收發(fā)頻譜不一致條件下TDCS傳輸性能研究

趙正陽(yáng)，孫志剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

收發(fā)頻譜不一致條件下TDCS傳輸性能研究

趙正陽(yáng)，孫志剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用過程中，變換域通信系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端電磁環(huán)境不相同而導(dǎo)致的收發(fā)兩端出現(xiàn)基函數(shù)不一致的情況，對(duì)一種新的CASK算法進(jìn)行了仿真。根據(jù)CASK算法和CSK算法以及雙極性算法不同干擾、不同噪聲和不同收發(fā)不一致比例的情況下系統(tǒng)誤碼率和理論誤碼率的對(duì)比研究，可以發(fā)現(xiàn)，雖然在理想情況下，三者差距不大，然而當(dāng)收發(fā)不一致的比例逐漸上升時(shí)，CASK算法的傳輸性能下降較慢，可以進(jìn)行正常傳輸，且其傳輸性能較雙極性調(diào)制和CSK調(diào)制分別提高2 dB和1 dB，具有良好的抗不一致性能，具有良好的應(yīng)用前景。

變換域通信系統(tǒng)；CASK；收發(fā)不一致；自適應(yīng)；抗干擾

0 引言

變換域通信是一種新型無線通信技術(shù)，它的特點(diǎn)在于其傳輸信息的基本調(diào)制波形不是在時(shí)域中設(shè)計(jì)，而是在變換域中形成。其基帶信號(hào)屬于無載波調(diào)制，可以在對(duì)工作中其他用戶造成一定或輕微影響的情況下，根據(jù)通信環(huán)境的變化，主動(dòng)躲避干擾。所以，變換域通信系統(tǒng)為其良好的抗干擾、抗截獲能力，成為近來的研究熱點(diǎn)。

變換域通信技術(shù)的思想誕生于1989年，軍事通信專家German在一份技術(shù)報(bào)告中提出了一個(gè)新式通信系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)在發(fā)射和接收機(jī)中都運(yùn)用了變換域處理[1]。而中國(guó)開展的變換域通信系統(tǒng)研究起源于2003年，何智青對(duì)TDCS的基本性能進(jìn)行了仿真分析[2]。在2012年，韓川等也研究了TDCS的與OFDM的性能比較分析[3]。然而上述文獻(xiàn)均未對(duì)變換域通信系統(tǒng)收發(fā)不一致情況的傳輸性能進(jìn)行分析。而本文以變換域通信系統(tǒng)為基礎(chǔ)，研究了TDCS收發(fā)不一致現(xiàn)象的傳輸和相關(guān)接收[4]。提出了CASK和CSK算法，提高了在高度不一致(50%以上)情形下變換域通信系統(tǒng)的傳輸性能。

1 系統(tǒng)模型概述

一個(gè)完整的變換域系統(tǒng)，如圖1所示。包含發(fā)射機(jī)：環(huán)境譜估計(jì)、門限剔除、隨機(jī)相位編碼、幅度調(diào)節(jié)和逆傅里葉變換，最后與數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制，搬移到射頻進(jìn)行傳輸。接收機(jī)包含：生成匹配的基函數(shù)、相關(guān)接收、門限判決輸出，最后再生出原信號(hào)。所以，TDCS的基本流程可簡(jiǎn)述為：

① 對(duì)環(huán)境進(jìn)行采樣并得出其功率譜。主要方法有周期圖法、自回歸AR模型法和小波法等；

② 分析環(huán)境的功率譜，提取n個(gè)頻點(diǎn)并將高于門限的頻點(diǎn)置0，其他的頻點(diǎn)置1；

③ 使用隨機(jī)序列發(fā)生器生成一段偽隨機(jī)序列，給每個(gè)頻點(diǎn)都分配一個(gè)編碼作為該頻點(diǎn)的初始相位，這段經(jīng)調(diào)制的基函數(shù)擁有隨機(jī)的特性；

④ 將每個(gè)頻點(diǎn)的能量值調(diào)整為同樣大小，這使得能量在頻域平均分配，使得信號(hào)掩蓋與噪聲中，提高了抗截獲能力；

⑤ 對(duì)經(jīng)過上述調(diào)整的頻域基函數(shù)進(jìn)行IFFT，得到時(shí)域基函數(shù)，置于存儲(chǔ)器中，當(dāng)環(huán)境變化或到達(dá)下一個(gè)采樣時(shí)間時(shí)，會(huì)重復(fù)步驟①到步驟⑤，得到新的基函數(shù)；

⑥ 使用合適的調(diào)制方法處理數(shù)據(jù)，將經(jīng)調(diào)制的數(shù)據(jù)進(jìn)行射頻調(diào)制，發(fā)送至接收端；

⑦ 接收端按環(huán)境采樣得到的新型基函數(shù)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，得到有用信號(hào)，匹配調(diào)制方法進(jìn)行解調(diào)，判決輸出原始信號(hào)[5]。

