伪随机调制序列的CP-EBPSK通信系统

张 宇 应鹏魁 吴乐南

(东南大学信息科学与工程学院，南京 210096)

伪随机调制序列的CP-EBPSK通信系统

张 宇 应鹏魁 吴乐南

(东南大学信息科学与工程学院，南京 210096)

为了紧缩通信系统的信号频谱，减少其线谱能量，引入了一种伪随机序列调制方法.该方法通过对连续相位扩展的二元相移键控(CP-EBPSK)通信系统进行改进，使发射端键控调制时段的相位变化受控于伪随机序列，从而使CP-EBPSK调制指数的符号随机化，同时保持CP-EBPSK通信系统其他组成部分不变.仿真结果表明，该方法可使调制信号占用的带宽仅为CP-EBPSK通信系统带宽的一半，显著提高了频谱的利用率.即使在－60 dB带宽的苛刻要求下，当信号载频分别为30 MHz和2.4 GHz时，伪随机序列调制的CP-EBPSK通信系统以约35 dB的信噪比为代价，获得超过200 bit/(s·Hz)的频谱利用率，大幅度紧缩了频谱，提高了系统整体性能.同时，接收机冲击滤波器的特殊滤波效果导致解调器可不受调制符号随机化的影响，从而使得解调器的解调性能基本不变.

伪随机序列;CP-EBPSK调制;冲击滤波器;频谱利用率;误码率

高速增长的宽带无线业务需求对无线通信提出了越来越高的要求，最大限度地压缩无线传输频谱具有重要的实际意义和直接的经济效益.为了在单位频带内高速传输信息，需要尽可能提高频谱利用率［1］.如何有效地提高频谱利用率已成为新一代信息传输系统的核心竞争指标和关键共性技术.连续相位的扩展二元相移键控调制(continue phase-extended binary phase shift keying，CP-EBPSK)［2］可使带宽大大缩减，符合工程意义上“超窄带”的要求［3］.引入伪随机序列调制CP-EBPSK的调制指数Δ，可进一步降低已调信号中的线谱，得到更紧缩的线谱功率，解调器则保持采用基于数字冲击滤波器［4］的判决技术.

本文首先分析了利用伪随机序列调制CP-EBPSK调制信号的优势.然后，在不同的信号载频下选取不同的调制参数，对伪随机序列调制的CPEBPSK调制信号的功率谱和误码率性能进行了仿真比较，从而验证了理论分析的正确性.

1 伪随机调制的CP-EBPSK调制器

CP-EBPSK序列调制的统一表达式为［1］

式中，g0(t)和g1(t)分别表示“0”码元和“1”码元的调制波形;T为码元周期;τ为键控调制时段;ωc为调制载波的角频率;Δ为调制指数，是一个很小的固定数值.与 EBPSK调制方式［2］相比，CP-EBPSK的最大特点在于“1”码元处的相位变化是连续的.因此，采用CP-EBPSK得到的信号功率谱将更集中于载频附近，其边带电平大大降低.

为了进一步降低CP-EBPSK已调信号功率谱边带中的线谱(即离散谱)分量，可将信息码元“0”所对应的调制波形样本g0保持不变.当信息码元为“1”时，令Δ的符号受控于一个伪随机序列.当该伪随机序列值为“0”时，输出调制波形样本g10;当伪随机序列值为“1”时，输出调制波形样本g11.由此可得如下的表达式:

伪随机序列调制的CP-EBPSK通信系统全数字化实现过程见图1.图2为原CP-EBPSK调制信号和伪随机序列调制的CP-EBPSK信号的时域波形［4］.图中，每个码元周期内有4个载波周期;每个调制区间内有2个载波周期;Δ=0.5.

图1 伪随机序列调制的CP-EBPSK通信系统

图2 CP-EBPSK调制信号的时域波形

图3为Δ=0.1时原CP-EBPSK调制信号和伪随机序列调制的CP-EBPSK调制信号的功率谱.由图可知，Δ的符号伪随机化后，CP-EBPSK调制信号功率谱中的线谱分量大大减少，降低约20 dB，从而进一步提高了频谱利用率.

