直接序列擴頻的分層級聯(lián)隨機共振接的問(wèn)題和方式論文
引言
傳統通信中，直接序列擴頻體制的通信方式憑借其優(yōu)異的抗干擾能力，廣泛地被應用于各種通信系統中。當較弱的直接序列擴頻信號傳輸于較為惡劣的通信環(huán)境中，面臨著(zhù)需要的序列長(cháng)度長(cháng)、物理層同步時(shí)延大等現實(shí)問(wèn)題。如何實(shí)現弱信號高增益解調是本領(lǐng)域持續關(guān)注的難點(diǎn)問(wèn)題。
隨機共振為非線(xiàn)性物理現象，是當激勵信號、噪聲和非線(xiàn)性系統符合一定條件時(shí)，噪聲逐步減弱、激勵信號通過(guò)非線(xiàn)性系統后得到增強的現象[1]。其具有將噪聲能量轉化為信號能量的能力，為通信信號降噪處理提供了新的思路[2]。后文將重點(diǎn)討論隨機共振理論應用于解決直接序列擴頻通信中的弱信號接收問(wèn)題。
現有隨機共振理論[3-4]大多討論脈沖調制信號和窄帶信號的檢測，這類(lèi)信號構成較為單一，通常為單頻正弦信號形或方波信號。當接收到的直接序列擴頻信號包含有載波信號、基帶擴頻序列以及信道噪聲時(shí)，信號構成較為復雜。如果直接應用隨機共振方法，隨機共振過(guò)程很難穩定、持續地進(jìn)行，會(huì )導致共振失諧、解調信號質(zhì)量惡化的效果[7]。針對此問(wèn)題，一類(lèi)研究重點(diǎn)討論隨機共振系統的參數設置，例如文獻[5-6]通過(guò)設計隨機共振門(mén)限提升共振效果，文獻[8]通過(guò)設計自適應的參數調整過(guò)程，保證了隨機共振過(guò)程順利進(jìn)行；另外一類(lèi)則通過(guò)多個(gè)雙穩態(tài)隨機共振系統共同提高信號檢測效率，避免了煩瑣的參數設置過(guò)程，例如文獻[9]通過(guò)多個(gè)系統合作進(jìn)行聯(lián)合檢測，文獻[10]則構建了隨機共振系統陣列分別檢測不同形式的信號。通過(guò)現有文獻可知，在解調直接序列擴頻信號的同時(shí)，降低隨機共振系統的參數設置復雜度并縮小系統規模是設計的難點(diǎn)。
本文提出一種直接序列擴頻信號的分層級聯(lián)雙穩態(tài)隨機共振接收算法，該算法針對載波解調和序列解擴過(guò)程分別設計兩層級聯(lián)隨機共振過(guò)程。經(jīng)過(guò)第一層級聯(lián)隨機共振過(guò)程后，正弦載波被寬帶化為方波信號，并與本地方波信號進(jìn)行相關(guān)實(shí)現下變頻運算；經(jīng)過(guò)第二層級聯(lián)隨機共振過(guò)程后，下變頻過(guò)程殘留在擴頻序列中的噪聲進(jìn)一步轉化成信號能量，使解擴增益提高。算法避免了煩瑣的參數設計，并通過(guò)隨機共振的反復迭代縮小了系統規模。
1 算法設計
1.1 分層級聯(lián)隨機共振算法
直接序列擴頻的分層級聯(lián)隨機共振接收系統流程如圖1所示，共分為兩層隨機共振階段，第一階段是接收的中頻信號直接輸入到隨機共振系統1中，經(jīng)過(guò)幾次自環(huán)式的級聯(lián)過(guò)程后，與本地信號2進(jìn)行相關(guān)運算去掉載波；第二階段是隨機共振系統1的輸出基帶信號進(jìn)入到隨機共振2，再次經(jīng)過(guò)幾次自環(huán)式的級聯(lián)過(guò)程后與本地解擴序列相關(guān)運算后輸出解擴信號。
因此，在算法實(shí)現過(guò)程中，首先根據特定頻率的窄帶信號設置隨機共振的參數a、b，當接收信號的頻率升高（或降低）時(shí)，依照定理中描述的比例提高（或降低）采樣頻率，就可在同一隨機共振系統下接收不同頻率的信號。
2 算法增益分析
分層級聯(lián)隨機共振算法的主要增益來(lái)源于3個(gè)部分：
1）級聯(lián)的隨機共振本身會(huì )將載波中包含的噪聲能量轉化為信號能量；
