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      1. 直接序列擴(kuò)頻的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振接的問(wèn)題和方式論文

        時(shí)間:2022-12-16 07:48:35 其他類(lèi)論文 我要投稿
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        直接序列擴(kuò)頻的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振接的問(wèn)題和方式論文

          引言

        直接序列擴(kuò)頻的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振接的問(wèn)題和方式論文

          傳統(tǒng)通信中,直接序列擴(kuò)頻體制的通信方式憑借其優(yōu)異的抗干擾能力,廣泛地被應(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。當(dāng)較弱的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)傳輸于較為惡劣的通信環(huán)境中,面臨著需要的序列長(zhǎng)度長(zhǎng)、物理層同步時(shí)延大等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。如何實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)高增益解調(diào)是本領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的難點(diǎn)問(wèn)題。

          隨機(jī)共振為非線(xiàn)性物理現(xiàn)象,是當(dāng)激勵(lì)信號(hào)、噪聲和非線(xiàn)性系統(tǒng)符合一定條件時(shí),噪聲逐步減弱、激勵(lì)信號(hào)通過(guò)非線(xiàn)性系統(tǒng)后得到增強(qiáng)的現(xiàn)象[1]。其具有將噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)能量的能力,為通信信號(hào)降噪處理提供了新的思路[2]。后文將重點(diǎn)討論隨機(jī)共振理論應(yīng)用于解決直接序列擴(kuò)頻通信中的弱信號(hào)接收問(wèn)題。

          現(xiàn)有隨機(jī)共振理論[3-4]大多討論脈沖調(diào)制信號(hào)和窄帶信號(hào)的檢測(cè),這類(lèi)信號(hào)構(gòu)成較為單一,通常為單頻正弦信號(hào)形或方波信號(hào)。當(dāng)接收到的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)包含有載波信號(hào)、基帶擴(kuò)頻序列以及信道噪聲時(shí),信號(hào)構(gòu)成較為復(fù)雜。如果直接應(yīng)用隨機(jī)共振方法,隨機(jī)共振過(guò)程很難穩(wěn)定、持續(xù)地進(jìn)行,會(huì)導(dǎo)致共振失諧、解調(diào)信號(hào)質(zhì)量惡化的效果[7]。針對(duì)此問(wèn)題,一類(lèi)研究重點(diǎn)討論隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置,例如文獻(xiàn)[5-6]通過(guò)設(shè)計(jì)隨機(jī)共振門(mén)限提升共振效果,文獻(xiàn)[8]通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)的參數(shù)調(diào)整過(guò)程,保證了隨機(jī)共振過(guò)程順利進(jìn)行;另外一類(lèi)則通過(guò)多個(gè)雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振系統(tǒng)共同提高信號(hào)檢測(cè)效率,避免了煩瑣的參數(shù)設(shè)置過(guò)程,例如文獻(xiàn)[9]通過(guò)多個(gè)系統(tǒng)合作進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè),文獻(xiàn)[10]則構(gòu)建了隨機(jī)共振系統(tǒng)陣列分別檢測(cè)不同形式的信號(hào)。通過(guò)現(xiàn)有文獻(xiàn)可知,在解調(diào)直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的同時(shí),降低隨機(jī)共振系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置復(fù)雜度并縮小系統(tǒng)規(guī)模是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

          本文提出一種直接序列擴(kuò)頻信號(hào)的分層級(jí)聯(lián)雙穩(wěn)態(tài)隨機(jī)共振接收算法,該算法針對(duì)載波解調(diào)和序列解擴(kuò)過(guò)程分別設(shè)計(jì)兩層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振過(guò)程。經(jīng)過(guò)第一層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振過(guò)程后,正弦載波被寬帶化為方波信號(hào),并與本地方波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)實(shí)現(xiàn)下變頻運(yùn)算;經(jīng)過(guò)第二層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振過(guò)程后,下變頻過(guò)程殘留在擴(kuò)頻序列中的噪聲進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成信號(hào)能量,使解擴(kuò)增益提高。算法避免了煩瑣的參數(shù)設(shè)計(jì),并通過(guò)隨機(jī)共振的反復(fù)迭代縮小了系統(tǒng)規(guī)模。

          1 算法設(shè)計(jì)

          1.1 分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振算法

          直接序列擴(kuò)頻的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振接收系統(tǒng)流程如圖1所示,共分為兩層隨機(jī)共振階段,第一階段是接收的中頻信號(hào)直接輸入到隨機(jī)共振系統(tǒng)1中,經(jīng)過(guò)幾次自環(huán)式的級(jí)聯(lián)過(guò)程后,與本地信號(hào)2進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算去掉載波;第二階段是隨機(jī)共振系統(tǒng)1的輸出基帶信號(hào)進(jìn)入到隨機(jī)共振2,再次經(jīng)過(guò)幾次自環(huán)式的級(jí)聯(lián)過(guò)程后與本地解擴(kuò)序列相關(guān)運(yùn)算后輸出解擴(kuò)信號(hào)。