图3 CP-EBPSK调制信号的功率谱

2 伪随机调制的CP-EBPSK解调器

CP-EBPSK接收机如图4所示.该接收机的核心部分是一个无限冲激响应的数字带通滤波器［5-6］，在数字带通滤波器带内的中心频率处具有极窄的陷波-选频特性.当发送码元为1时，EBPSK，CP-EBPSK等调制信号的滤波输出波形产生明显而强烈的寄生调幅冲击.即使当EBPSK调制的跳变相位的符号和CP-EBPSK调制中的Δ符号发生改变时，该特性仍不受影响.因此，基于模拟锁相环和数字冲击波器的EBPSK接收机［7-8］，也能直接用于解调伪随机序列调制的CP-EBPSK调制信号.

图4 伪随机序列调制的CP-EBPSK接收机

3 仿真结果

假设一个码元周期内含有N个载波周期，一个跳变波形的时间长度持续K个载波周期.分别选取30 MHz和2.4 GHz两种载频，考察取值不同时的K和N对于伪随机序列调制的CP-EBPSK通信系统性能的影响.接收机采样频率fs为载频fc的10倍.

载频分别为30 MHz和2.4 GHz时，比较了不同码率及相同码率下不同K值的伪随机序列调制CP-EBPSK信号的功率谱，结果见图5和图6.仿真码元个数为215，发射机无额外带通成形滤波.由图5和图6可知，所得功率谱具有更高的“频谱树”(载波附近频谱)和更低的“频谱草”(主、旁瓣电平)［9］.按照 －60 dB功率带宽(即边带电平均低于－60 dB时的信号带宽)测量，即可得到名副其实的“超窄带”.调制占空比越低，频谱利用率越高.

图5 30 MHz载频下不同占空比的功率谱图

由图5可知，在信号载频为30 MHz、调制系数为0.1的条件下，当N从10增加到300时，调制占空比K/N逐渐减小，频谱更加紧缩，频谱利用率逐渐变大.仿真计算了图5中所列各种情况下的－60 dB功率带宽.当码率R从3 Mbit/s减小到100 kbit/s时，－60 dB功率带宽从13 kHz减小到415 Hz，频谱利用率从 230 bit/(s·Hz)上升到240 bit/(s·Hz)，较 CP-EBPSK调制信号提高了近1倍.

图6 2.4 GHz载频下不同占空比的功率谱图

由图6可知，在信号载频为2.4 GHz、调制系数为0.1的条件下，当N从10增加到3 000时，码率R从240 Mbit/s降低到0.8 Mbit/s，－60 dB功率带宽从1 MHz减小到27.2 kHz，频谱利用率从238 bit/(s·Hz)上升到 294 bit/(s·Hz).这说明伪随机序列调制的CP-EBPSK调制信号在高频段依然有提高频谱利用率的优势.

在加性高斯白噪声(AWGN)信道条件下且不采用任何信道编码时，伪随机序列调制CP-EBPSK信号的解调性能见图7.由图可知，在一定的信噪比下，保持N值不变，增加K值可提高伪随机序列调制的CP-EBPSK信号的解调性能，功率谱的主、旁瓣电平也会相应提升.

图7 不同占空比下的解调性能

图8为 Δ =0.1，K∶N=2∶20时正常调制、伪随机序列调制、正负间隔调制等3种CP-EBPSK调制方式下所得的误码率.其中，正负间隔调制［7-8］是指在发送码元“1”时交替选择+Δ和－Δ.由图可知，这3种情况下的解调性能差别不大，特别是在低信噪比条件下.

图8 3种调制方式下的误码率

4 结语

通过对伪随机序列调制的CP-EBPSK通信系统发送端的波形进行设计，大幅度降低了调制信号边带频谱的线谱成分，减少了对邻近频道的干扰，得到了超过200 bit/(s·Hz)的频谱利用率.同时，该通信系统接收端的冲击滤波保留了CP-EBPSK调制的所有优点，同时具有良好的解调性能.如果将其与信道编码技术相结合，有望进一步降低误码率，尤其适于带宽受限但功率相对富裕的场合.

