收發頻譜不一致條件下TDCS傳輸性能研究

趙正陽，孫志剛

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

收發頻譜不一致條件下TDCS傳輸性能研究

趙正陽，孫志剛

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對在實際應用過程中，變換域通信系統的發射端和接收端電磁環境不相同而導致的收發兩端出現基函數不一致的情況，對一種新的CASK算法進行了仿真。根據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不一致比例的情況下系統誤碼率和理論誤碼率的對比研究，可以發現，雖然在理想情況下，三者差距不大，然而當收發不一致的比例逐漸上升時，CASK算法的傳輸性能下降較慢，可以進行正常傳輸，且其傳輸性能較雙極性調制和CSK調制分別提高2 dB和1 dB，具有良好的抗不一致性能，具有良好的應用前景。

變換域通信系統；CASK；收發不一致；自適應；抗干擾

0 引言

變換域通信是一種新型無線通信技術，它的特點在于其傳輸信息的基本調制波形不是在時域中設計，而是在變換域中形成。其基帶信號屬于無載波調制，可以在對工作中其他用戶造成一定或輕微影響的情況下，根據通信環境的變化，主動躲避干擾。所以，變換域通信系統為其良好的抗干擾、抗截獲能力，成為近來的研究熱點。

變換域通信技術的思想誕生于1989年，軍事通信專家German在一份技術報告中提出了一個新式通信系統，這個系統在發射和接收機中都運用了變換域處理[1]。而中國開展的變換域通信系統研究起源于2003年，何智青對TDCS的基本性能進行了仿真分析[2]。在2012年，韓川等也研究了TDCS的與OFDM的性能比較分析[3]。然而上述文獻均未對變換域通信系統收發不一致情況的傳輸性能進行分析。而本文以變換域通信系統為基礎，研究了TDCS收發不一致現象的傳輸和相關接收[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的傳輸性能。

1 系統模型概述

一個完整的變換域系統，如圖1所示。包含發射機：環境譜估計、門限剔除、隨機相位編碼、幅度調節和逆傅里葉變換，最后與數據進行調制，搬移到射頻進行傳輸。接收機包含：生成匹配的基函數、相關接收、門限判決輸出，最后再生出原信號。所以，TDCS的基本流程可簡述為：

① 對環境進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 分析環境的功率譜，提取n個頻點并將高于門限的頻點置0，其他的頻點置1；

③ 使用隨機序列發生器生成一段偽隨機序列，給每個頻點都分配一個編碼作為該頻點的初始相位，這段經調制的基函數擁有隨機的特性；

④ 將每個頻點的能量值調整為同樣大小，這使得能量在頻域平均分配，使得信號掩蓋與噪聲中，提高了抗截獲能力；

⑤ 對經過上述調整的頻域基函數進行IFFT，得到時域基函數，置于存儲器中，當環境變化或到達下一個采樣時間時，會重復步驟①到步驟⑤，得到新的基函數；

⑥ 使用合適的調制方法處理數據，將經調制的數據進行射頻調制，發送至接收端；

⑦ 接收端按環境采樣得到的新型基函數對接收到的信號進行相關處理，得到有用信號，匹配調制方法進行解調，判決輸出原始信號[5]。

圖1 變換域通信系統模型

TDCS可以自適應外部電磁環境，剔除干擾頻段，并且用隨機相位的方法降低了信號能量集中度，使其能隱藏在噪聲之中，提高了信號的抗干擾能力，也滿足LPI波形設計的要求。因此，在理論上變換域通信系統能夠保證傳輸的安全性和準確性。這種通信機制能夠更好地應對非平穩干擾如Chirp類干擾和掃頻干擾等[6]。

2 調制算法基本數學原理

2.1 雙極性調制

TDCS可以使用較為簡單的雙極性調制法：用基函數BF和其取負的函數來表示不同的二進制碼元：

S1(t)=BF,

(1)

S2(t)=-S1(t)。

(2)

雙極性調制在AWGN信道下傳輸并采用相關解調，其誤碼率為：

(3)

