文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.180944
中文引用格式: 馮勝,江治林,楊勤,等. 碼索引調(diào)制與多進(jìn)制擴(kuò)頻的分析比較[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2018,44(12):85-88,92.
英文引用格式: Feng Sheng,Jiang Zhilin,Yang Qin,et al. Analysis and comparison of code index modulation and multi-ary spread spectrum[J]. Application of Electronic Technique,2018,44(12):85-88,92.
0 引言
通信技術(shù)發(fā)展過程中,追求能量效率和頻譜效率最大化是一個(gè)永恒的發(fā)展方向。著眼于過去通信技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字調(diào)制代替模擬調(diào)制,使得通信系統(tǒng)在抗干擾能力與便于數(shù)字處理方面都取得了巨大進(jìn)步。從經(jīng)典的振幅鍵控調(diào)制、相移鍵控調(diào)制、頻移鍵控調(diào)制等,到當(dāng)前廣泛應(yīng)用的擴(kuò)頻調(diào)制、正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,ODFM)、多輸入多輸出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)等。這類波形調(diào)制技術(shù)的發(fā)展,不斷提高了通信系統(tǒng)的傳輸速率和頻譜效率,在一定程度上滿足了當(dāng)前指數(shù)級(jí)上升的數(shù)據(jù)流量業(yè)務(wù)需求。然而,高頻譜效率帶來(lái)高能量消耗與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度等問題,成為了當(dāng)前通信技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)。因此亟待提出能夠?qū)崿F(xiàn)頻譜效率與能量效率平衡,同時(shí)兼顧系統(tǒng)綜合性能的綠色通信技術(shù)[1]。正是在這樣的背景下,索引調(diào)制(Index Modulation,IM)技術(shù)被提出[2-4]。在過去的幾年中,IM技術(shù)引起了廣大學(xué)者們的關(guān)注。
目前索引調(diào)制的研究主要集中在子載波索引調(diào)制(Subcarrier Index Modulation,SIM)[5]、空間調(diào)制(Spatial Modulation,SM)[6]以及基于直接序列擴(kuò)頻的碼索引調(diào)制[7](Code Index Modulation,CIM)技術(shù)。CIM技術(shù)是將SM技術(shù)中的天線索引變?yōu)閿U(kuò)頻碼的索引,與之類似的技術(shù)還有多進(jìn)制擴(kuò)頻[8]技術(shù)。這兩種技術(shù)的索引調(diào)制塊都是相互正交的Walsh碼,并且這兩種技術(shù)都屬于擴(kuò)頻通信。擴(kuò)頻通信的定義為用來(lái)傳輸信息的信號(hào)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信息本身帶寬的一種傳輸方式,頻帶的擴(kuò)展由獨(dú)立于信息的擴(kuò)頻碼來(lái)實(shí)現(xiàn),與所傳的信息沒有任何關(guān)系。
在本文中,將對(duì)碼索引調(diào)制技術(shù)和多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)在系統(tǒng)的收發(fā)模型、誤比特率以及復(fù)雜度等各方面進(jìn)行分析對(duì)比。從后面的仿真結(jié)果可以看出,這兩種擴(kuò)頻技術(shù)都是隨著擴(kuò)頻碼的增多性能越來(lái)越好,但隨著擴(kuò)頻碼的增多系統(tǒng)的復(fù)雜度也會(huì)隨之增大,因此在實(shí)際工程中會(huì)均衡考慮二者的關(guān)系。碼索引調(diào)制技術(shù)是一種新的高數(shù)據(jù)速率和高頻譜效率的通信系統(tǒng),索引資源相同時(shí),碼索引調(diào)制技術(shù)的頻譜效率是多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)的一倍還多,本文分析比較了兩種擴(kuò)頻技術(shù),加強(qiáng)了對(duì)新技術(shù)碼索引調(diào)制的認(rèn)識(shí)。
1 系統(tǒng)模型
