基于ＳＰＷ的流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)建模與仿真

摘要：

SPW具有豐富的通信庫(kù)和DSP庫(kù)，且具有靈活的自定義模塊能力，是一種復(fù)雜通信系統(tǒng)建模和仿真工具。流星余跡通信是一種特殊的通信方式，在通信領(lǐng)域中具有特殊的重要地位。介紹了流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)，給出了基于SPW的流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)仿真模型及仿真結(jié)果。

關(guān)鍵詞：信號(hào)處理工作系統(tǒng)； 流星余跡通信； 極低信噪比； 建模； 仿真

中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2007)11-0250-03

流星突發(fā)通信，也稱流星余跡通信，是一種利用宇宙空間中的流星進(jìn)入大氣層摩擦燃燒而產(chǎn)生的電離余跡對(duì)超短波（very high frequency，VHF）電波信號(hào)進(jìn)行反射和散射，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的一種無(wú)線通信方式[1，2]。它是一種受到物理或電子干擾時(shí)的有效通信保障手段。當(dāng)常規(guī)的通信方式受到諸如電子干擾、地震、海嘯及核爆炸等影響而失效時(shí)，突發(fā)通信在這關(guān)鍵時(shí)刻將能發(fā)揮通信保障作用，因此其在通信領(lǐng)域中具有特殊的重要地位。

流星余跡通信是一種間歇式通信，一次信息的傳輸?shù)较乱淮涡畔⒌膫鬏斝枰欢ǖ牡却龝r(shí)間。為了彌補(bǔ)流星間隙通信的缺陷，筆者利用微弱流星余跡信道進(jìn)行通信，即極低信噪比條件下的流星余跡通信作為間歇式流星余跡高速通信的補(bǔ)充。

在通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用先進(jìn)的仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)建模和仿真，已經(jīng)成為復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。隨著流星余跡通信系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，在整個(gè)流星余跡通信設(shè)計(jì)流程中，系統(tǒng)的建模與仿真越來(lái)越具有非常重要的作用，成為設(shè)計(jì)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。然而傳統(tǒng)的仿真軟件由于建模功能弱、可重用性差、仿真效率低下等因素?zé)o法滿足復(fù)雜的流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)的建模與仿真，因此引入了SPW。SPW是一個(gè)基于模塊化的，可完成通信系統(tǒng)建模、算法驗(yàn)證的系統(tǒng)仿真工具。其優(yōu)點(diǎn)為具有優(yōu)秀的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力、豐富的可調(diào)用模塊、方便的用戶自建模塊功能、強(qiáng)大的信號(hào)分析工具等。本文在分析流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用SPW模塊流程圖的形式來(lái)完成通信系統(tǒng)的建模；在SPW的模塊編輯器(BDE)中從豐富的基本庫(kù)中調(diào)用基本功能模塊和自己編寫的C/C++代碼封裝成的具有可控參數(shù)的模塊來(lái)描述系統(tǒng)；最后通過(guò)系統(tǒng)仿真器和信號(hào)分析平臺(tái)對(duì)已建立的模型進(jìn)行仿真與分析。結(jié)果證明了理論分析的正確性和技術(shù)方案的可行性。

1流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)

在極低信噪比條件下的流星余跡通信中，噪聲功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有用信號(hào)功率。為了保障低誤碼性能的有效數(shù)據(jù)傳輸，可以采用長(zhǎng)擴(kuò)頻序列的自適應(yīng)信號(hào)傳輸技術(shù)[3]。

通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)中選取多進(jìn)制擴(kuò)頻序列[4~6]，采用m序列和Walsh序列異或的序列。在M進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)中，發(fā)送信號(hào)m(t)通過(guò)二進(jìn)制到M進(jìn)制的串并轉(zhuǎn)換，然后與長(zhǎng)為N的偽隨機(jī)碼集相映射，每個(gè)碼字傳輸k=log2M比特信息，因此每個(gè)擴(kuò)頻碼均對(duì)應(yīng)于k個(gè)信息比特。發(fā)送信號(hào)表示為

s(t)=∑ng(t-nTchip)cos(θn)cos(wct+φn)-

∑ng(t-nTchip)sin(θn)sin(wct+φn)(1)

在無(wú)噪聲的情況下，收發(fā)信機(jī)載波相位不一致會(huì)引起載波的相位偏移和頻率偏移。接收信號(hào)下，變頻和低通濾波后的信號(hào)可以表示為

r′(t)=∑ng(t-nTchip)ejθnej(2πΔfnTchip+φ)

(2)

