并行組合擴頻超寬帶系統調制方法及性能分析

竇 崢，孫立霞，沙學軍

（1.哈爾濱工業大學通信技術研究中心，150001 哈爾濱;2.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，150001 哈爾濱）

并行組合擴頻超寬帶系統調制方法及性能分析

竇 崢1，孫立霞2，沙學軍1

（1.哈爾濱工業大學通信技術研究中心，150001 哈爾濱;2.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，150001 哈爾濱）

為提高超寬帶系統的抗干擾性能，在分析并行組合擴頻通信和超寬帶通信系統技術特征的基礎上，結合這兩種通信方式的技術優勢，提出一種基于并行組合擴頻的超寬帶(PCSS－UWB)通信系統方案，并將高性能的MBOK調制方式應用到該系統.文章定性分析了基于PCSS－UWB通信系統性能與頻帶利用率關系，得出系統性能與并行組合擴頻技術每次所能傳輸信息數據比特數有關的結論.仿真結果表明，當誤碼率為10－4時MBOK調制方式較傳統的PPM調制方式的信噪比有約9 dB的提高.

并行組合擴頻(PCSS);超寬帶(UWB);多進制雙正交鍵控調制(MBOK);DSSS－UWB

現代無線通信系統衡量系統性能的兩個重要技術指標分別是安全性和高效性.并行組合擴頻技術(PCSS)簡稱并擴，因其具有強抗干擾性，因此被作為一種有效的擴頻技術使用;超寬帶技術(UWB)由于具有超高傳輸速率等技術優勢越來越多的受到人們的關注［1－4］.根據實現方式的不同，UWB通信技術可分為脈沖無線電(IR－UWB)和多頻帶正交頻分復用超寬帶(MB－OFDM UWB)兩類.IR－UWB以持續時間超短的沖激脈沖作為載體傳遞信息［5－6］，在頻域具有極寬頻帶具有傳輸吉比特數據流的傳輸能力.此外，UWB還具有極強的多路接入能力、隱蔽通信能力、精確的時間位置定位和范圍定位等技術優勢而被認為是現今最有發展前景的十大通信技術之一.

本文的研究主要在IR－UWB技術基礎上，結合具有保密性和抗干擾的PCSS技術，使UWB系統具備高效性和安全性技術指標，與常規UWB系統相比具有更好的保密性能.基于并行組合擴頻的超寬帶系統(簡稱并擴超寬帶，PCSS－UWB)是在研究分析基于直接序列擴頻的超寬帶(DSSS－UWB)系統特點之上提出的，將直接序列擴頻序列(DSSS)引入UWB系統中對于UWB系統抗干擾性能有了極好的改善，但缺點是在該系統下頻帶利用率較低［7］;而將軟擴頻技術PCSS引入到UWB中，較之DSSS－UWB技術，其頻帶效率可以得到更好的改善，且繼承了強抗干擾性的優點.并擴超寬帶通信技術是一種全新的通信技術體制，一種高效的短距離無線傳輸技術.

1 并擴超寬帶通信系統

并擴超寬帶通信系統機理是基于超寬帶系統，結合并擴技術，使新超寬帶系統同時具備安全性和高效性.并擴超寬帶通信系統收發信機原理如圖1～2所示.

圖1 并擴超寬帶通信系統發射端原理

圖2 并擴超寬帶通信系統接收端原理

從圖1可看出，并擴超寬帶通信系統在結構上可分為兩個模塊:PCSS系統模塊和UWB系統模塊.但兩個模塊的組合并不意味著該系統將由PCSS和UWB系統模塊簡單的進行疊加，而是需要實際解決兩個通信系統融合的結合點問題，具體解決方法將下面章節進行分析.

PCSS技術是一種具有較高信息傳輸能力的通信方式，是基于Mmay、Mb－ary擴頻通信技術而得來的［8－9］.其產生機理是通過數據 － 序列映射算法，從M個正交擴頻編碼序列中選擇r個，經調制后發射，根據數理統計方法計算共有CrM種發送擴頻編碼狀態，可以載荷log2CrM個比特信息，考慮擴頻序列具有正負兩種極性狀態，則共有2rCrM種發送狀態.在此，假設該系統傳輸能力為K比特信息數據，則可得到公式為

其中「x」表示對x取整數部分，CrM是M中取r的組合.因此，從M個正交擴頻編碼序列族中選擇并行傳輸r個正交擴頻編碼序列，可以達到傳輸K比特信息數據的目的.