1.1 多進(jìn)制擴(kuò)頻
多進(jìn)制擴(kuò)頻是一種只傳擴(kuò)頻碼的通信系統(tǒng),m位二進(jìn)制信息碼共有M=2m個(gè)狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)一個(gè)偽隨機(jī)碼,因此多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)也稱為M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)由M個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的相互正交的偽隨機(jī)碼Cj(j=0,1,2,…,M-1)來(lái)表示。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力是以展寬信號(hào)傳輸帶寬為代價(jià),并且難以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)倍擴(kuò)頻,根據(jù)實(shí)際的使用需求,直擴(kuò)進(jìn)制數(shù)以及直擴(kuò)帶寬差異將直序擴(kuò)頻分為一般直序擴(kuò)頻、多進(jìn)制直序擴(kuò)頻、窄帶擴(kuò)頻以及帶寬擴(kuò)頻[9]。在文獻(xiàn)[10]中指出,多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)具有譜密度低、頻譜利用率高、抗多徑能力強(qiáng)、信息傳輸速率高、碼間干擾小、誤碼率低以及通信距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn),提升了系統(tǒng)的整體通信效能,是一種實(shí)現(xiàn)高效直擴(kuò)通信的有效途徑。
多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的收發(fā)送模型如圖1所示。輸入的二進(jìn)制信息比特流在發(fā)射端經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后按m位比特進(jìn)行分組,每個(gè)二進(jìn)制比特?cái)?shù)據(jù)組選取擴(kuò)頻序列陣中的一個(gè)擴(kuò)頻碼進(jìn)行載波調(diào)制,然后通過天線發(fā)送出去。
信號(hào)通過高斯白噪聲(AWGN)信道后到達(dá)接收端,經(jīng)載波恢復(fù)和取樣后,接收端的采樣信號(hào)與每一個(gè)擴(kuò)頻碼相乘,然后在碼長(zhǎng)L內(nèi)求和,通過比較器選出絕對(duì)值最大的數(shù)值,從而確定從發(fā)送端傳過來(lái)的是哪一個(gè)擴(kuò)頻碼,最后通過解調(diào)恢復(fù)出原始信息比特。
1.2 碼索引調(diào)制
2015年,KADDOUM G等基于直接序列擴(kuò)頻提出碼索引調(diào)制[7]技術(shù)。碼索引調(diào)制在發(fā)射端采用M進(jìn)制符號(hào)調(diào)制和直接序列擴(kuò)頻技術(shù),擴(kuò)頻碼由Nt個(gè)相互正交的Walsh組成。在發(fā)射端,二進(jìn)制信息比特流被分成塊,每塊的比特?cái)?shù)為:NCIM=2log2(Nt)+log2(M),其中nt=log2(Nt)、n=log2(M)分別代表的是擴(kuò)頻碼的映射比特?cái)?shù)和調(diào)制符號(hào)對(duì)應(yīng)的比特?cái)?shù),在CIM調(diào)制中,調(diào)制符號(hào)的同相部分和正交部分都需要擴(kuò)頻碼進(jìn)行擴(kuò)頻,碼索引調(diào)制系統(tǒng)的收發(fā)機(jī)模型如圖2所示。
信號(hào)通過高斯白噪聲(AWGN)信道后到達(dá)接收端,在接收端信號(hào)經(jīng)載波恢復(fù)和取樣后,分別與每一個(gè)擴(kuò)頻碼相乘。由于同相分量和正交分量的處理過程一樣,因此這里只闡述同相部分。同相信號(hào)分別與Nt個(gè)擴(kuò)頻碼相乘,然后在一個(gè)碼長(zhǎng)L內(nèi)求和,求和以后再取絕對(duì)值,然后在通過比較器選出最大的一個(gè),從而確定發(fā)射端同相部分選擇的是哪一個(gè)擴(kuò)頻碼,正交部分的處理過程完全一樣,最后通過數(shù)字解調(diào)器與擴(kuò)頻碼的估計(jì)解映射恢復(fù)出原始信息比特。
1.3 兩種擴(kuò)頻技術(shù)的區(qū)別