［1］ He Feng，Wu Lenan.Analysis of power spectrum of continuous phase waveforms for binary modulation communications［C］//International Conference on Ultra Modern Telecommunications＆Workshops.Saint Petersburg，Russia，2009:1-5.

［2］吴乐南.超窄带传输与缩频通信体质［EB/OL］.(2004)［2011-05-28］.http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DXKB200402004.htm.

［3］吴乐南.超窄带高速通信进展［J］.自然科学进展，2007，17(11):1467-1473.Wu Lenan.UNB high-efficient communication progress［J］.Progress in Natural Science，2007，17(11):1467-1473.(in Chinese)

［4］ Wang Jiwu，Jin Yi，Wu Lenan.Genetic algorithm based optimization on CP-EBPSK excited impacting filers［C］//International Conference on Remote Sensing.Chengdu，China，2010:278-282.

［5］冯熳，高鹏，吴乐南.超窄带调制信号的特殊滤波分析与仿真［J］.东南大学学报:自然科学版，2010，40(2):227-230.Feng Man，Gao Peng，Wu Lenan.Analysis and simulation of special filtering based on ultra narrow band modulated signal［J］.Journal of Southeast University:Natural Science Edition，2010，40(2):227-230.(in Chinese)

［6］吴乐南，应鹏魁，冯熳，等.伪随机序列调制的CPEBPSK的通信系统及其通信方法:中国，201110092668.X［P］.2011-04-30.

［7］冯熳.高效调制的关键问题研究［D］.南京:东南大学信息科学与工程学院，2008.

［8］ Feng Man，Wu Lenan，Ding Jiajia，et al.BER analysis and verification of EBPSK system in AWGN channel［J］.IEICE Transactions on Communications，2011，94(3):806-809.

［9］ Feng Man，Wu Lenan.Special non-linear filter and extension to Shannon's channel capacity［J］.Digital Signal Processing，2009，19(5):861-873.

Pseudo-random modulated CP-EBPSK communication system

Zhang Yu Ying Pengkui Wu Lenan
(School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

To tighten the signal spectrum of a communication system and reduce the spectral energy，a pseudo-random modulation method is introduced.In this method，the continue phase extended binary phase shift keying(CP-EBPSK)communication system is modified to make the phase changes of the transmitter's modulation to be controlled by the pseudo random sequence.The symbols of the modulation indexes of the CP-EBPSK are randomized while the other parts of the CP-EBPSK communication system keep unchanged.The simulation results show that by this method the bandwidth occupied by the modulation signal is half of that of the primitive CP-EBPSK communication system，and the spectrum efficiency is remarkably improved.Even in the harsh condition of the －60 dB bandwidth，when the carrier frequencies are 30 MHz and 2.4 GHz，the spectrum efficiency of the non-coding pseudo-random modulated CP-EBPSK communication system is more than 200 bit/(s·Hz)at the cost of about 35 dB signal-to-noise ratio and the spectrum is narrowed，which improve the system's overall performance.Besides，the special filter effect of the impact filter in receivers makes the demodulator free from the influence of the randomization of the modulation symbols，which keeps the demodulation performance unchanged.

pseudo-random sequence;continue phase extended binary phase shift keying(CP-EBPSK)modulation;impact filter;spectrum efficiency;bit error rate

TN911.25

A

1001－0505(2012)02-0209-05

10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.003

2011-08-19.

张宇(1987—)，女，硕士生;吴乐南(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，wuln@seu.edu.cn.

国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA01Z227)、国家自然科学基金资助项目(60872075).

张宇，应鹏魁，吴乐南.伪随机调制序列的CP-EBPSK通信系统［J］.东南大学学报:自然科学版，2012，42(2):209-213.［doi:10.3969/j.issn.1001 －0505.2012.02.003］