圖1 變換域通信系統(tǒng)模型

TDCS可以自適應(yīng)外部電磁環(huán)境，剔除干擾頻段，并且用隨機(jī)相位的方法降低了信號(hào)能量集中度，使其能隱藏在噪聲之中，提高了信號(hào)的抗干擾能力，也滿足LPI波形設(shè)計(jì)的要求。因此，在理論上變換域通信系統(tǒng)能夠保證傳輸?shù)陌踩院蜏?zhǔn)確性。這種通信機(jī)制能夠更好地應(yīng)對(duì)非平穩(wěn)干擾如Chirp類干擾和掃頻干擾等[6]。

2 調(diào)制算法基本數(shù)學(xué)原理

2.1 雙極性調(diào)制

TDCS可以使用較為簡(jiǎn)單的雙極性調(diào)制法：用基函數(shù)BF和其取負(fù)的函數(shù)來表示不同的二進(jìn)制碼元：

S1(t)=BF,

(1)

S2(t)=-S1(t)。

(2)

雙極性調(diào)制在AWGN信道下傳輸并采用相關(guān)解調(diào)，其誤碼率為：

(3)

其中Q函數(shù)的定義式為：

(4)

2.2 CSK

TDCS還可以使用循環(huán)移位鍵控CSK(Cyclic Shift Keying)，由于基函數(shù)特性類似于白噪聲，具有較好的自正交性，也就是說，基函數(shù)波形在不同時(shí)移下的互相關(guān)值極小[7]。所以，可以用基函數(shù)的不同時(shí)移波形代表不同的碼元，T為碼元周期：

(5)

子載波數(shù)N非常大時(shí)，CSK具有近似正交性。當(dāng)M=2且采用相關(guān)解調(diào)時(shí)，其誤碼性能為：

(6)

雖然CSK的誤碼率要高于雙極性調(diào)制，但是它可以實(shí)現(xiàn)M元調(diào)制，而多元調(diào)制可大大降低誤碼率。M元調(diào)制的誤碼率為：

(7)

2.3 CASK

循環(huán)翻轉(zhuǎn)移位鍵控調(diào)制是在雙極性調(diào)制法和CSK調(diào)制結(jié)合下產(chǎn)生的一種新型調(diào)制算法，它結(jié)合了雙極性調(diào)制算法和CSK調(diào)制，因此其性能比CSK更加接近于正交調(diào)制。CASK調(diào)制的數(shù)學(xué)表達(dá)式和誤碼率公式分別如下[8]：

(8)

2.4 BCSK

BCSK調(diào)制的信號(hào)集是由M/2個(gè)CSK信號(hào)及其負(fù)值波形函數(shù)構(gòu)成的。因此BCSK調(diào)制信號(hào)的解調(diào)器的復(fù)雜性較CSK更小。因?yàn)檫M(jìn)行相關(guān)解調(diào)時(shí)，前者用M/2個(gè)互相關(guān)器實(shí)現(xiàn)，而后者則需要用M個(gè)。BCSK調(diào)制信號(hào)可以如下表示[9]：

(9)

采用不同方法在發(fā)射機(jī)端進(jìn)行調(diào)制時(shí)，對(duì)調(diào)相參數(shù)的尺的設(shè)置要進(jìn)行相應(yīng)的改變。由傅里葉變換的基本數(shù)學(xué)原理可知，時(shí)域的循環(huán)移位等價(jià)于為頻域的相移。因此，CSK等調(diào)制方式也可以等效為頻域內(nèi)相位編碼調(diào)制。因此，TDCS使用的調(diào)制方式可提煉出相對(duì)統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型[10]：

(10)

式中，N為基函數(shù)的長(zhǎng)度；A是頻譜向量的幅值；M代表使用隨機(jī)相位產(chǎn)生基函數(shù)的M進(jìn)制調(diào)制；mk是0，…，M-1的隨機(jī)整數(shù)；Mary代表使用Mary進(jìn)制的CSK或是Mary進(jìn)制的PSK等各種調(diào)制方式的進(jìn)制數(shù)；其中Si是發(fā)射的第i個(gè)符號(hào)。通過更改調(diào)相參數(shù)Pk的就能實(shí)現(xiàn)不同調(diào)制方式之間的切換[11]。TDCS多調(diào)制下參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 TDCS多調(diào)制下參數(shù)設(shè)置

3 仿真實(shí)驗(yàn)

上節(jié)研究了調(diào)制算法的數(shù)學(xué)公式和理論模型，并詳細(xì)給出了各算法步驟。在此基礎(chǔ)上，本節(jié)借助MATLAB進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了調(diào)制算法的數(shù)學(xué)理論和傳輸性能。如圖2所示，在理想不加干擾的情況下，雙極性調(diào)制的性能更加優(yōu)秀，仿真結(jié)果比CSK平均提升了3.5 dB，比CASK提升4 dB。在誤碼率較高的情況下，雙極性性能出現(xiàn)下滑，但依然比CSK和CASK性能好2 dB和1.5 dB。然而在信噪比增加的過程中，雙極性的性能急劇下降，而CSK與CASK下降平緩，表現(xiàn)出了較好的抗噪聲性能。