從1.1節(jié)和1.2節(jié)對(duì)多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)和碼索引調(diào)制系統(tǒng)基本原理的介紹可以看出,這兩種擴(kuò)頻技術(shù)存在很多相似之處,相同的是兩種擴(kuò)頻技術(shù)都是采用的Walsh碼來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)頻;而不同的是多進(jìn)制擴(kuò)頻是以擴(kuò)頻碼作為信息的載體,在每個(gè)傳輸時(shí)隙只傳擴(kuò)頻碼。而碼索引調(diào)制中的擴(kuò)頻碼只承載一部分信息比特,另一部分信息比特用于基帶調(diào)制,擴(kuò)頻碼與調(diào)制符號(hào)的同相部分與正交部分分別相乘擴(kuò)頻,這就是兩種擴(kuò)頻技術(shù)不一樣的地方,但是這兩種擴(kuò)頻技術(shù)都是基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。
2 擴(kuò)頻增益
在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中,通常用“擴(kuò)頻增益”Gp來(lái)衡量擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力,擴(kuò)頻增益的定義是接收機(jī)相關(guān)器的輸出信號(hào)噪聲功率比與輸入信號(hào)噪聲功率比的比值,也可以說成是擴(kuò)頻后的帶寬Bss與擴(kuò)頻前的帶寬Bb之比。在直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中,擴(kuò)頻碼的速率是Rc,信息碼的速率是Rb,則擴(kuò)頻增益可以定義如下:
多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)采用(L,m)編碼,即m位信息比特由長(zhǎng)度為L(zhǎng)的偽隨機(jī)碼來(lái)代替,m位信息比特一共有M=2m個(gè)偽隨機(jī)碼,在發(fā)送端信息比特經(jīng)串并轉(zhuǎn)換成m路的并行數(shù)據(jù),然后利用m位信息比特從M=2m路相互正交的擴(kuò)頻碼中選出一路作為擴(kuò)頻信號(hào)傳輸。由于串并轉(zhuǎn)換,信息碼的帶寬降為原來(lái)的1/m,則多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益可以定義如下:
式中,Bssd為多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)頻后的帶寬,Bbd為多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)擴(kuò)頻前的帶寬,Rcd為擴(kuò)頻碼的傳輸速率,Rbd是信息比特的傳輸速率。
碼索引調(diào)制在發(fā)送端信息比特經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后,分為調(diào)制部分和映射部分,調(diào)制部分將信息比特調(diào)制成調(diào)制符號(hào),映射部分分別為調(diào)制符號(hào)的同相分量和正交分量選擇擴(kuò)頻碼,發(fā)送端的信息比特經(jīng)串并轉(zhuǎn)換為NCIM路的并行數(shù)據(jù),由于串并轉(zhuǎn)換的關(guān)系,信息碼的帶寬降為原來(lái)的1/NCIM,則碼索引調(diào)制系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益可以定義如下:
式中,Bssc為碼索引調(diào)制系統(tǒng)擴(kuò)頻后的帶寬,Bbc為碼索引調(diào)制系統(tǒng)擴(kuò)頻前的帶寬,Rcc為擴(kuò)頻碼的傳輸速率,Rbc是信息比特的傳輸速率。
通過比較式(1)~式(3),可以得出如下結(jié)論:
(1)由式(1)、式(2)可知,若兩者的擴(kuò)頻增益相等且信息傳輸速率也相等,即Gp=(Gp)d,Rb=Rbd,則有Bssd=Bss/m。由此可見,多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)適合用于帶寬受限的系統(tǒng),多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)在帶寬資源日益緊張的現(xiàn)狀下顯得尤為重要。
(2)由式(1)、式(3)可知,若兩者的擴(kuò)頻增益相等且信息傳輸速率也相等,即Gp=(Gp)c,Rb=Rbc,則有Bssd=Bss/NCIM。由此可見,碼索引調(diào)制系統(tǒng)仍然適合用于帶寬受限的系統(tǒng),一般情況下NCIM>m。因此碼索引調(diào)制適合于帶寬更低的系統(tǒng)。
(3)由式(2)、式(3)可知,若兩者的擴(kuò)頻增益相等且信息傳輸速率也相等,即(Gp)d=(Gp)c,Rbd=Rbc,則有Bssd=一般情況下
