收发频谱不一致条件下TDCS传输性能研究

赵正阳，孙志刚

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

收发频谱不一致条件下TDCS传输性能研究

赵正阳，孙志刚

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对在实际应用过程中，变换域通信系统的发射端和接收端电磁环境不相同而导致的收发两端出现基函数不一致的情况，对一种新的CASK算法进行了仿真。根据CASK算法和CSK算法以及双极性算法不同干扰、不同噪声和不同收发不一致比例的情况下系统误码率和理论误码率的对比研究，可以发现，虽然在理想情况下，三者差距不大，然而当收发不一致的比例逐渐上升时，CASK算法的传输性能下降较慢，可以进行正常传输，且其传输性能较双极性调制和CSK调制分别提高2 dB和1 dB，具有良好的抗不一致性能，具有良好的应用前景。

变换域通信系统；CASK；收发不一致；自适应；抗干扰

0 引言

变换域通信是一种新型无线通信技术，它的特点在于其传输信息的基本调制波形不是在时域中设计，而是在变换域中形成。其基带信号属于无载波调制，可以在对工作中其他用户造成一定或轻微影响的情况下，根据通信环境的变化，主动躲避干扰。所以，变换域通信系统为其良好的抗干扰、抗截获能力，成为近来的研究热点。

变换域通信技术的思想诞生于1989年，军事通信专家German在一份技术报告中提出了一个新式通信系统，这个系统在发射和接收机中都运用了变换域处理[1]。而中国开展的变换域通信系统研究起源于2003年，何智青对TDCS的基本性能进行了仿真分析[2]。在2012年，韩川等也研究了TDCS的与OFDM的性能比较分析[3]。然而上述文献均未对变换域通信系统收发不一致情况的传输性能进行分析。而本文以变换域通信系统为基础，研究了TDCS收发不一致现象的传输和相关接收[4]。提出了CASK和CSK算法，提高了在高度不一致(50%以上)情形下变换域通信系统的传输性能。

1 系统模型概述

一个完整的变换域系统，如图1所示。包含发射机：环境谱估计、门限剔除、随机相位编码、幅度调节和逆傅里叶变换，最后与数据进行调制，搬移到射频进行传输。接收机包含：生成匹配的基函数、相关接收、门限判决输出，最后再生出原信号。所以，TDCS的基本流程可简述为：

① 对环境进行采样并得出其功率谱。主要方法有周期图法、自回归AR模型法和小波法等；

② 分析环境的功率谱，提取n个频点并将高于门限的频点置0，其他的频点置1；

③ 使用随机序列发生器生成一段伪随机序列，给每个频点都分配一个编码作为该频点的初始相位，这段经调制的基函数拥有随机的特性；

④ 将每个频点的能量值调整为同样大小，这使得能量在频域平均分配，使得信号掩盖与噪声中，提高了抗截获能力；

⑤ 对经过上述调整的频域基函数进行IFFT，得到时域基函数，置于存储器中，当环境变化或到达下一个采样时间时，会重复步骤①到步骤⑤，得到新的基函数；

⑥ 使用合适的调制方法处理数据，将经调制的数据进行射频调制，发送至接收端；

⑦ 接收端按环境采样得到的新型基函数对接收到的信号进行相关处理，得到有用信号，匹配调制方法进行解调，判决输出原始信号[5]。

图1 变换域通信系统模型

TDCS可以自适应外部电磁环境，剔除干扰频段，并且用随机相位的方法降低了信号能量集中度，使其能隐藏在噪声之中，提高了信号的抗干扰能力，也满足LPI波形设计的要求。因此，在理论上变换域通信系统能够保证传输的安全性和准确性。这种通信机制能够更好地应对非平稳干扰如Chirp类干扰和扫频干扰等[6]。

2 调制算法基本数学原理

2.1 双极性调制

TDCS可以使用较为简单的双极性调制法：用基函数BF和其取负的函数来表示不同的二进制码元：

S1(t)=BF,

(1)

S2(t)=-S1(t)。

(2)

双极性调制在AWGN信道下传输并采用相关解调，其误码率为：

(3)

其中Q函数的定义式为：

(4)

2.2 CSK

TDCS还可以使用循环移位键控CSK(Cyclic Shift Keying)，由于基函数特性类似于白噪声，具有较好的自正交性，也就是说，基函数波形在不同时移下的互相关值极小[7]。所以，可以用基函数的不同时移波形代表不同的码元，T为码元周期：

(5)

