EBPSK脉冲调制系统的抗多径性能提升

王明双，吴乐南

(东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

EBPSK脉冲调制系统的抗多径性能提升

王明双，吴乐南

(东南大学 信息科学与工程学院，江苏 南京 210096)

为提升扩展的二元相移键控(Extended Binary Phase Shift Keying，EBPSK)脉冲调制通信系统的抗多径能力，提出了针对EBPSK脉冲调制波形特点的多径分离方法。在简要介绍EBPSK脉冲调制原理后，分析其调制参数与时延的关系，根据时延值设定相应的EBPSK脉冲调制参数，实现副径与主径的分离，从而消除副径对主径的影响；在此基础上，提出了利用副径能量的新型码元联合判决方法,提高了信噪比。系统仿真结果证明了该方法在多径信道下的有效性。

EBPSK；多径；时延估计；联合判决

0 引言

在无线通信系统中，信号从发射端可以通过多条反射路径到达接收端，造成接收信号的幅度、相位以及角度产生波动，这种现象就是多径衰落[1]。多径因素会直接影响传输质量，多径衰落对无线信号的影响是快速的，在短时间内使得接收信号的幅度和相位等信息产生变化[2-3]，各路径相互叠加后造成了解调困难。可采用分集接收技术提高通信性能[4]，而多径分离技术多基于伪随机序列扩频通信[5]，在发射端将信号频谱扩展，在接收端将各路径信号相位校正，降低多径衰落的影响，但信号频谱扩宽降低了频谱利用率，无线频谱是稀缺资源[6]，且解调系统较复杂。在此背景下提出了一种基于EBPSK脉冲调制系统的较简单的多径分离方法，不增加频谱开销，利用EBPSK脉冲调制的波形特点分离多径并加以利用，提高系统抗多径效应的能力。

1 EBPSK脉冲调制系统多径时延估计

1.1 EBPSK脉冲调制原理

EBPSK脉冲调制是利用调制脉冲在码元周期内位置的差异来传递数字信息的，设传输码元的周期为时间Ts，载波频率为fc，载波周期为Tc，一个码元周期包含N个载波周期，即Ts=NTc=N/fc，跳变持续的时间长度为K+rg个载波周期，且2(K+rg)

(1)

式中，g1(t)和g2(t)分别为二进制信息“0”和“1”,通常假设A=1，rg=0。

1.2 调制参数设置

短波无线信道在时域频域都是不稳定的，但如果将其带宽限制在较小的范围(小于12 kHz)，在足够短的时间(如10 min)内，大多数HF信道可以认为是近似平稳的，并可用一个平稳模型来描述[8]。在模拟多径效应时，将副径看成是主径时延后的波形，接收信号可用主径信号与延迟一定时间的主径信号相互叠加来表示[9]，下面基于此模型讨论副径相对于主径的时延情况。

假设副径相对于主径的时延为Δτ，首先取得Δτ/T的整数部分数值m，m表示主径时延的码元周期数，再计算Δτ-mT，其是主径时延后在第m个码元周期内的具体位置，根据式(1)的EBPSK脉冲调制表达式可见：

① 当0<Δτ-mT<2KTc时，主径延迟m个码元周期形成了副径波形，其波形将落入码元周期内的脉冲调制段(0～2KTc)内，所以多径将与主径波形混叠。

② 当2KTc≤Δτ-mT

通过接收信号的眼图，可以观察多径情况。图1给出了多径与主径分离情况下部分接收码元的眼图。

图1 多径与主径分离情况下接收信号的眼图

1.3 多径时延估计方法

基于自相关法的时延估计[10]主要利用发送信号与接收信号的相关性来获取时延信息。设EBPSK脉冲调制信号为s(n)，接收信号为r(n)=as(n)+bs(n-D)+v(n)，其中，接收信号有主径和副径共2条径，副径相对主径延迟为D，v(n)为均值为零的信道高斯白噪声且与信号不相关，a和b为衰减系数。取a=b=1，则有相关函数Rsr(τ)=E[s(n) ×r(n+τ)]=Rss(τ)+Rss(τ-D)，通过函数峰值确定延时值。广义互相关函数的时延估计方法[11]，是从互功率谱出发，根据不同情况选择加权函数，取出互相关函数的峰值来估计时延。

自相关法和广义自相关法在高斯白噪声背景下时延估计性能较好，但由于无线信道的时变性以及各类强干扰的混入，上述2种方法将无法准确估计时延，自适应时间延迟估计方法(LMSTDE)在最小均方误差的准则下迭代计算[12]，通过信道参数来获取时延值，可有效抵抗各类干扰对估计准确性的影响。

2 多径联合判决

多径联合判决的前提是多径的分离，关键是副径中包含的码元信息参与判决，即当前码元的采样判决值与多径内包含当前码元的采样判决值共同作为判决依据。

假设发射的单个EBPSK脉冲调制信号码元的接收表达式为ag(t)，其中a是信道增益引起的幅度衰落。经过多径传输后，接收信号为：

(2)

