低信噪比下感應通信擴頻信號的載波同步方法

陳維明 徐建華

（上海通號軌道交通工程技術研究中心，上海 200072）

低信噪比下感應通信擴頻信號的載波同步方法

陳維明 徐建華

（上海通號軌道交通工程技術研究中心，上海 200072）

對低信噪比下感應通信擴頻信號的載波同步方法進行研究。介紹感應通信的背景和感應式擴頻通信系統的組成。提出在判決反饋鎖相環（DFPLL）的基礎上利用擴頻信號擴頻碼的特點來顯著降低噪聲對載波相位差估計的影響，以達到低信噪比條件下載波可正常同步的目的。通過感應式擴頻通信系統的仿真，給出多種仿真信道、不同頻偏及不同信噪比下的仿真結果。仿真結果表明，該方法可顯著提高低信噪比下感應式擴頻通信系統的性能，且算法復雜度適中，有利于工程實施。

低信噪比；感應通信；擴頻；載波同步；判決反饋鎖相環

1 概述

感應通信是指借助于感應體(如沿巷道敷設的導線、金屬管道等)對電磁波傳播的導引作用而進行的通信方式。發送端將信號耦合到感應體上,信號在感應線上進行傳播,接收方再將感應線上的信號反向耦合接收完成信息的傳送。其既具有移動無線通信的靈活性,又具有有線傳輸的特性。

感應通信一般使用的頻率為幾十kHz至幾百kHz,具有以下特點:1)場強沿感應體作鏈狀分布,因此幾乎不受環境中地形、地貌的影響,可以在隧道、山坳、坑道、地鐵等實現比較穩定的移動通信。2)結構簡單、易實現、工程總體造價低。3)使用簡便,便于維護。4)使用頻率對外影響小,申請批準比較容易。

感應通信已在多個領域得到廣泛的應用,如礦業地下通道及工作面等環境中的移動通信、工業(特別是在鋼鐵工業)中移動車體的定位和自動控制、鐵路列車無線調度(通過接觸網)、城市軌道交通列車和地面的雙向通信(通過感應環線或專用的感應線)、海底探測的傳感信息傳輸(通過水下電纜)等。

感應通信的主要缺點是工作頻率低,易受干擾［1］。另外感應頻段較窄,系統通信容量的提高也受到一定限制,因而主要用于通信速率要求不高的通信系統中。針對感應通信易受干擾的不足,文獻［2］中提出了采用擴頻通信技術來解決相應問題的思路,文獻［3］則進一步通過仿真對接觸網感應式擴頻通信系統的可行性進行了研究。為了使感應式擴頻通信系統能夠在低信噪比下穩定和可靠地工作,接收端對載波信號的同步(頻偏和相位差跟蹤)就顯得非常重要。本文著重對低信噪比下感應通信擴頻信號的載波同步方法進行研究,利用擴頻信號的特點,改進低信噪比下擴頻信號的載波同步方法,并通過仿真研究對其進行驗證。

2 感應式擴頻通信系統的組成

感應式擴頻通信系統的組成如圖1所示,包含發射端、傳輸信道和接收端。信源信息經數據編碼、擴頻調制和載波調制后,發送到傳輸信道上。假設發送端符號周期為T,數據編碼后的數據為m(t)(±1,在一個符號周期T內不變),擴頻碼序列為c(t) (±1,在一個符號周期T內變化M次,M為擴頻因子),載波為cos(2πfst)(其中fs為發送端的載波頻率),載波調制為BPSK,則發送端輸出的數據s(t)為:m(t)×c(t)×cos(2πfst),參見圖2左側發送端的虛線內框圖。

圖1 感應式擴頻通信系統的組成

接收端的載波捕獲采用滑動相關算法,本地的捕獲副本由本地震蕩信號和本地擴頻碼共同生成［3,4］。利用本地的捕獲副本對接收信號進行延遲相關(有一個符號周期T的延遲),當滑動相關值達到正向或負向最大值即為同步點。

載波捕獲后將輸入信號r(t)與本地載波cos(2πfrt+θ)相乘,然后與本地擴頻碼序列c′(t)進行相乘和積分(積分區間為一個符號T),接著進行采樣和判決后可產生恢復的傳送數據m′(t)(如圖2虛線框上面部分)。隨后進行數據解碼以還原出傳輸的信息。本文重點關注低信噪比下接收端載波的同步方法及驗證。

圖2 基于DFPLL的擴頻信號的載波同步示意圖

3 低信噪比下擴頻信號的載波同步

根據接收信號進行載波信號的同步方法一般有鎖相環(PLL)、平方環(SL)、Costas環(CL)、判決反饋鎖相環(DFPLL),具體內容請參見文獻［5］中的5.2節。PLL一般用于非調制信號的相位跟蹤,平方環、Costas環和DFDLL則均可用于調制信號的載波信號同步。但在信噪比較低和解調的誤碼率不大于1%的條件下,判決反饋鎖相環的相位跟蹤性能要明顯優于平方環和Costas環［5,6］。文獻［7］中“information reduced”的相位估計方法與DFPLL想法有類似之處,但提出了采用數據編碼的方法可大大降低低信噪比條件下噪聲對載波相位估計的影響。本文在文獻［5,7］的基礎上提出了基于DFPLL的擴頻信號的載波同步方法,以降低低信噪比條件下噪聲對載波相位估計的影響,如圖2所示。其中右側虛線框外為接收信號解擴和解調部分,虛線框內為載波同步部分。

假設傳輸信道的衰減為A,延時為τ,噪聲為高斯白噪聲n(t),那么,接收端的信號輸入r(t)可表示為:

