劉若劉若芃，劉勝利，王鵬毅，王西奪

(1.中國電子科技集團(tuán)公司 第54研究所，石家莊 050081；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信作為傳輸信息的手段，被研究者寄予厚望。而通信研究者都有著美好的理想，希望能實(shí)現(xiàn)高速的信息傳輸、交換和存儲(chǔ)等一系列數(shù)據(jù)處理方式，還能同時(shí)在任何通信狀況下都能對(duì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的傳輸，能兼顧通信效率和抗干擾能力。但是隨著波特率提升，每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量增加，信號(hào)狀態(tài)的變化頻率也隨之增高，而頻率高的信號(hào)更容易受到噪聲和外界干擾等因素的影響，抗干擾能力降低。二者在某種程度上來說是一對(duì)相互制約的指標(biāo)。

為對(duì)抗外部干擾，當(dāng)前的抗干擾技術(shù)主要有[1]：糾錯(cuò)編碼技術(shù)、擴(kuò)展頻譜技術(shù)、波束成形技術(shù)和分集技術(shù)等等。文章就信道編碼技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)展開研究，以抵抗惡劣信道環(huán)境下的干擾，在保證一定傳輸速率條件下，實(shí)現(xiàn)信息的可靠傳輸。

擴(kuò)頻通信技術(shù)由于其抗干擾、抗截獲能力強(qiáng)，可以在強(qiáng)噪聲環(huán)境下進(jìn)行通信，因此在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是擴(kuò)頻通信技術(shù)優(yōu)秀的抗干擾和抗截獲能力的代價(jià)是信號(hào)頻帶的拓寬。在頻帶受限的場合中傳統(tǒng)的擴(kuò)頻通信技術(shù)的應(yīng)用就受到了限制，而多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)能很好的平衡抗干擾能力和傳輸速率之間的矛盾[2]。

多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)是以分組編碼的形式完成對(duì)信息序列的擴(kuò)展，因此在獲得擴(kuò)頻增益的同時(shí)也獲得了編碼增益。為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的誤碼性能，采用軟判決方式完成數(shù)字調(diào)制的解調(diào)輸出進(jìn)而傳輸給信道譯碼器[3-5]。

多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如IS-95系統(tǒng)中采用的是64進(jìn)制正交擴(kuò)頻技術(shù)。絕大多是應(yīng)用的多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)進(jìn)制數(shù)較小，與擴(kuò)頻進(jìn)制數(shù)較小的多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)相比，長度長、擴(kuò)頻進(jìn)制數(shù)較大的多進(jìn)制擴(kuò)頻具有更高的傳輸效率，更好的組網(wǎng)性能[1]。因此，擴(kuò)頻進(jìn)制數(shù)較大的多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)于用戶數(shù)升高、頻譜資源緊缺的情況具有重要意義。

糾錯(cuò)編碼模塊能提高系統(tǒng)傳輸信息的可靠性，擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是一個(gè)本身就具有抗干擾作用的系統(tǒng)，如果在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中應(yīng)用糾錯(cuò)編碼模塊，便可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)的抗干擾能力[6-8]。

在接收端的解調(diào)和譯碼過程中，根據(jù)對(duì)接收碼元處理方式的不同，可以分為硬判決和軟判決兩種[5]。二者對(duì)接收碼元的處理不同，輸出結(jié)果所包含的信息也不同。硬判決譯碼直接對(duì)接收波形中的信息做出最佳判決，將這個(gè)結(jié)果送入譯碼器；而軟判決譯碼則是對(duì)接受波形送給譯碼器一個(gè)“不同輸入符號(hào)的可能性”，將這個(gè)信息與編碼信息綜合到一起再送入譯碼器。軟判決譯碼將會(huì)比硬判決譯碼方式得到額外的編碼增益[9-10]。

多進(jìn)制擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中同步模塊是其中的關(guān)鍵模塊，當(dāng)擴(kuò)頻進(jìn)制數(shù)較大時(shí)，系統(tǒng)的規(guī)模將相當(dāng)龐大，而且同步模塊也將非常復(fù)雜，所以，研究的重點(diǎn)之一便是降低系統(tǒng)的規(guī)模[1]。

仿真實(shí)驗(yàn)如下：

1)多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)與傳統(tǒng)直擴(kuò)系統(tǒng)(DSSS)的誤碼性能對(duì)比試驗(yàn)；

2)對(duì)接收端信號(hào)提取軟信息后直接判決系統(tǒng)與直接硬判決的誤碼性能對(duì)比試驗(yàn)；

3)系統(tǒng)參數(shù)不變，加入卷積編碼軟判決譯碼對(duì)的多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼性能進(jìn)行對(duì)比；