在公式(1)中，如果M=N(擴頻序列長)，r=M/4時，K≥N(B);當r=(2/3)M時，具有最大的信息傳輸能力，載荷最多信息數據，約為Kmax=1.5 M(B)，此時具有極高的通信效率［10］.

圖3為選定Walsh碼和Gold碼作為偽隨機序列碼時，分別對基于PCSS－UWB通信系統性能的影響.其中圖3(a)仿真實驗使用的相關參數為Walsh碼碼長為64，Gold碼碼長為63，假設在同步情況下進行，仿真參數設置見表1所列.圖3(b)和(c)中采用碼長為128、512的Walsh碼和127、511的Gold碼，其他參數與表1相同.從圖3(a)中可以清楚的看出，選取碼長為64的Walsh碼與63的Gold碼對系統性能影響不大，當Walsh碼和Gold周期碼長增大到128和127、512和511，可從圖3(b)、(c)中看出，在同步的情況下，兩種偽隨機碼對系統性能的影響差別很小，但擴頻序列的周期碼長對系統性能的影響差別很大，原因是由于不同長度的擴頻碼序列調制相同數量數據時，碼長越長對系統所引入的擴頻增益越大，抗干擾能力越強，相應地 PCSS－UWB系統接收端得到的系統性能應越好.

圖3 不同偽隨機碼類型以及不同長度的偽隨機碼對系統誤碼率性能的影響

表1 仿真參數

PCSS模塊中偽隨機序列條數r的不同對系統性能的影響，將在下面進行分析.圖4為不同偽隨機序列條數對系統誤碼率性能的影響.仿真條件為 M=16，r=3、5、7，其他條件相同，如表2 所示.仿真結果表明M=16，r=3時系統誤碼率性能最理想.后續的系統仿真將建立在以上得出結論的基礎上進行.

表2 選擇傳輸擴頻序列條數r影響系統性能的相關參數

圖4 偽隨機序列條數r取值對系統誤碼率性能的影響

在系統收信機接收端，為了恢復發信機發送的信息數據，必須先經過PCSS解擴處理，方法是:接收信號經過最大值判決器選出發信機選擇傳輸的r條正交擴頻編碼序列，而后根據數據 －序列逆映射算法和并/串轉換器可成功的譯出傳送的K比特信息數據.

2 MBOK調制方式在基于并擴的超寬帶通信系統中應用

不同的調制方式將影響PCSS－UWB通信系統的頻帶利用率、系統增益、誤碼率、信息傳輸速率等性能，為了使PCSS－UWB通信系統得到更好的系統性能，選擇合適的調制方式是很重要的，本節主要分析不同的調制方式(M進制雙正交鍵控、脈沖位置調制)對系統的影響進行仿真，不同的調制方式對系統的信息傳輸速率、頻帶利用率、誤碼率、系統增益等方面產生不同的影響，為了盡可能的提高系統性能，選擇適合基于并擴的超寬帶通信系統的調制方式至關重要.脈沖位置調制方式是超寬帶通信系統中最常用、最簡單的調制方式，但其是否適合新的系統，還有待研究.

脈沖位置調制(PPM)是通過脈沖時間位置的不同來載荷調制數據的.最常見的是2－PPM，其調制原理為:當調制數據是“1”時脈沖相對于參考位置產生1個時偏，脈沖間隔變為脈沖周期加或減去偏移量;當調制數據是“0”，脈沖相對于參考位置不產生偏移［8］，脈沖間隔仍然是1個脈沖周期.本系統中采用TH－PPM調制信號表達式為

其中:bk∈{0，1}是調制數據;δp是脈沖偏移;Ts是符號時間間隔;Tc為碼片時間間隔;Ec為發射信號單位碼片的能量.

正交PPM調制信號的誤碼率公式［11］為

其中:EX=Eb/NS，EX為接收信號單位碼片能量，Eb為單位比特信號能量，NS為重復脈沖數量.因此，誤碼率公式可轉化為

MBOK調制方式是軟擴頻的關鍵技術之一，是以M'(M'為與前文擴頻序列族M區別)元雙正交碼作為擴頻碼，使用雙正交編碼序列對每1個信源數據擴頻.在接收端使用與發射端相同的正交擴頻編碼序列碼集進行相關運算，經最大值判決器后還原信源數據.

假設MBOK調制方式選取M'/2條正交擴頻碼 集 為 {c0，c1，…，c(M'/2－1)}、 {cM'/2，cM'/2+1，…，cM'－1}的 I路和 Q 路信號，其中 ci={ci，0，ci，1，…，ci，Nc－1}是長為Nc的偽隨機序列，基于 MBOK 調制方式下的發送信號可以表示為

其中TS=NcTc，TS為符號時間間隔.