圖2 理想情況下誤碼率

而針對(duì)收發(fā)不一致的情況，本文使用了一定比例的隨機(jī)序列代替原基函數(shù)，使其呈現(xiàn)出一定比例的不一致性。如圖3所示，通過計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，在較低不一致程度(<50%)時(shí)，雙極性調(diào)制擁有一定優(yōu)勢(shì)；然而當(dāng)不一致程度增加時(shí)，CASK超過CSK和雙極性算法，較CSK有著1 dB的性能提升，較雙極性有著2 dB的性能提升。而當(dāng)不一致程度達(dá)到80%時(shí)，誤碼率突破30%，各系統(tǒng)均不能正常接收，CASK較雙極性有著超過2 dB的性能優(yōu)勢(shì)。

圖3 收發(fā)不一致條件下誤碼率

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論，經(jīng)CSK進(jìn)行改進(jìn)的CASK算法性能在抗噪聲和抗收發(fā)異變的性能較好，改進(jìn)后較原CSK算法有了更大的性能提升，有利于降低收發(fā)不一致造成的誤碼率提高。未來的工作有：① 改進(jìn)CASK算法的抗噪聲性能[12]；② 改進(jìn)CASK傳輸碼元速率。

參考論文

[1] German E H.Transform Domain Signal Processing Study Final Report.Tech.rep[R].Reisterstown,MD:Contract:Air Force F30602-86-C-0133,DTIC:ADB132635,1988.

[2] 何智青.變換域通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模與仿真研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2003.

[3] 韓 川.認(rèn)知無線電場(chǎng)景中的變換域通信系統(tǒng)研究[D].成都:電子科技大學(xué)，2007.

[4] 謝鐵城,達(dá)新宇,褚振勇，等.收發(fā)頻譜不一致條件下的變換域通信系統(tǒng)基函數(shù)設(shè)計(jì)[D].西安:空軍工程大學(xué)，2014.

[5] Chakravarthy V,Shaw A K,Temple M A,et al.Cognitive Radio-an Adaptive Waveform with SpectralSharing Capability[C]∥ IEEE Proc IEEE Wireless Communications and Networking Conference,Piscat-away N J,USA，2005:724-729.

[6] Mitola J,Jrmaguire G Q.Cognitive Radio:MakingSoft Ware Radios more Personal[J].IEEE Wireless Communications,1999,6(4):13-18.

[7] 李雪華.抗干擾技術(shù)分析[J].無線電工程,2011,41(5):52-55.

[8] Liu J Y,Su Y T.Performance Analysis of Transform Domain Communication Systems in the Presence of Spectral Mismatches [C]∥IEEE Proc IEEE MILCOM 2007,Orlando F L,USA,2007:1-5.

[9] Ni Shui-ping,Deng Li-heng.Applicationon OFDM Based Transform Domain Communication System in Mine[C]∥ Proc International Conference on Electrical Information and Mechatronics,Germany,2012:843-848.

[10] 謝鐵城，達(dá)新宇，褚振勇，等.采用時(shí)頻分析的變換域通信系統(tǒng)基函數(shù)設(shè)計(jì)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,46(6):42-47.

[11] 孫海欣，石要武，于曉輝.基于擴(kuò)頻相位編碼的變換域通信系統(tǒng)多址接入能力[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版,2013，43(1):223-228.

[12] 馮超英,臧笑峰,趙 軍.一種基于頻域的QPSK窄帶干擾抑制算法[J].無線電通信技術(shù),2015,41(3):55-58.

Research on TDCS Transmission Performance in Mismatch of Tx and Rx Spectrums

ZHAO Zheng-yang,SUN Zhi-gang

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

To solve the spectrum mismatch problem in the practical application caused by the different electromagnetic environment at transmitting end and receiving end,this paper performs the simulation for a new CASK algorithm.By studying the theoretical and simulated system BER (bit error rate) in different interception,noise and mismatch ratio of “bipolar algorithm”,CSK and CASK,it can be found that the gap between three algorithms is not big in the ideal condition.But when the ratio of spectrum mismatch increases gradually,the transmitting performance of CASK algorithm degrades slowly,so this algorithm can perform normal transmission.The transmitting performance of CASK algorithm is higher than bipolar algorithm by 2 dB and CSK by 1 dB,so CASK algorithm has a high anti-mismatch capability,and it has a profound application prospect.

transform domain communication system (TDCS);CASK;mismatch of Tx and Rx spectrums;self-adaptation;anti-interference

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.14

趙正陽(yáng)，孫志剛.收發(fā)頻譜不一致條件下TDCS傳輸性能研究[J].無線電通信技術(shù),2017,43(1):56-59.

2016-10-20

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA122105)

趙正陽(yáng)(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：無人機(jī)測(cè)控。孫志剛(1965—)，男，研究員，主要研究方向：航空測(cè)控與信息傳輸技術(shù)。

TP391.4

A

1003-3114(2017)01-56-4