4)考慮到編碼效率，單獨(dú)的分析軟判決和硬判決對(duì)系統(tǒng)的誤碼性能對(duì)比試驗(yàn)；

研究將基于如何降低系統(tǒng)規(guī)模，簡化同步過程，提升系統(tǒng)誤碼性能三方面全方位對(duì)比分析，以提升系統(tǒng)性能為最終目的，得到了如下結(jié)論：

由于多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)得到了編碼增益，系統(tǒng)的誤碼性能在誤碼率為BER=1×10-3時(shí)，有0.7 dB的增益；系統(tǒng)在未加入信道編碼直接對(duì)接收端信號(hào)提取軟信息后判決比直接判決的誤碼性能有0.2 dB左右的增益；系統(tǒng)參數(shù)不變，分析加入卷積編碼后系統(tǒng)軟判決譯碼比硬判決譯碼有XXdB左右的提升，軟判決譯碼比DSSS系統(tǒng)有5.2 dB左右的提升；考慮編碼效率時(shí)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行改變后的系統(tǒng)在信噪比較低時(shí)誤碼性能劣與DSSS，而在信道狀況較好的環(huán)境中，當(dāng)誤碼率為BER=1×10-3時(shí)，軟判決譯碼系統(tǒng)的誤碼性能有大約2.5 dB的提升，軟判決譯碼比硬判決譯碼系統(tǒng)的誤碼性能有大約0.7 dB的提升[11-15]。

1 多進(jìn)制擴(kuò)頻和解擴(kuò)原理

多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)流程如圖1所示。多進(jìn)制擴(kuò)頻實(shí)際上可以看做一種(N，k)編碼。k位信息碼有M=2k個(gè)狀態(tài)，該系統(tǒng)稱為M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。k位信息碼用長度為N的擴(kuò)頻碼來表示，M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)需要M條長度為N的擴(kuò)頻碼Ci(i=0，1，…，M-1)分別代表信息碼的M個(gè)狀態(tài)，且一一對(duì)應(yīng)[1]。

圖1 多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)發(fā)射端框圖

Ci(i=0，1，…，M-1)可以表示為：

(1)

其中：gc(t)為門函數(shù)，在0≤t

(2)

(3)

其中：T=kTa=NTc為偽碼周期，Tc為偽碼碼片寬度，N為偽碼長度。采取的信息碼與擴(kuò)頻碼對(duì)應(yīng)方式為：k位信息碼的加權(quán)值j：

(4)

與對(duì)應(yīng)下標(biāo)的偽碼Cj(t)(j=01，…，M-1)對(duì)應(yīng)，即完成多進(jìn)制信息擴(kuò)展。

多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的發(fā)射端部分模型如圖1所示。圖1僅為一個(gè)用戶的多進(jìn)制擴(kuò)頻部分的模型，若考慮多個(gè)用戶時(shí)，其他用戶的模型與此相同，每個(gè)用戶被分配一個(gè)正交地址碼，且載波相同。

多進(jìn)制擴(kuò)頻實(shí)際上是一種線性分組碼，因此會(huì)比傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻獲得額外的編碼增益，誤碼性能得到提高[6]。

2 生成擴(kuò)頻碼組的方式

系統(tǒng)采用(1 024，10)多進(jìn)制擴(kuò)頻，由于擴(kuò)頻碼的數(shù)量很龐大，找到1 024條相關(guān)特性優(yōu)秀的偽隨機(jī)序列是一件相當(dāng)困難的事情。為了簡化尋找擴(kuò)頻碼的難度，更重要的是為了降低系統(tǒng)的規(guī)模，將采用一條優(yōu)選偽隨機(jī)序列的1 024個(gè)不同的相位來表示1 024條偽隨機(jī)序列的方式[16-18]。

如何形象地說明這個(gè)過程呢？或許可以將優(yōu)選偽隨機(jī)序列循環(huán)移位的過程類比到多進(jìn)制相移鍵控(MPSK)調(diào)制過程：

ek(t)=Acos(ωct+θk)k=1，2，…，M

(5)

A為一常數(shù)，θk為一組間隔均勻的受調(diào)制相位，載波相位通過θk的變化改變而改變。

類比到(N，k)多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼組生成過程中，便可將其均勻地分為θk(k=1，2，…，N)，這里的θk指的便不是相位，而是一個(gè)偽碼碼片，每改變一次，得到一個(gè)新的擴(kuò)頻碼序列，過程如圖2所示。