因此碼索引調(diào)制系統(tǒng)比多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)適合帶寬更低的系統(tǒng)。
3 復(fù)雜度分析
本節(jié)將對(duì)碼索引調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜度的分析對(duì)比,為了便于兩者之間的比較,假設(shè)兩種擴(kuò)頻系統(tǒng)的頻譜效率相同,且頻譜效率都為N,多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的PN碼個(gè)數(shù)為Nt,且滿足Nt=2N。通過比較傳輸Ns位信息比特所進(jìn)行的擴(kuò)頻解擴(kuò)次數(shù)來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的復(fù)雜度,碼索引調(diào)制系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)調(diào)制符號(hào)需要進(jìn)行兩次擴(kuò)頻運(yùn)算和解擴(kuò)運(yùn)算。其中M代表的是碼索引調(diào)制的階數(shù),多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)需要進(jìn)行一次擴(kuò)頻運(yùn)算和Nt次解擴(kuò)運(yùn)算,因此,當(dāng)兩種擴(kuò)頻系統(tǒng)在發(fā)送端都發(fā)送Ns位信息比特時(shí),它們的關(guān)系表達(dá)式如表1所示。
從表1可以看出,在頻譜效率相同時(shí),要比較這兩種擴(kuò)頻技術(shù)的復(fù)雜度還要取決于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)中擴(kuò)頻碼的個(gè)數(shù)和碼索引調(diào)制系統(tǒng)的調(diào)制階數(shù),也就是說,只有知道了Nt和M,才能得出碼索引和多進(jìn)制的擴(kuò)頻解擴(kuò)運(yùn)算次數(shù),從而比較這兩者的復(fù)雜度。
4 仿真結(jié)果
本節(jié)采用MATLAB仿真驗(yàn)證多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)和碼索引調(diào)制系統(tǒng)。仿真的時(shí)候采用等效基帶的方法,仿真環(huán)境為加性高斯白噪聲(AWGN)信道,每個(gè)信噪比下的仿真符號(hào)數(shù)為105,擴(kuò)頻碼采用的是碼長(zhǎng)L=64的Walsh碼。本節(jié)仿真了不同配置下的碼索引調(diào)制系統(tǒng)、相同頻譜效率下的碼索引調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤比特率對(duì)比、相同索引資源的碼索引調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤比特率對(duì)比,還仿真了碼索引調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)加上干擾信號(hào)的性能。仿真的主要參數(shù)在仿真圖上有列出,每條曲線標(biāo)注從左到右依次是方案名稱(如CIM)、擴(kuò)頻碼個(gè)數(shù)(如2pn、4pn)、基帶調(diào)制階數(shù)(如4psk、8psk)。下面提到的傳輸比特均為每一傳輸時(shí)隙的傳輸比特,也就是每個(gè)符號(hào)的比特?cái)?shù)。
圖3的仿真是采用碼長(zhǎng)L=64的Walsh函數(shù),是不同配置的碼索引調(diào)制系統(tǒng)的誤比特率曲線。從曲線②和③可以看出,這兩者使用相同的PN碼個(gè)數(shù),采用不同的調(diào)制階數(shù),曲線③只比曲線②在每個(gè)傳輸時(shí)隙多傳1個(gè)信息比特,但曲線②的性能卻好了約4 dB。再比較曲線①、③可知,相同的調(diào)制階數(shù),不同的PN碼個(gè)數(shù),曲線③的性能卻好于曲線①大約1 dB左右。因此在CIM系統(tǒng)中,增加調(diào)制階數(shù)會(huì)使性能下降,增加擴(kuò)頻碼個(gè)數(shù)會(huì)增強(qiáng)抗干擾能力。