其中：Δf為頻率偏移；φ為相位偏移。

由于極低信噪比條件下，所選擴(kuò)頻序列長(zhǎng)度較長(zhǎng)，同步檢測(cè)后的反饋延遲長(zhǎng)，傳統(tǒng)的鎖相環(huán)同步技術(shù)無(wú)法直接用于極低信噪比通信中。通常采用的方法是利用FFT對(duì)擴(kuò)頻相關(guān)序列進(jìn)行頻域信號(hào)處理，估計(jì)載波同步誤差，并對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償[7~10]。本文利用迭代的方法，對(duì)采用長(zhǎng)擴(kuò)頻的導(dǎo)頻序列信號(hào)進(jìn)行載波頻率偏移的估計(jì)，使頻率偏移估計(jì)值Δf′盡可能地接近實(shí)際頻偏Δf。捕獲與迭代跟蹤框圖如圖2所示。

當(dāng)本地?cái)U(kuò)頻碼與接收信號(hào)中的擴(kuò)頻碼相關(guān)，然后FFT得

Y(k)=FFT[ql(n)qi(n)ej(2πΔfnTchip+φ)](3)

當(dāng)qi(n)與本地序列ql(n)不相同時(shí)，F(xiàn)FT運(yùn)算得不到突出的譜峰；當(dāng)qi(n)與本地序列ql(n)相同時(shí)，ql(n)qi(n)=1，代入式(3)得

Y(k)=FFT[ej(2πΔfnTchip+φ)]=

∑N-1n=0e-j2πn(k-ΔfNTchip)/N+jφ(4)

此時(shí)可以得到一個(gè)突出的譜峰。式（4）得到的是離散頻率值。但由于FFT的柵欄效應(yīng)，信號(hào)的實(shí)際頻偏位于兩條譜線之間。設(shè)x′為捕獲時(shí)譜峰的偏離位置， μ為譜峰偏離位置的估計(jì)偏差，可將峰值表示為

P=|Y(x′)|=|ejφe-j(N-1)πμ/N[sin πμ/（sin πμ/N）]|(5)

由式(5)可知，為了使P趨于最大值，即要盡量減少|(zhì)μ|。通過(guò)比較x′-1點(diǎn)和x′+1點(diǎn)的譜峰幅度，可以確定譜峰偏離位置的估計(jì)偏差μ的偏離方向。當(dāng)|Y(x′+1)|＜|Y(x′-1)|時(shí)γ=-1；當(dāng)|Y(x′+1)|＞|Y(x′-1)|時(shí)γ=1，即有迭代過(guò)程：

P1=|∑N-1n=0e-j2πnμ/N×J1|=|∑N-1n=0e-j2πn(μ+γα)/N|

P2=|∑N-1n=0e-j2πnμ/N×J2|=|∑N-1n=0e-j2πn(μ+2γα)/N|(6)



Pn=|∑N-1n=0e-j2πnμ/N×Jn|=|∑N-1n=0e-j2πn(μ+nγα)/N|

其中：J=e-j2π(γα)/(NTchip)。通過(guò)迭代得到ΔJ=(rnα)/(NTchip)。運(yùn)用ΔJ對(duì)接收的數(shù)據(jù)信號(hào)頻偏補(bǔ)償，即有

r″(t)=r′(t)e-j(2πΔJt)(7)

使峰值逼近最大值。在多進(jìn)制判決中通過(guò)r″(t)與M個(gè)本地序列作相關(guān)FFT，對(duì)譜峰進(jìn)行擇大判決，得到最終的信息序列。

2SPW中流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)多層次建模

多層次模塊的建立就是按照層次結(jié)構(gòu)建模的概念，即高層模塊由低層模塊組成，而底層模塊可從基本庫(kù)中調(diào)用，也可以調(diào)用自己編寫的模塊。這種方法是直接利用已有的模塊，而無(wú)須關(guān)心其具體的實(shí)現(xiàn)情況，只需根據(jù)它們的基本功能通過(guò)參數(shù)的設(shè)定和輸入/輸出的連接來(lái)開發(fā)新的功能模塊。它是將實(shí)際中復(fù)雜的功能模塊看做由一些基本功能模塊以某種方式的組合，使建模相對(duì)簡(jiǎn)化，從而在較短的時(shí)間內(nèi)有效地完成開發(fā)模塊的工作。

設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)的多層次建模分為兩步：

a)邏輯詳細(xì)設(shè)計(jì)。結(jié)合系統(tǒng)的原理和SPW軟件的特點(diǎn)，將系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化，自上而下地設(shè)計(jì)模塊流程圖，將各級(jí)模塊內(nèi)部是怎么實(shí)現(xiàn)的基本確定下來(lái)。完成該步驟后，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)自然就快了，更重要的是可以讓設(shè)計(jì)一直處于可控的狀態(tài)，不會(huì)因某一處的錯(cuò)誤引起整個(gè)設(shè)計(jì)從頭進(jìn)行。

b)具體模型創(chuàng)建。在這個(gè)步驟中是根據(jù)上一步的設(shè)計(jì)，自下而上，從最底層開始創(chuàng)建。它包含對(duì)功能模型參數(shù)編輯和導(dǎo)線連接，設(shè)置可編輯參數(shù)和輸入/輸出接口，封裝成上一層功能模塊，依次向上直至完成頂層模型的創(chuàng)建。