圖2 偽碼序列示意圖

選定一條優(yōu)選m序列C0，序列中各個(gè)碼片的編號(hào)依次為m0，m1，…，m1023，如圖2所示。箭頭即代表相位移動(dòng)方向[19-20]。

3 同步

同步是整個(gè)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分也是研究的難點(diǎn)，同步性能的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)能否準(zhǔn)確地傳輸信息[10，21]。提出了兩種同步的方法：一是同步頭同步法，二是參考信號(hào)同步法，二者都有自己的優(yōu)勢和劣勢，因此將對(duì)二者進(jìn)行性能對(duì)比。

3.1 同步頭同步法

同步頭同步法是一種內(nèi)置同步信息的同步法。同步頭法是把具有同步信息的碼字頭置于擴(kuò)頻信號(hào)的前部或者在傳輸信息過程中把同步碼字離散放入信息中。在系統(tǒng)接收端，利用同步頭的相關(guān)性，識(shí)別出同步頭碼字，完成信息的捕獲，收發(fā)兩端取得同步[8]。

對(duì)于同步頭同步法中同步碼字的選擇，可以選擇與信息碼相同的編碼也可以選擇一段較為獨(dú)特的碼字[1]。若選擇與信息碼相同的編碼，在后面的同步電路和解擴(kuò)電路的相關(guān)器可以使用同一組，系統(tǒng)規(guī)模得到降低，但是如果使用一段新的碼字，選擇的同步碼自相關(guān)性較好，電路模型簡單明了，雖然同步性能可以得到很大提高，但是需要兩套相關(guān)器，系統(tǒng)模型較為復(fù)雜。在多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)中，為降低系統(tǒng)誤碼率，選擇與信息碼相同的編碼。

同步頭同步法就是在發(fā)送數(shù)據(jù)流之前先發(fā)送一段周期的引導(dǎo)碼，將會(huì)降低建立碼字同步的難度。即與引導(dǎo)碼相關(guān)峰值連續(xù)出現(xiàn)便可判定建立同步。在這個(gè)過程中，關(guān)心的是“是否出現(xiàn)相關(guān)峰”，而不是“相關(guān)峰值比大選擇”，因此，重要的是捕捉到超過門限值的信號(hào)[12]。如圖3中右側(cè)所示，在接收端接收到的信號(hào)，含有同步信息，接收端本地有同步頭碼字集合進(jìn)行相位搜索。經(jīng)過“積分清洗”模塊后得到一個(gè)相關(guān)值，此值若超過門限值，計(jì)數(shù)器加一，若低于門限值，繼續(xù)搜索；且如果沒有連續(xù)10次超過門限值，計(jì)數(shù)器歸零，重復(fù)上述過程，直到計(jì)數(shù)器為10時(shí)完成捕獲[2，12]。系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 同步頭同步法多進(jìn)制擴(kuò)頻硬判決系統(tǒng)發(fā)射端和接收端

3.2 參考信號(hào)同步法

參考信號(hào)同步法是一種外置同步信息的同步法，是在信號(hào)發(fā)射端發(fā)射待發(fā)送信號(hào)時(shí)，另一路同時(shí)發(fā)送一路參考信號(hào)，這兩路信號(hào)在信道中一直是相對(duì)同步的，因此就將找到信號(hào)路的同步問題轉(zhuǎn)化成了找到參考信號(hào)路同步的問題[5]。首先找到長度較短的參考信號(hào)路的碼元起始位置，再根據(jù)這個(gè)參考信號(hào)路進(jìn)一步找到信號(hào)路的碼元同步。簡化了對(duì)信號(hào)直接進(jìn)行碼元同步的難度。在選取參考信號(hào)時(shí)，選擇長度僅為一個(gè)偽碼碼片，大大降低了系統(tǒng)同步問題的難度。因?yàn)樵谶M(jìn)制數(shù)較高的系統(tǒng)中，如何降低系統(tǒng)復(fù)雜度是一個(gè)關(guān)鍵問題，關(guān)系到是否能硬件實(shí)現(xiàn)，因此，選擇外置同步序列——參考信號(hào)同步法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 參考信號(hào)多進(jìn)制擴(kuò)頻硬判決系統(tǒng)發(fā)射端和接收端

