴后的信噪比,需要進行相關(guān)補償和進一步的方法改進。

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