基于ISCP-DPSK調(diào)制的直接序列擴(kuò)頻技術(shù)

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(kuò)頻(DSSS)是直接利用具有高碼率的擴(kuò)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(jìn)行擴(kuò)展,而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列去進(jìn)行解碼,把展寬的擴(kuò)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(kuò)信號具有較強(qiáng)的隱蔽性、抗干擾性、抗截獲性,被廣泛應(yīng)用于各種抗干擾通信中。直擴(kuò)系統(tǒng)一般采用BPSK調(diào)制或QPSK調(diào)制[2-3],近來也有文獻(xiàn)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(kuò)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(kuò)解調(diào)方法。直接擴(kuò)頻通信系統(tǒng)一般工作于負(fù)信噪比,載波和相位的估計(jì)限制了很多調(diào)制方式的應(yīng)用,文獻(xiàn)[7-8]研究了低信噪比下的載波和相位估計(jì)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(jì)研究相對較少。

文獻(xiàn)[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(gè)符號內(nèi)的相位變化累積量來實(shí)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(shí)現(xiàn)的擴(kuò)頻系統(tǒng)不需要載波和相位的估計(jì)與跟蹤,并且由于信號為準(zhǔn)恒包絡(luò)而且相位連續(xù)變化,擴(kuò)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(kuò)頻

基于ISCP-DPSK調(diào)制的擴(kuò)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(jī)的[1,0]序列,按照下式進(jìn)行直接序列擴(kuò)展得到ISCP-DPSK調(diào)制的輸入信息序列d1。

其中擴(kuò)頻序列的長度為2N。序列擴(kuò)展后的基帶信號調(diào)制與文獻(xiàn)[9]略有區(qū)別,類似于BPSK的調(diào)制效率,輸入序列d1的每個(gè)比特調(diào)制后對應(yīng)一個(gè)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(dāng)前相位狀態(tài)在基帶信號集合中選擇一個(gè)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(kuò)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(gè)相位狀態(tài)上僅需要選擇文獻(xiàn)[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(dāng)前相位狀態(tài),其初始值設(shè)置為[p0,1,p0,0]=[0,0],dn為當(dāng)前輸入比特。

3 擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)解調(diào)

假設(shè)系統(tǒng)已經(jīng)利用同步符號實(shí)現(xiàn)了位同步,基帶信號在接收端經(jīng)過AD采樣后的復(fù)數(shù)信號表示為Z=[z1,z2,…,zi…],采樣率為基帶符號率的k倍,擴(kuò)頻倍數(shù)為N。每個(gè)比特信息的解擴(kuò)解調(diào)需要處理2kN個(gè)基帶采樣點(diǎn)的信號,解擴(kuò)中根據(jù)不同擴(kuò)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(jì)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(shí)相位為逆時(shí)針變化,發(fā)送比特為0時(shí)相位為順時(shí)針變化。具體的解擴(kuò)解調(diào)算法如下所述。

設(shè)某一信息比特對應(yīng)的基帶采樣復(fù)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(yīng)調(diào)制符號相位變化起始位置向量,α2為終止位置向量。

計(jì)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(shí)系統(tǒng)的BER性能,由于常規(guī)系統(tǒng)的擴(kuò)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(tái)移動(dòng)導(dǎo)致的多普勒頻率不超過符號率的1%,仿真中擴(kuò)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(dāng)擴(kuò)頻長度為8、16時(shí),有無多普勒頻移對基于ISCP-DPSK調(diào)制的直擴(kuò)系統(tǒng)BER性能沒有明顯影響,但當(dāng)擴(kuò)頻序列長度為32時(shí),有多普勒頻移影響的擴(kuò)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(dāng)擴(kuò)頻序列較長時(shí),符號間多普勒頻移導(dǎo)致的相位變化體現(xiàn)出來,解擴(kuò)過程中信號能量的累加因?yàn)橄辔坏南鄬ψ兓幌?導(dǎo)致了解擴(kuò)后信號信噪比的下降。

圖2 多普勒頻移下ISCP-DPSK擴(kuò)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(kuò)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?cái)?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(kuò)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(dāng)TPC串聯(lián)無擴(kuò)頻ISCP-DPSK系統(tǒng)時(shí),在信號信噪比為4.5 dB時(shí),BER約為10-4;當(dāng)TPC串聯(lián)上擴(kuò)頻序列長度為8的ISCP-DPSK擴(kuò)頻系統(tǒng)時(shí),BER達(dá)到10-4時(shí)信噪比約為-4.4 dB;當(dāng)TPC串聯(lián)上擴(kuò)頻序列長度為16的ISCP-DPSK擴(kuò)頻系統(tǒng)時(shí),BER達(dá)到10-4時(shí)信噪比約為-7.3 dB。仿真結(jié)果表明,擴(kuò)頻長度與所實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)頻增益與理論值基本一致。

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

圖4 TPC串聯(lián)擴(kuò)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(kuò)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(kuò)頻結(jié)合,可以有效提高擴(kuò)頻系統(tǒng)的頻譜利用率;其次,ISCP-DPSK的時(shí)域信號為準(zhǔn)恒包絡(luò),通信端機(jī)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(kuò)、解調(diào)僅考察解擴(kuò)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(jì)與跟蹤,簡化了擴(kuò)頻系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)。對于擴(kuò)頻序列特別長的擴(kuò)頻系統(tǒng),載波頻偏仍然會(huì)惡化信號解擴(kuò)后的信噪比,需要進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)償和進(jìn)一步的方法改進(jìn)。

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