并行组合扩频超宽带系统调制方法及性能分析

窦 峥，孙立霞，沙学军

（1.哈尔滨工业大学通信技术研究中心，150001 哈尔滨;2.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，150001 哈尔滨）

并行组合扩频超宽带系统调制方法及性能分析

窦 峥1，孙立霞2，沙学军1

（1.哈尔滨工业大学通信技术研究中心，150001 哈尔滨;2.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，150001 哈尔滨）

为提高超宽带系统的抗干扰性能，在分析并行组合扩频通信和超宽带通信系统技术特征的基础上，结合这两种通信方式的技术优势，提出一种基于并行组合扩频的超宽带(PCSS－UWB)通信系统方案，并将高性能的MBOK调制方式应用到该系统.文章定性分析了基于PCSS－UWB通信系统性能与频带利用率关系，得出系统性能与并行组合扩频技术每次所能传输信息数据比特数有关的结论.仿真结果表明，当误码率为10－4时MBOK调制方式较传统的PPM调制方式的信噪比有约9 dB的提高.

并行组合扩频(PCSS);超宽带(UWB);多进制双正交键控调制(MBOK);DSSS－UWB

现代无线通信系统衡量系统性能的两个重要技术指标分别是安全性和高效性.并行组合扩频技术(PCSS)简称并扩，因其具有强抗干扰性，因此被作为一种有效的扩频技术使用;超宽带技术(UWB)由于具有超高传输速率等技术优势越来越多的受到人们的关注［1－4］.根据实现方式的不同，UWB通信技术可分为脉冲无线电(IR－UWB)和多频带正交频分复用超宽带(MB－OFDM UWB)两类.IR－UWB以持续时间超短的冲激脉冲作为载体传递信息［5－6］，在频域具有极宽频带具有传输吉比特数据流的传输能力.此外，UWB还具有极强的多路接入能力、隐蔽通信能力、精确的时间位置定位和范围定位等技术优势而被认为是现今最有发展前景的十大通信技术之一.

本文的研究主要在IR－UWB技术基础上，结合具有保密性和抗干扰的PCSS技术，使UWB系统具备高效性和安全性技术指标，与常规UWB系统相比具有更好的保密性能.基于并行组合扩频的超宽带系统(简称并扩超宽带，PCSS－UWB)是在研究分析基于直接序列扩频的超宽带(DSSS－UWB)系统特点之上提出的，将直接序列扩频序列(DSSS)引入UWB系统中对于UWB系统抗干扰性能有了极好的改善，但缺点是在该系统下频带利用率较低［7］;而将软扩频技术PCSS引入到UWB中，较之DSSS－UWB技术，其频带效率可以得到更好的改善，且继承了强抗干扰性的优点.并扩超宽带通信技术是一种全新的通信技术体制，一种高效的短距离无线传输技术.

1 并扩超宽带通信系统

并扩超宽带通信系统机理是基于超宽带系统，结合并扩技术，使新超宽带系统同时具备安全性和高效性.并扩超宽带通信系统收发信机原理如图1～2所示.

图1 并扩超宽带通信系统发射端原理

图2 并扩超宽带通信系统接收端原理

从图1可看出，并扩超宽带通信系统在结构上可分为两个模块:PCSS系统模块和UWB系统模块.但两个模块的组合并不意味着该系统将由PCSS和UWB系统模块简单的进行叠加，而是需要实际解决两个通信系统融合的结合点问题，具体解决方法将下面章节进行分析.

PCSS技术是一种具有较高信息传输能力的通信方式，是基于Mmay、Mb－ary扩频通信技术而得来的［8－9］.其产生机理是通过数据 － 序列映射算法，从M个正交扩频编码序列中选择r个，经调制后发射，根据数理统计方法计算共有CrM种发送扩频编码状态，可以载荷log2CrM个比特信息，考虑扩频序列具有正负两种极性状态，则共有2rCrM种发送状态.在此，假设该系统传输能力为K比特信息数据，则可得到公式为

其中「x」表示对x取整数部分，CrM是M中取r的组合.因此，从M个正交扩频编码序列族中选择并行传输r个正交扩频编码序列，可以达到传输K比特信息数据的目的.

在公式(1)中，如果M=N(扩频序列长)，r=M/4时，K≥N(B);当r=(2/3)M时，具有最大的信息传输能力，载荷最多信息数据，约为Kmax=1.5 M(B)，此时具有极高的通信效率［10］.