接收端第i個相關器正確解調概率為

可得到MBOK調制信號誤碼率公式［12］為

其中:n=log2M';Eb為單位比特信號能量;N0為噪聲功率譜密度.

從圖2可見，在并擴超寬帶通信系統發信機發射端，從M個擴頻序列中選擇傳輸r條隨機序列，經疊加器后形成具有r+1值的多值隨機序列.UWB系統模塊對多值隨機序列的調制必須建立合理的UWB調制方式或編碼方式，因此UWB系統模塊與PCSS系統模塊的融合是建立在多進制調制或者合理的編碼基礎上的.

在PCSS－UWB仿真實驗中選取3條隨機序列條數(即r=3)，則累加器輸出端為±1/±3的4值碼元序列，為使二進制PPM調制方式可以載荷4值碼元序列，必須對4值碼元序列進行二次編碼后變成二進制隨機序列，后選取PPM調制方式進行調制發射信號，此時PPM調制方式成功應用于新系統.但由于信息經過二次編碼，將產生相位模糊，PCSS－UWB系統性能將受到影響.

MBOK調制方式在該系統中的應用，只需選取4元雙正交碼元序列作為擴頻碼對4值碼元序列進行擴頻，不需要再次編碼處理即可與新系統結合，系統結構更加簡單，另一方面引入了擴頻增益，有益于系統性能的提高.

為進一步考慮MBOK、PPM兩種調制方式下并擴超寬帶通信系統的差異，進行實驗仿真.仿真選取擴頻序列族條數M=16，選擇傳輸擴頻序列條數r=3，選取周期長度為64的Walsh碼作為并行組合擴頻序列的擴頻碼，MBOK調制方式中擴頻碼長度為24，發射端發送信息比特數為12 000個，假設同步，其他仿真參數如表3所示，采用蒙特卡洛仿真，重復發送100次信源數據，得到的平均誤碼率如圖5所示.

表3 仿真所需參數

圖5 不同調制方式下并擴超寬帶系統的誤碼率

從圖5可看出，在仿真參數和信噪比均相同的條件下，MBOK調制方式下的系統平均誤碼率明顯低于PPM調制方式下的系統平均誤碼率，若為使系統平均誤碼率達到10－4，選取MBOK調制方式的系統較選取PPM調制方式的系統所需的信噪比少約9 dB.因為在基于PPM調制方式的PCSS－UWB通信系統中采用二次編碼的信息處理過程，引入相位模糊，影響了系統的誤碼率性能;基于MBOK調制方式的PCSS－UWB通信系統以多進制調制方式的手段簡單、高效地載荷多值信息，有利于系統性能的提高.因此在理論上基于MBOK調制方式的PCSS－UWB系統性能也應該比基于PPM調制方式的 PCSS－UWB系統優良.可見，在相同條件下，在 PCSS－UWB通信系統中，MBOK調制方式比PPM調制方式更適合在其中應用.

下面將從傳輸效率的角度定性分析應用MBOK調制式的新系統性能變化.信息速率和頻帶利用率均是反映傳輸效率的1個重要標志.頻帶利用率是指單位頻帶內所能傳輸的信息速率:

其中Rb為信息傳輸速率，W為信道的帶寬.

假設基于直接序列擴頻的超寬帶系統、基于并行組合擴頻的超寬帶系統輸入端信息速率均為Rb持續時間為Tb，且均使用的是碼長為N、持續時間為TS的偽隨機序列進行擴頻.假設信道帶寬W=1/TS，則根據二者的擴頻機制為

其中K為并行組合擴頻技術所能傳輸的數據比特數.因此，基于直接序列擴頻的超寬帶系統和基于并行組合擴頻超寬帶系統的頻帶利用率分別為η1=1/N、η2=K/N.可見并行組合擴頻超寬帶系統較之直接序列擴頻超寬帶系統的頻帶效率有了K倍的提高，另外也驗證了擴頻增益即抗干擾能力與頻帶利用率之間的矛盾關系.

假設MBOK調制方式利用一組碼長為N'的正交擴頻碼作為擴頻碼字來傳輸信息，那么與二進制傳統PPM調制方式相比，每個擴頻序列傳送log2M'比特的信息，當信道頻帶受限制時可以使信息傳輸率(比特率)增加，從而提高頻帶利用率;另外根據上述定義可知MBOK調制方式較傳統的PPM調制方式有N'倍的擴頻增益，抗干擾性能更好.定量分析不同調制方式條件下并行組合擴頻超寬帶通信系統性能與頻帶利用率的關系將在其他文章中詳細論述.