流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)模型如圖3所示。

在SPW的通信庫(kù)中可以分別找到m序列和Walsh序列的生成模塊。然而其無(wú)法滿足M進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)于二進(jìn)制發(fā)送信號(hào)映射為M進(jìn)制N長(zhǎng)PN碼的要求。而系統(tǒng)中使用的PN碼是將m序列均勻分段，再用Walsh碼模2加每一段，得到的一種新的偽隨機(jī)碼。鑒于其復(fù)雜性，利用SPW的自定義模塊功能創(chuàng)建用戶編碼模塊(custom－coded blocks)。由于M進(jìn)制正交擴(kuò)頻系統(tǒng)是將發(fā)送信號(hào)映射為M進(jìn)制N長(zhǎng)的PN碼，此設(shè)計(jì)的模塊必須是變速率模塊(multirate custom－coded blocks)。在SPW中通過(guò)創(chuàng)建C模塊、修改C模塊、模塊的編譯和封裝三個(gè)步驟完成M進(jìn)制正交擴(kuò)頻模塊的建立。由自定義的M進(jìn)制正交擴(kuò)頻模塊產(chǎn)生信源，生成每八個(gè)數(shù)據(jù)序列插入一個(gè)導(dǎo)頻序列的數(shù)據(jù)幀。使用從基本通信庫(kù)中調(diào)用的BPSK模塊對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)制并添加頻率頻偏。經(jīng)過(guò)AWGN信道加噪后將導(dǎo)頻序列與數(shù)據(jù)序列分離。將接收到的導(dǎo)頻序列與signal source模塊中預(yù)存的本地導(dǎo)頻序列相關(guān)，使用FFT模塊和max/min find模塊對(duì)相關(guān)后的序列在頻域中找到最大值及其位置；并比較該位置左右峰值的大小，將正弦模塊和余弦模塊產(chǎn)生的序列合并成復(fù)數(shù)J=e-j2π(γα)/(NTchip)，對(duì)相關(guān)序列迭代得到最終頻偏補(bǔ)償值。分離后的數(shù)據(jù)序列組進(jìn)入多進(jìn)制判決模塊。為了得到補(bǔ)償前數(shù)據(jù)誤比特率，將數(shù)據(jù)序列同時(shí)通過(guò)頻偏補(bǔ)償?shù)亩噙M(jìn)制判決模塊和未補(bǔ)償?shù)亩噙M(jìn)制判決模塊。多進(jìn)制判決是將接收到的數(shù)據(jù)序列分別與M個(gè)signal source模塊中預(yù)存的本地?cái)?shù)據(jù)序列相關(guān)FFT得到的M個(gè)標(biāo)量峰值合并成M長(zhǎng)的矢量峰值，用max/min find模塊擇大判決得出最終結(jié)果。最后調(diào)用檢測(cè)誤比特率的模塊統(tǒng)計(jì)得到補(bǔ)償前后的誤比特率(BER)。將噪聲能量和添加的頻偏設(shè)成可編輯參數(shù)，便于仿真時(shí)使用掃點(diǎn)(sweep)的方式改變參數(shù)，無(wú)須手動(dòng)調(diào)整，以節(jié)省仿真時(shí)間。

3仿真結(jié)果與分析

模塊生成后，利用SPW強(qiáng)大的系統(tǒng)仿真和信號(hào)分析能力，本文對(duì)流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)在不同情況下仿真了誤比特率和信噪比的關(guān)系。仿真參數(shù)如下：偽碼碼元數(shù)N=2 048，M=8，碼元寬度Tchip=1/32 000 s。

仿真結(jié)果如圖4所示，在理想情況下，即無(wú)頻偏和頻偏為頻率分辨率的整數(shù)倍時(shí)，-18 dB以上的信噪比條件下，誤比特率低于10-6；當(dāng)頻偏不為理想情況時(shí)，補(bǔ)償后系統(tǒng)誤比特率性能接近理想情況，比補(bǔ)償前的系統(tǒng)誤比特率性能有明顯的提高；當(dāng)頻偏為8 Hz時(shí)，補(bǔ)償后比補(bǔ)償前的系統(tǒng)誤比特率性能提高了2 dB。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)將流星余跡極低信噪比通信系統(tǒng)在SPW中建模與仿真，在較短的設(shè)計(jì)和仿真周期中，驗(yàn)證了用迭代方式對(duì)采用長(zhǎng)擴(kuò)頻的導(dǎo)頻序列信號(hào)進(jìn)行載波頻率偏移的估計(jì)和補(bǔ)償，能有效提高在頻偏情況下系統(tǒng)的接收性能，其優(yōu)于傳統(tǒng)未糾頻偏或粗劣糾頻偏方法。因此，基于SPW平臺(tái)的流星余跡通信這種復(fù)雜通信系統(tǒng)的建模與仿真有著廣泛的應(yīng)用前景。

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