2）信號經(jīng)過(guò)隨機共振處理后會(huì )發(fā)生低頻展寬，此時(shí)與本地的方波進(jìn)行相關(guān)運算可獲得高于本地為正弦波相關(guān)運算的增益；
3）第二層隨機共振系統將基帶信號中的噪聲能量轉化為信號能量從而提高處理增益。
2.1 第一層隨機共振系統增益
繼續采用圖2的仿真參數驗證分層級聯(lián)隨機共振系統的性能。選取正弦波信號頻率為100MHz，擴頻序列周期為64比特，接收信號的信噪比分布范圍為-5dB至2dB。圖3為第一層級聯(lián)隨機共振系統的輸出信號增益隨信噪比不同而變化的性能曲線(xiàn)，增益計算的具體描述見(jiàn)2.1節。圖中最下面的曲線(xiàn)是接收系統中未采用級聯(lián)隨機共振處理方式時(shí)的輸出信號增益，可以看出其變化過(guò)程與輸入信號的信噪比成線(xiàn)性關(guān)系。當引入1級級聯(lián)隨機共振后，平均增益得到約10dB的提高；當引入2級級聯(lián)隨機共振后，增益再提高約6dB。隨著(zhù)級聯(lián)次數增多，增益的增幅逐步減小。
圖4是第二層級聯(lián)隨機共振系統的增益性能曲線(xiàn)，增益計算過(guò)程見(jiàn)式（11）。圖4中：橫坐標表示第一層級聯(lián)隨機共振系統的輸入信號信噪比，縱坐標為式（10）所描述的第二級級聯(lián)隨機共振系統的輸出信號增益。從圖4可看出，隨著(zhù)第二層隨機共振系統的級聯(lián)次數逐步增多，在各個(gè)輸入信噪比條件下的增益也不斷提高。級聯(lián)次數從為1增加到2時(shí)，平均處理增益提高5dB左右。隨著(zhù)級聯(lián)次數進(jìn)一步增加，系統的處理增益提高程度下降。當信噪比低于-5dB時(shí)，由于驅動(dòng)信號相對于噪聲太過(guò)微弱。超出了隨機共振系統的處理范圍，系統表現出無(wú)規則的性能曲線(xiàn)。
圖5是直接序列擴頻接收機采用分層級聯(lián)隨機共振的總處理增益。圖中“11級聯(lián)連接方式”是指在圖1的第一層隨機共振系統中級聯(lián)次數為1，且在第二層隨機共振系統中級聯(lián)次數為1。類(lèi)似地，“22級聯(lián)連接方式”是指在圖1的第二層隨機共振系統中級聯(lián)次數為2，且在第二層隨機共振系統中級聯(lián)次數為2。因此級聯(lián)次數越多，依照仿真結果圖3～4可知，其處理增益也越高。這在圖5的仿真結果中得到了證實(shí)，“33級聯(lián)連接方式”的處理增益最高。相對于現有算法（如文獻[1]提出的隨機共振檢測算法），本文提出的分層級聯(lián)隨機共振方法的性能提高至少10dB，多次級聯(lián)后提高20dB以上。進(jìn)一步與傳統的直接序列擴頻信號解調、解擴算法相比，文中提出的方法獲得的增益提高至少22dB。
綜上，直接序列擴頻的分層級聯(lián)隨機共振接收算法可以有效地提高接收機性能：一方面可以通過(guò)改變采樣頻率提高接收機的頻譜適用范圍；另一方面，可以通過(guò)提高兩層級聯(lián)隨機共振系統的級聯(lián)數量獲取更大的接收性能，但隨著(zhù)級聯(lián)次數的增加，運算量開(kāi)銷(xiāo)變大，且增益提高幅度降低。因此可以根據實(shí)際系統的需求選擇合適的級聯(lián)次數。
3 結語(yǔ)
直接序列擴頻通信在目前的數字中具有重要意義。文中提出的分層級聯(lián)隨機共振接收算法通過(guò)在載波下變頻和解擴兩個(gè)階段分別設計級聯(lián)隨機共振系統。其中第一層級聯(lián)隨機共振系統中將載波寬帶化后與本地方波序列相關(guān)計算得到基帶信號；然后通過(guò)第二層級聯(lián)隨機共振系統實(shí)現基帶信號的去噪，并進(jìn)行解擴。理論分析和仿真實(shí)驗結果
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