图3为选定Walsh码和Gold码作为伪随机序列码时，分别对基于PCSS－UWB通信系统性能的影响.其中图3(a)仿真实验使用的相关参数为Walsh码码长为64，Gold码码长为63，假设在同步情况下进行，仿真参数设置见表1所列.图3(b)和(c)中采用码长为128、512的Walsh码和127、511的Gold码，其他参数与表1相同.从图3(a)中可以清楚的看出，选取码长为64的Walsh码与63的Gold码对系统性能影响不大，当Walsh码和Gold周期码长增大到128和127、512和511，可从图3(b)、(c)中看出，在同步的情况下，两种伪随机码对系统性能的影响差别很小，但扩频序列的周期码长对系统性能的影响差别很大，原因是由于不同长度的扩频码序列调制相同数量数据时，码长越长对系统所引入的扩频增益越大，抗干扰能力越强，相应地 PCSS－UWB系统接收端得到的系统性能应越好.

图3 不同伪随机码类型以及不同长度的伪随机码对系统误码率性能的影响

表1 仿真参数

PCSS模块中伪随机序列条数r的不同对系统性能的影响，将在下面进行分析.图4为不同伪随机序列条数对系统误码率性能的影响.仿真条件为 M=16，r=3、5、7，其他条件相同，如表2 所示.仿真结果表明M=16，r=3时系统误码率性能最理想.后续的系统仿真将建立在以上得出结论的基础上进行.

表2 选择传输扩频序列条数r影响系统性能的相关参数

图4 伪随机序列条数r取值对系统误码率性能的影响

在系统收信机接收端，为了恢复发信机发送的信息数据，必须先经过PCSS解扩处理，方法是:接收信号经过最大值判决器选出发信机选择传输的r条正交扩频编码序列，而后根据数据 －序列逆映射算法和并/串转换器可成功的译出传送的K比特信息数据.

2 MBOK调制方式在基于并扩的超宽带通信系统中应用

不同的调制方式将影响PCSS－UWB通信系统的频带利用率、系统增益、误码率、信息传输速率等性能，为了使PCSS－UWB通信系统得到更好的系统性能，选择合适的调制方式是很重要的，本节主要分析不同的调制方式(M进制双正交键控、脉冲位置调制)对系统的影响进行仿真，不同的调制方式对系统的信息传输速率、频带利用率、误码率、系统增益等方面产生不同的影响，为了尽可能的提高系统性能，选择适合基于并扩的超宽带通信系统的调制方式至关重要.脉冲位置调制方式是超宽带通信系统中最常用、最简单的调制方式，但其是否适合新的系统，还有待研究.

脉冲位置调制(PPM)是通过脉冲时间位置的不同来载荷调制数据的.最常见的是2－PPM，其调制原理为:当调制数据是“1”时脉冲相对于参考位置产生1个时偏，脉冲间隔变为脉冲周期加或减去偏移量;当调制数据是“0”，脉冲相对于参考位置不产生偏移［8］，脉冲间隔仍然是1个脉冲周期.本系统中采用TH－PPM调制信号表达式为

其中:bk∈{0，1}是调制数据;δp是脉冲偏移;Ts是符号时间间隔;Tc为码片时间间隔;Ec为发射信号单位码片的能量.

正交PPM调制信号的误码率公式［11］为

其中:EX=Eb/NS，EX为接收信号单位码片能量，Eb为单位比特信号能量，NS为重复脉冲数量.因此，误码率公式可转化为

MBOK调制方式是软扩频的关键技术之一，是以M'(M'为与前文扩频序列族M区别)元双正交码作为扩频码，使用双正交编码序列对每1个信源数据扩频.在接收端使用与发射端相同的正交扩频编码序列码集进行相关运算，经最大值判决器后还原信源数据.

假设MBOK调制方式选取M'/2条正交扩频码 集 为 {c0，c1，…，c(M'/2－1)}、 {cM'/2，cM'/2+1，…，cM'－1}的 I路和 Q 路信号，其中 ci={ci，0，ci，1，…，ci，Nc－1}是长为Nc的伪随机序列，基于 MBOK 调制方式下的发送信号可以表示为

其中TS=NcTc，TS为符号时间间隔.

接收端第i个相关器正确解调概率为

可得到MBOK调制信号误码率公式［12］为

其中:n=log2M';Eb为单位比特信号能量;N0为噪声功率谱密度.

从图2可见，在并扩超宽带通信系统发信机发射端，从M个扩频序列中选择传输r条随机序列，经叠加器后形成具有r+1值的多值随机序列.UWB系统模块对多值随机序列的调制必须建立合理的UWB调制方式或编码方式，因此UWB系统模块与PCSS系统模块的融合是建立在多进制调制或者合理的编码基础上的.

在PCSS－UWB仿真实验中选取3条随机序列条数(即r=3)，则累加器输出端为±1/±3的4值码元序列，为使二进制PPM调制方式可以载荷4值码元序列，必须对4值码元序列进行二次编码后变成二进制随机序列，后选取PPM调制方式进行调制发射信号，此时PPM调制方式成功应用于新系统.但由于信息经过二次编码，将产生相位模糊，PCSS－UWB系统性能将受到影响.

