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直接序列扩频技术在军事通信电台、数据链系统、卫星导航系统中有广泛的应用。在直接序列扩频通信系统中,扩频码的特性与系统的抗干扰、抗截获等能力有直接关系,扩频码的码片周期和扩频码的自相关特性也直接决定已调扩频信号的带宽。从频谱效率的角度,直接序列扩频系统的频谱效率极低。
直接序列扩频通信系统可采用幅度、相位或频率的联合高阶调制来提高频谱效率,也可在码域利用不同扩频码的互相关特性进行多进制正交码扩频调制、或利用码的自相关特性采用扩频码循环移位方式提高扩频系统的传输速率[1-2]。多进制正交码扩频调制技术利用时域正交或准正交的扩频码序列集传输信息,提高了直接序列扩频通信系统的传输速率,但该技术以扩频码序列集良好的互相关特性为基础[3],对扩频码序列集提出了较高的要求,且会降低系统的抗截获能力。扩频码循环移位键控技术将扩频与编码相结合,将多个信息比特映射到一个循环移位的扩频码上,有效提高了扩频系统的传输速率。近年来,扩频通信技术的研究主要集中调制解调技术在不同领域的应用研究和抗干扰技术方面[4-11],少有新的高效扩频调制解调方法提出。
众所周知,在不扩展信号传输带宽的前提下,增大调制信号空间维度,利用不同维度信号之间的正交性可以实现多维调制信号的无干扰解调,进而成倍提高系统的传输速率[12]。希尔伯特变换技术具有诸多优良特性,并得到了广泛应用[13-15],它可以在不扩展信号带宽的前提下得到与一个原信号相互正交的信号,且不改变信号的功率谱,这一特性为扩展基于单一扩频码的直接序列扩频系统的信号空间维度提供了一种可能。
本文从扩频码的基础特性出发,利用希尔伯特变换理论的性质,对扩频系统的基带成型函数进行希尔伯特变换,得到与原成型函数互为希尔伯特变换的成型函数,再利用两个相互正交的成型函数分别进行直接序列扩频调制,并对系统的误码率、抗干扰特性及传输效率进行了分析。
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假设扩频码的长度为K,即在一个扩频调制码元内包含K个码片,将第1支路基带成型后的扩频码元波形定义为
$g(t)$ ,能量$E = \displaystyle\int {{g^2}(t){\rm{d}}t} = 1$ (单个码片的能量为1/K)。基于希尔伯特变换的时移性质,第2支路成型后的扩频码元波形表示为$\hat g(t)$ ($g(t)$ 的希尔伯特变换形式),${\displaystyle\int {\hat g(t)} ^2}{\rm{d}} t = \displaystyle\int {{g^2}(t)} {\rm{d}} t = 1$ 。下面的分析围绕码元和码片展开,两支路信号经基带成型和Hilbert变换后,形成基带扩频调制信号,一个扩频调制码元周期内,调制信号的时域波形示意图如图3所示。图3中实线代表第1支路,虚线代表第2支路;
${T_{\rm{s}}}$ 为扩频调制码元周期,${T_{\rm{c}}}$ 为扩频码码片周期,二者满足:${T_{\rm{s}}} = K{T_{\rm{c}}}$ ;${T_{\rm{g}}}$ 为基带成型之后扩频调制码元的时域扩展(码元前后各${T_{\rm{g}}}/2$ ,满足${T_{\rm{g}}} \ll {T_{\rm{s}}}$ )。 -
单一调制码元的情况下,不存在前后码元之间的干扰,调制码元信号可表示为:
式中,
${a_0}$ 、$b{}_0$ 分别表示第1、2支路的调制信息。不考虑噪声的情况下,第1、2支路相关解调输出分别为:显然,这种情况下,两条支路信号之间不存在相互干扰。
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连续调制码元情况下,调制信号可表示为:
不失一般性,考虑
${a_0}$ 、${b_0}$ 解调的情况,对第1支路信号${a_0}$ 进行解调时,可以得到解调输出为:进一步,由于
$g(t)$ 与$\hat g(t)$ 在区间$[0,{T_{\rm{s}}} + {T_{\rm{g}}}]$ 内正交、${a_i}$ 支路内部满足无码间干扰传输,可得:将式(6)~(8)代入式(5)可得:
式中,
${D_{ \pm 1}} = {D_{ - 1}} + {D_1}$ ;${D_{ - 1}} = \displaystyle\int_0^{{{{T_{\rm{g}}}} / 2}} {{b_{ - 1}}\hat g(t + {T_{\rm{s}}})g(t){\rm{d}}t} $ 表示前一码元的干扰;${D_1} = \displaystyle\int_{{T_{\rm{s}}} + {{{T_{\rm{g}}}} / 2}}^{{T_{\rm{s}}} + {T_{\rm{g}}}} {{b_1}\hat g(t - {T_{\rm{s}}})g(t){\rm{d}}t} $ 表示后一码元的干扰。干扰值
${D_{ - 1}}$ 、${D_1}$ 与第2支路码元调制信息${b_{ - 1}}$ 、${b_1}$ 有直接关系。BPSK调制中,调制信息服从均值为0、标准差为1的等概均匀分布,${D_{ - 1}}$ 、${D_1}$ 的均值也为0,标准差与具体采用的扩频码有关。BPSK直接序列扩频调制下,以m序列作为扩频码,采用截断的sinc函数作为基带成型脉冲,通过数值计算的方法,给出了干扰值