可見，不同的調制方式對系統性能的各項指標有不同的影響，當對抗噪聲性能和比特速率要求較高時，無疑使用MBOK調制方式的基于并行組合擴頻的超寬帶系統是1個合適的選擇.

3 結論

本文研究了并擴超寬帶通信系統模型，將MBOK調制方式應用到該系統，得出如下結論:

1)MBOK調制方式下的PCSS－UWB通信系統平均誤碼率低于 PPM調制方式下的 PCSSUWB系統平均誤碼率;

2)在誤碼率為10－4時 MBOK調制方式較PPM調制方式所需信噪比少約9 dB;

3)從頻帶利用率的角度定性分析，引入并行組合擴頻技術到超寬帶系統中較之直接序列擴頻超寬帶通信系統好，優點在于不但保留了良好的抗干擾性能，而且頻帶利用率有K倍提高.

4)從理論簡要分析了MBOK多進制調制方式較之二進制調制方式在頻帶利用率和抗干擾性能的優勢，因此MBOK調制方式較之傳統的PPM調制方式是一種更適合PCSS－UWB通信系統的調制方式.

［1］王金龍，王呈貴.無線超寬帶通信原理與應用［M］.北京:人民郵電出版社，2005:1－22.

［2］SASAKI S，ZHU Jinkang.Performance of Parallel Combinatory Spread Spectrum Multiple Access Communication Systems［C］//IEEE International Symposium on Personal，Indoor and Mobile Radio Communications.London，U K:［s.n.］，1991:204 －208.

［3］GUO Lili，LI Beiming.Ber performance of complex parallel combinatory spread spectrum communication system［C］//Wireless Communications，Networking and Mobile Computing，2007.WiCom 2007.International Conference on.Shanghai:［s.n.］，2007:1365 －1368.

［4］ARSLAN H，CHEN Zhining，DI B M.Ultra wideband wireless communication［M］.Hoboken:John Wiley＆Sons，Inc，2006:1 －3.

［5］FONTANA R J.Recent system applications of shortpulse ultra－wideband(UWB)technology ［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc，2004，52(9):2087－2104.

［6］YANG Liuqing，GIANNAKIS G B.Ultra－wideband communications:an idea whose time has come［J］.IEEE Signal Processing Magazine，2004，21(6):3.

［7］衣強.并行組合擴頻系統抗干擾性能及映射算法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007:4－14.

［8］朱近康，馮明臣.并行組合擴頻通信的數據調制映射法和安全通信協議方式［J］.電子學報，1993，21(1):59－66.

［9］ZHU Jinkang，MARUBAYASHI G.Properties and application of parallel combinatory SS communication system ［C］//IEEE Second Intematioml Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications(ISSSTA＇92).Yokohama:［s.n.］，1992:227 －230.

［10］ZHU Jinkang，SASAKI S，MARUBAYASHI G.Proposal of parallel combinatory spread spectrum communication systems［J］.IEICE of Japan，1991，J74 － BII(5):207－214.

［11］貝尼迪特.超寬帶無線電基礎［M］.葛利嘉，朱林，等，譯.北京:電子工業工業出版社，2005:1－8.

［12］王彬，張水蓮.基于 HFA3860擴頻基帶處理器的MBOK擴頻調制技術研究［J］.電訊技術，2004，40(4):71－76.

Modulation mode and performance analysis of uwb communication system based on parallel combinatory spread spectrum

DOU Zheng1，SUN Li－xia2，SHA Xue－jun1

(1.Communication Technology Research Center，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China;2.Information and Communication Engineering College，Harbin Engineering University，150001 Harbin，China)

To improve the anti－interference performance of UWB communication system，a new UWB communication system based on parallel combinatory spread spectrum is proposed after analyzing the characteristics of UWB and PCSS.The application of M-ary bi－orthogonal keying(MBOK)modulation in the new system is also discussed.In this paper，qualitative analysis is made to analyze the relationship between the system performance and band efficiency，and conclusion is got that the performance of PCSS－UWB communication system is related with the number of the transmission data in PCSS technology.Simulation shows that Eb/Nois improved 9 dB in the system with MBOK modulation than that in the system with PPM modulation when BER is 10－4.

PCSS;UWB;MBOK;DSSS－UWB

TN918.1

A

0367－6234(2012)11－0046－05

2011－05－16.

黑龍江省博士后基金資助項目(LBH－Z08126).

竇 崢(1978—)，男，副教授;

沙學軍(1966—)，男，教授，博士生導師.

竇 崢，douzheng@hrbeu.edu.cn.

(編輯 張 宏)