MBOK调制方式在该系统中的应用，只需选取4元双正交码元序列作为扩频码对4值码元序列进行扩频，不需要再次编码处理即可与新系统结合，系统结构更加简单，另一方面引入了扩频增益，有益于系统性能的提高.

为进一步考虑MBOK、PPM两种调制方式下并扩超宽带通信系统的差异，进行实验仿真.仿真选取扩频序列族条数M=16，选择传输扩频序列条数r=3，选取周期长度为64的Walsh码作为并行组合扩频序列的扩频码，MBOK调制方式中扩频码长度为24，发射端发送信息比特数为12 000个，假设同步，其他仿真参数如表3所示，采用蒙特卡洛仿真，重复发送100次信源数据，得到的平均误码率如图5所示.

表3 仿真所需参数

图5 不同调制方式下并扩超宽带系统的误码率

从图5可看出，在仿真参数和信噪比均相同的条件下，MBOK调制方式下的系统平均误码率明显低于PPM调制方式下的系统平均误码率，若为使系统平均误码率达到10－4，选取MBOK调制方式的系统较选取PPM调制方式的系统所需的信噪比少约9 dB.因为在基于PPM调制方式的PCSS－UWB通信系统中采用二次编码的信息处理过程，引入相位模糊，影响了系统的误码率性能;基于MBOK调制方式的PCSS－UWB通信系统以多进制调制方式的手段简单、高效地载荷多值信息，有利于系统性能的提高.因此在理论上基于MBOK调制方式的PCSS－UWB系统性能也应该比基于PPM调制方式的 PCSS－UWB系统优良.可见，在相同条件下，在 PCSS－UWB通信系统中，MBOK调制方式比PPM调制方式更适合在其中应用.

下面将从传输效率的角度定性分析应用MBOK调制式的新系统性能变化.信息速率和频带利用率均是反映传输效率的1个重要标志.频带利用率是指单位频带内所能传输的信息速率:

其中Rb为信息传输速率，W为信道的带宽.

假设基于直接序列扩频的超宽带系统、基于并行组合扩频的超宽带系统输入端信息速率均为Rb持续时间为Tb，且均使用的是码长为N、持续时间为TS的伪随机序列进行扩频.假设信道带宽W=1/TS，则根据二者的扩频机制为

其中K为并行组合扩频技术所能传输的数据比特数.因此，基于直接序列扩频的超宽带系统和基于并行组合扩频超宽带系统的频带利用率分别为η1=1/N、η2=K/N.可见并行组合扩频超宽带系统较之直接序列扩频超宽带系统的频带效率有了K倍的提高，另外也验证了扩频增益即抗干扰能力与频带利用率之间的矛盾关系.

假设MBOK调制方式利用一组码长为N'的正交扩频码作为扩频码字来传输信息，那么与二进制传统PPM调制方式相比，每个扩频序列传送log2M'比特的信息，当信道频带受限制时可以使信息传输率(比特率)增加，从而提高频带利用率;另外根据上述定义可知MBOK调制方式较传统的PPM调制方式有N'倍的扩频增益，抗干扰性能更好.定量分析不同调制方式条件下并行组合扩频超宽带通信系统性能与频带利用率的关系将在其他文章中详细论述.

可见，不同的调制方式对系统性能的各项指标有不同的影响，当对抗噪声性能和比特速率要求较高时，无疑使用MBOK调制方式的基于并行组合扩频的超宽带系统是1个合适的选择.

3 结论

本文研究了并扩超宽带通信系统模型，将MBOK调制方式应用到该系统，得出如下结论:

1)MBOK调制方式下的PCSS－UWB通信系统平均误码率低于 PPM调制方式下的 PCSSUWB系统平均误码率;

2)在误码率为10－4时 MBOK调制方式较PPM调制方式所需信噪比少约9 dB;

3)从频带利用率的角度定性分析，引入并行组合扩频技术到超宽带系统中较之直接序列扩频超宽带通信系统好，优点在于不但保留了良好的抗干扰性能，而且频带利用率有K倍提高.

4)从理论简要分析了MBOK多进制调制方式较之二进制调制方式在频带利用率和抗干扰性能的优势，因此MBOK调制方式较之传统的PPM调制方式是一种更适合PCSS－UWB通信系统的调制方式.

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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.

黑龙江省博士后基金资助项目(LBH－Z08126).

窦 峥(1978—)，男，副教授;

沙学军(1966—)，男，教授，博士生导师.

窦 峥，douzheng@hrbeu.edu.cn.

(编辑 张 宏)