式中，τi为各条路径相对于主径的延迟值。在获得各条路径相对延迟后，将第i条路径的延迟值消除，得到各条路径去时延的波形，然后相加，从而提高了接收端的信噪比，如式(3)所示：

(3)

下面举例说明，经多径传输信道后，根据1.2节的调制参数设置要求，选定EBPSK脉冲调制参数为K=78、N=666和fc=455 kHz，只存在主径和副径2条径，Δτ为2 ms，计算延迟范围得到m值(m=1)，而且Δτ-mT符合参数设置的第2种情况，即当前码元周期内包含前一个码元的延迟波形，下一个码元周期内包含当前码元的延迟波形，而且副径与主径分离，那么当前码元的判决可将码元“0”的2个最佳位置采样值的和与码元“1”的2个最佳位置采样值的和作比较判决。这可理解为在发端引入了“编码”，编码方式是将当前码元的信息，编入下一个码元内且不影响下个码元的信息表达，从而保证在不降低码元速率下，提高当前码元解调性能。

图2是在主副径分离下的接收信号波形经解调处理后2个码元周期内的信号波形图。解调器采用包络检波，也可利用冲击滤波器[13-14]对接收信号进行解调。

图2 接收信号经解调处理后的2个码元周期的波形

可见，EBPSK脉冲调制信号经过多径信道，一个码元周期内出现了2处峰值，一个是当前码元的判决峰值，另一个是由前面码元时延至当前码元周期内的多径峰值。因受信道衰落影响，码元判决位置的采样值是变化的，应采取相对判决门限，即对比码元“0”与码元“1”的判决位置采样值，以确定当前码元信息。

3 系统仿真

3.1 时延估计

仿真实验条件设置同第2节例。此时利用自相关法、广义互相关法、LMSTDE法估计的副径时延与设置的2 ms相同，估值准确。在混入低强度窄带干扰下，三者的估计时延较为准确，但在干扰强度较大时，LMSTDE时延估计方法表现较佳。修改信号调制参数K或多径增益，对LMSTDE方法估计的时延准确性影响不大。表1给出的是在干信比40 dB时，LMSTDE估计的副径相对主径的时延值。

表1 LMSTDE时延估计随K和多径增益的变化情况表

参数K增益时延值19800．51-0．0022-0．002-0．00223800．51-0．0021-0．0022-0．002127800．51-0．0021-0．0021-0．0016

3.2 多径联合判决的误码率

调制参数和信道条件同第2节例，比较利用副径的信息进行码元联合判决与仅采用码元内幅度判决的解调性能，结果如图3所示。

图3 码元联合判决法与幅度判决法的误码率比较

由图3可知，信噪比在-6 dB左右时，利用副径信息的码元联合判决方法的误码率已达10-4量级，且误码率曲线呈迅速下降趋势；而采用最佳接收方式的幅度判决法在相同信噪比下性能远不如码元联合判决法，且随着信噪比增大误码率下降不明显。

4 结束语

通过实验验证了LMSTDE进行EBPSK脉冲调制系统在多径及强干扰环境下时延估计方法的有效性。通过定性分析EBPSK脉冲调制波形的特征，利用获得的时延估计值选择EBPSK脉冲调制信号参数实现了主径和副径分离目的，整个系统较为简单、有效，解调端充分利用了副径能量实现码元联合判决，解调性能相比已有方法得到了显著提升。

仿真结果表明所述方法可有效对抗多径，在较低信噪比下系统解调性能仍表现较佳，为进一步研究EBPSK脉冲调制系统应用于无线信道奠定了基础。

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Improvement in Anti-multipath Performance of EBPSK Pulse Modulation System

WANG Ming-shuang，WU Le-nan

(School of Information Science and Engineering，Southeast University，Nanjing Jiangsu 210096，China)

A method of multipath separation based on the waveform characteristics of extended binary phase shift keying (EBPSK) pulse modulation is presented to mitigate multipath effect.After a brief introduction to the principle of EBPSK pulse modulation，the relationship between the modulation parameters and time-delay is analyzed.The direct signal and multipath signals are distinguished by selection of the EBPSK pulse modulation parameters according to the delay estimations；and then a joint decision method using the multipath energy is applied to achieve extra signal-to-noise ratio(SNR).The results of computer simulation show that this method is effective in multipath environments.

EBPSK；multipath；delay estimation；joint decision

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.10

王明双,吴乐南.EBPSK脉冲调制系统的抗多径性能提升[J].无线电通信技术,2017,43(3)：43-45,84.

[WANGMingshuang，WULe’nan.ImprovementinAnti-multipathPerformanceofEBPSKPulseModulationSystem[J].RadioCommunicationsTechnology，2017,43(3):43-45,84.]

2016-12-26

王明双(1981—)，男，硕士研究生，主要研究方向：通信信号处理。吴乐南(1952— )，男，教授、博士生导师，中国通信学会和中国计算机学会高级会员，主要研究方向：通信信号处理和多媒体信息处理。

TN914.2

A

1003-3114(2017)03-43-3