這樣m′(t)作為判決信息反饋至虛線框內的載波同步部分,可得

通過載波捕獲和時間同步,可以使得m(t-τ-T)=m′(t),c(t-τ-T)=c′(t),其中m′(t)為本地恢復的數據(±1,在一個符號周期T內不變),c′(t)為本地擴頻碼序列,則m(t-τ-T)×m′(t)=1, c(t-τ-T)×c′(t)=1,那么v(t)×c′(t)可以簡化為

假設fs和fr相差較小,近似相等,且fs和fr是1/T的整數倍(可以在系統設計時選定),則

相位差ε(t)直接控制本地VCO所產生的載波頻率fr及其相位的變化。由于擴頻碼c′(t)的選擇近似擾碼,所以n(t)×sin(2πfrt+θ-2πfrT)經c′(t)加擾后再在［0,T］范圍內進行積分后的結果n′是一個比較小的值,因而噪聲對相位差ε(t)估計的影響大大減小了。

4 系統仿真分析

系統仿真環境采用Matlab/Simulink［8］,仿真模塊主要有DSSS(直接序列擴展頻譜)發送、仿真信道、DSSS接收及BER(誤比特率)的計算。

4.1 DSSS發送

DSSS仿真發送端由信源數據(12 kbit/s,bit位為±1)經差分編碼后與擴頻碼發生器產生的經過級性轉換的擴頻碼(31位m碼,反饋系數為100 101,bit位為±1)相乘進行擴頻形成擴頻后的數據(12 k×31=372 kbit/s), 然后與震蕩器產生的載波(載頻300 k)相乘完成BPSK調制,并傳送至仿真信道,如圖3所示。

圖3 DSSS仿真發送框圖

4.2 仿真信道

仿真信道考慮了背景噪聲和背景噪聲+多徑+衰減兩種情況,后者用數學表達式表示為

其中,r(t)為接收信號,u(t)為輸入信號, gi(t)和τi分別為第i條路徑的衰落因子和傳播時延,Nbg(t)為背景噪聲。仿真信道模型的圖形表示如圖4所示。

圖4 仿真信道模型

本文仿真信道模型中的多徑和衰減使用表1中給出的三種信道的路徑參數［9］,其中di和gi分別表示路徑i的長度和衰減系數。背景噪聲Nbg(t)采用加性高斯白噪聲AWGN。

表1 多徑信道路徑參數

4.3 DSSS接收和BER的計算

DSSS仿真接收端對接收到的信號先進行低通濾波(濾除高頻干擾),然后進行載波捕獲、同步、解擴和解調(如圖2所示)。解調后的信號經采樣和數值判決(大于0為1, 否則為-1)和差分解碼后還原出原始的數據。將還原后的數據與經過時間延遲后的原始數據進行比較計算出誤碼率并顯示,如圖5所示。虛線框內是數據誤碼率計算和顯示的部分。

4.4 仿真結果分析

基于4.2節給出的仿真信道模型和4.3節給出的BER計算方式,圖6給出了不同信道條件及不同頻偏下系統誤比特率BER小于1‰時最低可工作的SNR仿真結果。在多徑信道路徑參數方面,信道一、信道二和信道三分別對應于最優信道、典型信道和惡劣信道。

圖5 DSSS仿真接收和BER的計算

圖6 不同信道條件下的仿真結果

從仿真結果來看,系統的性能(以BER小于1‰能夠達到的SNR下限來衡量)同時受到信道條件和頻率偏移的影響,且系統性能隨著信道條件的惡化和頻偏的增加而下降。不過在最優信道和典型信道及小頻偏(感應通信頻段由于多普勒效應和收發端晶體振蕩器的差異造成的頻偏一般不大于50 Hz)條件下,系統能夠分別穩定地工作在SNR達-10 dB和-8 dB的情況,驗證了低信噪比下感應通信擴頻信號的載波同步方法的有效性。

與文獻［7］中的方法D(Orthogonal Block-Coded Modulation)和給出的結果進行比較,本文的方法具有以下特點:1)綜合采用了DFPLL的方法。2)利用了擴頻通信的擴頻碼。3)綜合考慮了信道和頻偏的因素。4)系統性能在條件相當(無頻偏及編碼長度相近)時比文獻［7］中給出的結果提高了3個dB以上。

5 結論

本文針對低信噪比下感應通信擴頻信號的載波通信系統應用,提出了在判決反饋鎖相環的基礎上,利用擴頻信號擴頻碼的特點來進行相位偏差的估計,從而降低噪聲對載波相位差估計的影響,以達到低信噪比條件下載波可正常同步的目的。通過感應式擴頻通信系統的仿真,給出了多種仿真信道、不同頻偏及不同信噪比下的仿真結果。仿真結果表明,該方法可顯著提高低信噪比下感應式擴頻通信系統的性能,且算法復雜度適中,有利于工程實施。

The paper introduces the research on the carrier synchronization method for inductive spread spectrum communication signals under low signal-to-noise ratio (SNR), as well as the background of inductive communication and the system constitution of inductive spread spectrum communication system. To achieve the goal of carrier synchronization under low signal-to-noise ratio, the method of using the characteristics of spread spectrum codes of spread spectrum signals is proposed based upon decision feedback phase-locked loop (DFPLL) framework, so as to lower the impact of noises on carrier phase estimation error significantly. Through setting up the simulation environment of inductive spread spectrum communication system, simulation results are concluded under the combination of multiple simulation channels, different frequency shifts and different signal-to-noise ratios. The simulation results show that the method can improve the performance greatly of the system under low signal-to-ratio. The algorithm is of moderate complexity and is suitable for engineering implementation.

low SNR; inductive communication; spread spectrum; carrier synchronization; decision feedback phase-locked loop

10.3969/j.issn.1673-4440.2014.04.008

2013-05-08）