子载波数N非常大时，CSK具有近似正交性。当M=2且采用相关解调时，其误码性能为：

(6)

虽然CSK的误码率要高于双极性调制，但是它可以实现M元调制，而多元调制可大大降低误码率。M元调制的误码率为：

(7)

2.3 CASK

循环翻转移位键控调制是在双极性调制法和CSK调制结合下产生的一种新型调制算法，它结合了双极性调制算法和CSK调制，因此其性能比CSK更加接近于正交调制。CASK调制的数学表达式和误码率公式分别如下[8]：

(8)

2.4 BCSK

BCSK调制的信号集是由M/2个CSK信号及其负值波形函数构成的。因此BCSK调制信号的解调器的复杂性较CSK更小。因为进行相关解调时，前者用M/2个互相关器实现，而后者则需要用M个。BCSK调制信号可以如下表示[9]：

(9)

采用不同方法在发射机端进行调制时，对调相参数的尺的设置要进行相应的改变。由傅里叶变换的基本数学原理可知，时域的循环移位等价于为频域的相移。因此，CSK等调制方式也可以等效为频域内相位编码调制。因此，TDCS使用的调制方式可提炼出相对统一的数学模型[10]：

(10)

式中，N为基函数的长度；A是频谱向量的幅值；M代表使用随机相位产生基函数的M进制调制；mk是0，…，M-1的随机整数；Mary代表使用Mary进制的CSK或是Mary进制的PSK等各种调制方式的进制数；其中Si是发射的第i个符号。通过更改调相参数Pk的就能实现不同调制方式之间的切换[11]。TDCS多调制下参数设置如表1所示。

表1 TDCS多调制下参数设置

3 仿真实验

上节研究了调制算法的数学公式和理论模型，并详细给出了各算法步骤。在此基础上，本节借助MATLAB进行了计算机仿真实验，验证了调制算法的数学理论和传输性能。如图2所示，在理想不加干扰的情况下，双极性调制的性能更加优秀，仿真结果比CSK平均提升了3.5 dB，比CASK提升4 dB。在误码率较高的情况下，双极性性能出现下滑，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过程中，双极性的性能急剧下降，而CSK与CASK下降平缓，表现出了较好的抗噪声性能。

图2 理想情况下误码率

而针对收发不一致的情况，本文使用了一定比例的随机序列代替原基函数，使其呈现出一定比例的不一致性。如图3所示，通过计算机仿真实验结果可以看出，在较低不一致程度(<50%)时，双极性调制拥有一定优势；然而当不一致程度增加时，CASK超过CSK和双极性算法，较CSK有着1 dB的性能提升，较双极性有着2 dB的性能提升。而当不一致程度达到80%时，误码率突破30%，各系统均不能正常接收，CASK较双极性有着超过2 dB的性能优势。

图3 收发不一致条件下误码率

4 结束语

经计算机仿真实验可以得出结论，经CSK进行改进的CASK算法性能在抗噪声和抗收发异变的性能较好，改进后较原CSK算法有了更大的性能提升，有利于降低收发不一致造成的误码率提高。未来的工作有：① 改进CASK算法的抗噪声性能[12]；② 改进CASK传输码元速率。

参考论文

[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.变换域通信系统设计建模与仿真研究[D].西安:西北工业大学,2003.

[3] 韩 川.认知无线电场景中的变换域通信系统研究[D].成都:电子科技大学，2007.

[4] 谢铁城,达新宇,褚振勇，等.收发频谱不一致条件下的变换域通信系统基函数设计[D].西安:空军工程大学，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] 李雪华.抗干扰技术分析[J].无线电工程,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] 谢铁城，达新宇，褚振勇，等.采用时频分析的变换域通信系统基函数设计[J].西安交通大学学报，2012,46(6):42-47.

[11] 孙海欣，石要武，于晓辉.基于扩频相位编码的变换域通信系统多址接入能力[J].吉林大学学报:工学版,2013，43(1):223-228.

[12] 冯超英,臧笑峰,赵 军.一种基于频域的QPSK窄带干扰抑制算法[J].无线电通信技术,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

赵正阳，孙志刚.收发频谱不一致条件下TDCS传输性能研究[J].无线电通信技术,2017,43(1):56-59.

2016-10-20

国家高技术研究发展计划(863计划)(2013AA122105)

赵正阳(1991—)，男，硕士研究生，主要研究方向：无人机测控。孙志刚(1965—)，男，研究员，主要研究方向：航空测控与信息传输技术。

TP391.4

A

1003-3114(2017)01-56-4