          因此,在算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,首先根據(jù)特定頻率的窄帶信號(hào)設(shè)置隨機(jī)共振的參數(shù)a、b,當(dāng)接收信號(hào)的頻率升高(或降低)時(shí),依照定理中描述的比例提高(或降低)采樣頻率,就可在同一隨機(jī)共振系統(tǒng)下接收不同頻率的信號(hào)。

          2 算法增益分析

          分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振算法的主要增益來(lái)源于3個(gè)部分:

          1)級(jí)聯(lián)的隨機(jī)共振本身會(huì)將載波中包含的噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)能量;

          2)信號(hào)經(jīng)過(guò)隨機(jī)共振處理后會(huì)發(fā)生低頻展寬,此時(shí)與本地的方波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算可獲得高于本地為正弦波相關(guān)運(yùn)算的增益;

          3)第二層隨機(jī)共振系統(tǒng)將基帶信號(hào)中的噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號(hào)能量從而提高處理增益。

          2.1 第一層隨機(jī)共振系統(tǒng)增益

          繼續(xù)采用圖2的仿真參數(shù)驗(yàn)證分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的性能。選取正弦波信號(hào)頻率為100MHz,擴(kuò)頻序列周期為64比特,接收信號(hào)的信噪比分布范圍為-5dB至2dB。圖3為第一層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出信號(hào)增益隨信噪比不同而變化的性能曲線(xiàn),增益計(jì)算的具體描述見(jiàn)2.1節(jié)。圖中最下面的曲線(xiàn)是接收系統(tǒng)中未采用級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振處理方式時(shí)的輸出信號(hào)增益,可以看出其變化過(guò)程與輸入信號(hào)的信噪比成線(xiàn)性關(guān)系。當(dāng)引入1級(jí)級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振后,平均增益得到約10dB的提高;當(dāng)引入2級(jí)級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振后,增益再提高約6dB。隨著級(jí)聯(lián)次數(shù)增多,增益的增幅逐步減小。

          圖4是第二層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的增益性能曲線(xiàn),增益計(jì)算過(guò)程見(jiàn)式(11)。圖4中:橫坐標(biāo)表示第一層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸入信號(hào)信噪比,縱坐標(biāo)為式(10)所描述的第二級(jí)級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的輸出信號(hào)增益。從圖4可看出,隨著第二層隨機(jī)共振系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)次數(shù)逐步增多,在各個(gè)輸入信噪比條件下的增益也不斷提高。級(jí)聯(lián)次數(shù)從為1增加到2時(shí),平均處理增益提高5dB左右。隨著級(jí)聯(lián)次數(shù)進(jìn)一步增加,系統(tǒng)的處理增益提高程度下降。當(dāng)信噪比低于-5dB時(shí),由于驅(qū)動(dòng)信號(hào)相對(duì)于噪聲太過(guò)微弱。超出了隨機(jī)共振系統(tǒng)的處理范圍,系統(tǒng)表現(xiàn)出無(wú)規(guī)則的性能曲線(xiàn)。

          圖5是直接序列擴(kuò)頻接收機(jī)采用分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振的總處理增益。圖中“11級(jí)聯(lián)連接方式”是指在圖1的第一層隨機(jī)共振系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)次數(shù)為1,且在第二層隨機(jī)共振系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)次數(shù)為1。類(lèi)似地,“22級(jí)聯(lián)連接方式”是指在圖1的第二層隨機(jī)共振系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)次數(shù)為2,且在第二層隨機(jī)共振系統(tǒng)中級(jí)聯(lián)次數(shù)為2。因此級(jí)聯(lián)次數(shù)越多,依照仿真結(jié)果圖3~4可知,其處理增益也越高。這在圖5的仿真結(jié)果中得到了證實(shí),“33級(jí)聯(lián)連接方式”的處理增益最高。相對(duì)于現(xiàn)有算法(如文獻(xiàn)[1]提出的隨機(jī)共振檢測(cè)算法),本文提出的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振方法的性能提高至少10dB,多次級(jí)聯(lián)后提高20dB以上。進(jìn)一步與傳統(tǒng)的直接序列擴(kuò)頻信號(hào)解調(diào)、解擴(kuò)算法相比,文中提出的方法獲得的增益提高至少22dB。

          綜上,直接序列擴(kuò)頻的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振接收算法可以有效地提高接收機(jī)性能:一方面可以通過(guò)改變采樣頻率提高接收機(jī)的頻譜適用范圍;另一方面,可以通過(guò)提高兩層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)數(shù)量獲取更大的接收性能,但隨著級(jí)聯(lián)次數(shù)的增加,運(yùn)算量開(kāi)銷(xiāo)變大,且增益提高幅度降低。因此可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的需求選擇合適的級(jí)聯(lián)次數(shù)。

          3 結(jié)語(yǔ)

          直接序列擴(kuò)頻通信在目前的數(shù)字中具有重要意義。文中提出的分層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振接收算法通過(guò)在載波下變頻和解擴(kuò)兩個(gè)階段分別設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)。其中第一層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)中將載波寬帶化后與本地方波序列相關(guān)計(jì)算得到基帶信號(hào);然后通過(guò)第二層級(jí)聯(lián)隨機(jī)共振系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)的去噪,并進(jìn)行解擴(kuò)。理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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