圖4的仿真是采用碼長(zhǎng)L=64的Walsh的函數(shù),是碼索引調(diào)制與多進(jìn)制擴(kuò)頻性能對(duì)比的誤比特率曲線。曲線①和③具有相同的頻譜效率,從曲線可以看出,多進(jìn)制擴(kuò)頻性能好于碼索引調(diào)制2 dB左右;曲線①和④具有相同的索引資源,從曲線可以看出,碼索引調(diào)制性能好于多進(jìn)制擴(kuò)頻1 dB左右;曲線②和⑤具有相同的頻譜效率,從曲線可以看出,多進(jìn)制擴(kuò)頻的性能遠(yuǎn)優(yōu)于碼索引調(diào)制,這是因?yàn)闉榱吮WC相同的頻譜效率,碼索引調(diào)制只有增大調(diào)制階數(shù),所以性能會(huì)比多進(jìn)制擴(kuò)頻差。再根據(jù)曲線②和⑥來(lái)看,此時(shí)兩種擴(kuò)頻技術(shù)具有相同的索引資源,碼索引調(diào)制的性能好于多進(jìn)制擴(kuò)頻大約0.5 dB。由此可以得出,相同頻譜效率時(shí),多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能好于碼索引調(diào)制系統(tǒng),索引資源相同時(shí),碼索引調(diào)制系統(tǒng)的性能好于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng),且索引資源相同時(shí),碼索引調(diào)制系統(tǒng)的頻譜效率高出多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)一倍多。
圖5的仿真是采用碼長(zhǎng)L=64的Walsh函數(shù),是碼索引調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)分別加上干擾信號(hào)的仿真。干擾信號(hào)是正交幅度調(diào)制(QAM),其中r1是8QAM,r2是4QAM。有用信號(hào)的功率與干擾信號(hào)的功率之比稱為信干比,曲線①和③的信干比為7.27 dB,從曲線可以看出,相同的信干比條件下,碼索引調(diào)制系統(tǒng)的抗干擾性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。曲線②和④的信干比為4.27 dB,從曲線依然可以看出,相同信干比條件下的碼索引調(diào)制系統(tǒng)的抗干擾性能遠(yuǎn)好于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。不僅如此,碼索引調(diào)制系統(tǒng)的頻譜效率是多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的3倍,根據(jù)圖3和圖4可以看出,PN碼個(gè)數(shù)越多,這兩種擴(kuò)頻系統(tǒng)性能也就越好,但系統(tǒng)復(fù)雜度也會(huì)隨之增大。從圖5可以看出,加上干擾信號(hào)后,在相同信干比情況下碼索引調(diào)制系統(tǒng)的抗干擾能力要強(qiáng)于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文比較了碼索引調(diào)制技術(shù)和多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù),這兩種擴(kuò)頻技術(shù)都是基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)發(fā)展而來(lái)的。多進(jìn)制擴(kuò)頻是很早就已提出來(lái)的擴(kuò)頻技術(shù),而碼索引調(diào)制技術(shù)是最近兩年才由國(guó)外的學(xué)者提出的。本文闡述了碼索引調(diào)制系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的基本模型,分析了這兩種擴(kuò)頻技術(shù)的擴(kuò)頻增益和復(fù)雜度,并仿真驗(yàn)證了誤比特率性能。分析和數(shù)值結(jié)果表明,碼索引調(diào)制系統(tǒng)模型比多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)更復(fù)雜,但是碼索引調(diào)制系統(tǒng)頻譜效率更高,抗干擾能力更強(qiáng)。在頻譜效率相同時(shí),復(fù)雜度還要根據(jù)不同的參數(shù)配置來(lái)確定。仿真結(jié)果表明,這兩種擴(kuò)頻技術(shù)都是隨著擴(kuò)頻碼的增多,性能越來(lái)越好。在實(shí)際工程中還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性,會(huì)均衡考慮擴(kuò)頻碼的個(gè)數(shù)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
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作者信息:
馮 勝1,江治林1,楊 勤2,鄭 鶴2,葛利嘉3
(1.重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400065;
2.陸軍工程大學(xué)通信士官學(xué)校,重慶400035;3.重慶臨菲電子科技有限公司,重慶400041)