${D_{ \pm 1}}$ 的标准差和对系统信噪比造成的损失,具体数值如表1所示。参数 数值 m序列长度K 15 31 63 127 255 归一化标准差 0.045 6 0.034 7 0.014 6 0.006 9 0.003 9 信噪比损失/dB 0.202 8 0.153 5 0.064 1 0.030 1 0.016 9 从表1中可以看出,干扰值
${D_{ \pm 1}}$ 造成的信噪比损失随着扩频因子K(m序列长度)的增大而减小,当扩频因子为127时,信噪比损失仅为0.03 dB,几乎可以忽略。与对第1支路解调的分析相同,对第2支路信号
${b_0}$ 进行解调时,可以得到:式中,
${\hat D_{ \pm 1}} = {\hat D_{ - 1}} + {\hat D_1}$ ;${\hat D_{ - 1}} = \displaystyle\int_0^{{{{T_{\rm{g}}}} / 2}} {{a_{ - 1}}\hat g(t + {T_{\rm{s}}})g(t){\rm{d}}t} $ 表示前一码元的干扰;${\hat D_1} = \displaystyle\int_{{T_{\rm{s}}} + {{{T_{\rm{g}}}} / 2}}^{{T_{\rm{s}}} + {T_{\rm{g}}}} {{a_1}\hat g(t - {T_{\rm{s}}})g(t){\rm{d}}t} $ 表示后一码元的干扰。实际直接序列扩频系统中,扩频码的长度通常达几十、上百甚至上千,此时满足:
解调端
${a_0}$ 、${b_0}$ 的检测量满足:显然,连续调制码元情况下,存在码间干扰,但相对于整个解调码元能量来说,码间干扰值可以忽略。
综合以上分析可以看出,直接序列扩频调制情况下,扩频调制码元之间虽存在相互干扰,但得益于扩频码的特性,码间干扰值几乎可以忽略。所以,直接序列扩频调制时,可以用匹配滤波的方法对两支路调制信号直接进行解调,无需对信号进行均衡和其他处理。这一基带调制方式将基带直接序列扩频调制的信号空间维度由1变为2,传输速率也将提高到原来的2倍。
Baseband DSSS Modulation Method Based on Hilbert Transform
doi: 10.12178/1001-0548.2018306
- Received Date: 2018-11-27
- Rev Recd Date: 2019-10-28
- Available Online: 2020-03-04
- Publish Date: 2020-03-01
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Key words:
- bandwidth efficiency /
- direct sequence spread spectrum (DSSS) /
- Hilbert transform /
- intersymbol interference
Abstract: As the transmission rate and bandwidth efficiency of tradition direct sequence spread spectrum (DSSS) system are relatively low. Based on the basic characteristics of spread sequences, DSSS modulated signals and the theories of Hilbert transformation, a novel DSSS baseband modulation method is proposed. Theoretical analysis and simulation experiments are carried out on the characteristics of inter branch and intersymbol interference of modulated signal. Results show that under additive white Gaussian noise (AWGN) channel, compared with tradition DSSS system based on a single pseudo-random code, the novel method doubled the transmission rate without decreasing the BER performance or increasing the transmission bandwidth or increasing the signal power per bit.
Citation: | KANG Jia-fang, WANG Hong-xing, ZHONG Pei-lin, LIU Chuan-hui. Baseband DSSS Modulation Method Based on Hilbert Transform[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2020, 49(2): 201-205. doi: 10.12178/1001-0548.2018306 |