其中Q函數的定義式為：

(4)

2.2 CSK

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

(5)

子載波數N非常大時，CSK具有近似正交性。當M=2且采用相關解調時，其誤碼性能為：

(6)

雖然CSK的誤碼率要高于雙極性調制，但是它可以實現M元調制，而多元調制可大大降低誤碼率。M元調制的誤碼率為：

(7)

2.3 CASK

循環翻轉移位鍵控調制是在雙極性調制法和CSK調制結合下產生的一種新型調制算法，它結合了雙極性調制算法和CSK調制，因此其性能比CSK更加接近于正交調制。CASK調制的數學表達式和誤碼率公式分別如下[8]：

(8)

2.4 BCSK

BCSK調制的信號集是由M/2個CSK信號及其負值波形函數構成的。因此BCSK調制信號的解調器的復雜性較CSK更小。因為進行相關解調時，前者用M/2個互相關器實現，而后者則需要用M個。BCSK調制信號可以如下表示[9]：

(9)

采用不同方法在發射機端進行調制時，對調相參數的尺的設置要進行相應的改變。由傅里葉變換的基本數學原理可知，時域的循環移位等價于為頻域的相移。因此，CSK等調制方式也可以等效為頻域內相位編碼調制。因此，TDCS使用的調制方式可提煉出相對統一的數學模型[10]：

(10)

式中，N為基函數的長度；A是頻譜向量的幅值；M代表使用隨機相位產生基函數的M進制調制；mk是0，…，M-1的隨機整數；Mary代表使用Mary進制的CSK或是Mary進制的PSK等各種調制方式的進制數；其中Si是發射的第i個符號。通過更改調相參數Pk的就能實現不同調制方式之間的切換[11]。TDCS多調制下參數設置如表1所示。

表1 TDCS多調制下參數設置

3 仿真實驗

上節研究了調制算法的數學公式和理論模型，并詳細給出了各算法步驟。在此基礎上，本節借助MATLAB進行了計算機仿真實驗，驗證了調制算法的數學理論和傳輸性能。如圖2所示，在理想不加干擾的情況下，雙極性調制的性能更加優秀，仿真結果比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，表現出了較好的抗噪聲性能。

圖2 理想情況下誤碼率

而針對收發不一致的情況，本文使用了一定比例的隨機序列代替原基函數，使其呈現出一定比例的不一致性。如圖3所示，通過計算機仿真實驗結果可以看出，在較低不一致程度(<50%)時，雙極性調制擁有一定優勢；然而當不一致程度增加時，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。而當不一致程度達到80%時，誤碼率突破30%，各系統均不能正常接收，CASK較雙極性有著超過2 dB的性能優勢。

圖3 收發不一致條件下誤碼率

4 結束語

經計算機仿真實驗可以得出結論，經CSK進行改進的CASK算法性能在抗噪聲和抗收發異變的性能較好，改進后較原CSK算法有了更大的性能提升，有利于降低收發不一致造成的誤碼率提高。未來的工作有：① 改進CASK算法的抗噪聲性能[12]；② 改進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.變換域通信系統設計建模與仿真研究[D].西安:西北工業大學,2003.

[3] 韓 川.認知無線電場景中的變換域通信系統研究[D].成都:電子科技大學，2007.

[4] 謝鐵城,達新宇,褚振勇，等.收發頻譜不一致條件下的變換域通信系統基函數設計[D].西安:空軍工程大學，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，達新宇，褚振勇，等.采用時頻分析的變換域通信系統基函數設計[J].西安交通大學學報，2012,46(6):42-47.

[11] 孫海欣，石要武，于曉輝.基于擴頻相位編碼的變換域通信系統多址接入能力[J].吉林大學學報:工學版,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,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，孫志剛.收發頻譜不一致條件下TDCS傳輸性能研究[J].無線電通信技術,2017,43(1):56-59.

2016-10-20

國家高技術研究發展計劃(863計劃)(2013AA122105)

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

TP391.4

A

1003-3114(2017)01-56-4