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直接序列擴頻的分層級聯(lián)隨機共振接的問題和方式論文
引言
傳統(tǒng)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(yīng)用于各種通信系統(tǒng)中。當(dāng)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，面臨著需要的序列長度長、物理層同步時延大等現(xiàn)實問題。如何實現(xiàn)弱信號高增益解調(diào)是本領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的難點問題。
隨機共振為非線性物理現(xiàn)象，是當(dāng)激勵信號、噪聲和非線性系統(tǒng)符合一定條件時，噪聲逐步減弱、激勵信號通過非線性系統(tǒng)后得到增強的現(xiàn)象[1]。其具有將噪聲能量轉(zhuǎn)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]。后文將重點討論隨機共振理論應(yīng)用于解決直接序列擴頻通信中的弱信號接收問題。
現(xiàn)有隨機共振理論[3-4]大多討論脈沖調(diào)制信號和窄帶信號的檢測，這類信號構(gòu)成較為單一，通常為單頻正弦信號形或方波信號。當(dāng)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，信號構(gòu)成較為復(fù)雜。如果直接應(yīng)用隨機共振方法，隨機共振過程很難穩(wěn)定、持續(xù)地進行，會導(dǎo)致共振失諧、解調(diào)信號質(zhì)量惡化的效果[7]。針對此問題，一類研究重點討論隨機共振系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置，例如文獻(xiàn)[5-6]通過設(shè)計隨機共振門限提升共振效果，文獻(xiàn)[8]通過設(shè)計自適應(yīng)的參數(shù)調(diào)整過程，保證了隨機共振過程順利進行；另外一類則通過多個雙穩(wěn)態(tài)隨機共振系統(tǒng)共同提高信號檢測效率，避免了煩瑣的參數(shù)設(shè)置過程，例如文獻(xiàn)[9]通過多個系統(tǒng)合作進行聯(lián)合檢測，文獻(xiàn)[10]則構(gòu)建了隨機共振系統(tǒng)陣列分別檢測不同形式的信號。通過現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，在解調(diào)直接序列擴頻信號的同時，降低隨機共振系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置復(fù)雜度并縮小系統(tǒng)規(guī)模是設(shè)計的難點。
本文提出一種直接序列擴頻信號的分層級聯(lián)雙穩(wěn)態(tài)隨機共振接收算法，該算法針對載波解調(diào)和序列解擴過程分別設(shè)計兩層級聯(lián)隨機共振過程。經(jīng)過第一層級聯(lián)隨機共振過程后，正弦載波被寬帶化為方波信號，并與本地方波信號進行相關(guān)實現(xiàn)下變頻運算；經(jīng)過第二層級聯(lián)隨機共振過程后，下變頻過程殘留在擴頻序列中的噪聲進一步轉(zhuǎn)化成信號能量，使解擴增益提高。算法避免了煩瑣的參數(shù)設(shè)計，并通過隨機共振的反復(fù)迭代縮小了系統(tǒng)規(guī)模。
1 算法設(shè)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(tǒng)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(tǒng)1中，經(jīng)過幾次自環(huán)式的級聯(lián)過程后，與本地信號2進行相關(guān)運算去掉載波；第二階段是隨機共振系統(tǒng)1的輸出基帶信號進入到隨機共振2，再次經(jīng)過幾次自環(huán)式的級聯(lián)過程后與本地解擴序列相關(guān)運算后輸出解擴信號。
因此，在算法實現(xiàn)過程中，首先根據(jù)特定頻率的窄帶信號設(shè)置隨機共振的參數(shù)a、b，當(dāng)接收信號的頻率升高（或降低）時，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(tǒng)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源于3個部分：
1）級聯(lián)的隨機共振本身會將載波中包含的噪聲能量轉(zhuǎn)化為信號能量；
2）信號經(jīng)過隨機共振處理后會發(fā)生低頻展寬，此時與本地的方波進行相關(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(tǒng)將基帶信號中的噪聲能量轉(zhuǎn)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(tǒng)增益
繼續(xù)采用圖2的仿真參數(shù)驗證分層級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)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(tǒng)的輸出信號增益隨信噪比不同而變化的性能曲線，增益計算的具體描述見2.1節(jié)。圖中最下面的曲線是接收系統(tǒng)中未采用級聯(lián)隨機共振處理方式時的輸出信號增益，可以看出其變化過程與輸入信號的信噪比成線性關(guān)系。當(dāng)引入1級級聯(lián)隨機共振后，平均增益得到約10dB的提高；當(dāng)引入2級級聯(lián)隨機共振后，增益再提高約6dB。隨著級聯(lián)次數(shù)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(tǒng)的增益性能曲線，增益計算過程見式（11）。圖4中：橫坐標(biāo)表示第一層級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)的輸入信號信噪比，縱坐標(biāo)為式（10）所描述的第二級級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)的輸出信號增益。從圖4可看出，隨著第二層隨機共振系統(tǒng)的級聯(lián)次數(shù)逐步增多，在各個輸入信噪比條件下的增益也不斷提高。級聯(lián)次數(shù)從為1增加到2時，平均處理增益提高5dB左右。隨著級聯(lián)次數(shù)進一步增加，系統(tǒng)的處理增益提高程度下降。當(dāng)信噪比低于-5dB時，由于驅(qū)動信號相對于噪聲太過微弱。超出了隨機共振系統(tǒng)的處理范圍，系統(tǒng)表現(xiàn)出無規(guī)則的性能曲線。
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(tǒng)中級聯(lián)次數(shù)為1，且在第二層隨機共振系統(tǒng)中級聯(lián)次數(shù)為1。類似地，“22級聯(lián)連接方式”是指在圖1的第二層隨機共振系統(tǒng)中級聯(lián)次數(shù)為2，且在第二層隨機共振系統(tǒng)中級聯(lián)次數(shù)為2。因此級聯(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，“33級聯(lián)連接方式”的處理增益最高。相對于現(xiàn)有算法（如文獻(xiàn)[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。進一步與傳統(tǒng)的直接序列擴頻信號解調(diào)、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，可以通過提高兩層級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)的級聯(lián)數(shù)量獲取更大的接收性能，但隨著級聯(lián)次數(shù)的增加，運算量開銷變大，且增益提高幅度降低。因此可以根據(jù)實際系統(tǒng)的需求選擇合適的級聯(lián)次數(shù)。
3 結(jié)語
直接序列擴頻通信在目前的數(shù)字中具有重要意義。文中提出的分層級聯(lián)隨機共振接收算法通過在載波下變頻和解擴兩個階段分別設(shè)計級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)。其中第一層級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)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；然后通過第二層級聯(lián)隨機共振系統(tǒng)實現(xiàn)基帶信號的去噪，并進行解擴。理論分析和仿真實驗結(jié)果
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