圖4中，由信源產(chǎn)生兩路隨機(jī)信號(hào)，一路作為信號(hào)路，另一路作為參考信號(hào)路，二者分別進(jìn)行信道編碼，然后數(shù)據(jù)流經(jīng)串并變換，變?yōu)閗比特并行的數(shù)據(jù)流，按照式4中的規(guī)則從擴(kuò)頻碼集中選擇對(duì)應(yīng)的擴(kuò)頻碼完成擴(kuò)頻，后經(jīng)過載波調(diào)制發(fā)射信號(hào)可表示為：

S(t)=CIj(t) cos(2πfct)-CQj(t) sin(2πfct)

(6)

式中，CIj(t)和CQj(t)分別是信號(hào)路和參考路碼流擴(kuò)頻后偽隨機(jī)碼Cj(t)經(jīng)脈沖成型后的波形信號(hào)。

發(fā)射信號(hào)m(t)經(jīng)加性高斯白噪聲信道(AWGN，additive white gaussian noise)到達(dá)接收端后可以表示為：

r(t)=S(t-τ)+n(t)

(7)

n(t)為均值為零功率譜密度為N0/2的高斯白噪聲，τ則為傳輸時(shí)延。

4 誤碼性能分析

當(dāng)假設(shè)系統(tǒng)中的K個(gè)用戶之間的信號(hào)有隨機(jī)的時(shí)間延遲，且各個(gè)用戶的信號(hào)功率相等，考慮高斯白噪聲(AWGN)和多址干擾(MAI)時(shí)，M進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼率公式為[6]：

(8)

(9)

多進(jìn)制擴(kuò)頻每M個(gè)進(jìn)制符號(hào)對(duì)應(yīng)log2M比特，解擴(kuò)譯碼器誤判一次對(duì)應(yīng)著log2M比特的錯(cuò)誤，求得多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)誤比特率為：

(10)

在考慮AWGN和MAI時(shí)，直接擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼率公式為：

(11)

多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)誤碼率的降低是通過編碼增益獲得的。通過公式(10)和公式(11)可知，當(dāng)進(jìn)制數(shù)M較小時(shí)，傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)和多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼性能相差不大，而在一定信噪比范圍內(nèi)，M增大也就對(duì)應(yīng)著多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)的誤碼性能優(yōu)于傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)[7]。

5 譯碼判決

5.1 卷積編碼

卷積編碼是一種非分組碼。在分組碼中，編碼器產(chǎn)生的一個(gè)碼組的n個(gè)碼元完全由此時(shí)間內(nèi)k比特的輸入，但卷積編碼在編碼時(shí)不僅與當(dāng)前k比特信息有關(guān)還與之前(N-1)個(gè)k比特信息有關(guān)，因此卷積編碼更適合于前向糾錯(cuò)，譯碼算法基于網(wǎng)格圖或者樹狀圖來設(shè)計(jì)，在編譯碼器復(fù)雜度相同情況下，卷積碼性能優(yōu)于分組碼并且相對(duì)于分組碼，卷積編碼的軟判決譯碼更容易實(shí)現(xiàn)。

5.2 改良的軟信息提取算法

接收端根據(jù)多路匹配濾波器輸出的信號(hào)進(jìn)行比大，對(duì)調(diào)制輸入信號(hào)做出最佳判決，匹配濾波器的輸出最大值就作為判決結(jié)果送入譯碼器，譯碼器再對(duì)其進(jìn)行判決以糾正解調(diào)器可能發(fā)生的錯(cuò)誤判決。按照這種方式進(jìn)行判決的方式就稱為硬判決，如圖4中解調(diào)端部分所示。

硬判決方式的優(yōu)點(diǎn)是易于工程實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)是浪費(fèi)了一部分有用信息，使得譯碼性能不高，性能方面要損失2～3 dB的編碼增益 ，尤其是在信道原始誤碼率不高的情況下。

軟判決譯碼幾乎可以提供最佳的譯碼，性能遠(yuǎn)優(yōu)越于硬判決譯碼。

(12)

式中，

(13)

如果采用對(duì)數(shù)似然比軟信息提取，算法的計(jì)算復(fù)雜，電路實(shí)現(xiàn)困難，將利用式(13)的近似關(guān)系，采用一種次最佳提取軟信息的算法，其復(fù)雜度大大降低，效果也很好。

(14)

按式(14)的近似關(guān)系式(12)變?yōu)閇16]：

(15)

將式(13)代入式(15)：

(16)

(17)

對(duì)D進(jìn)行如下分組：

(18)

獲得第j比特軟信息為：

(19)

歸一化為：

(20)

其中：

(21)

5.3 卷積編碼Viterbi算法

卷積編碼的描述，習(xí)慣用圖解或樹狀圖的方式，因?yàn)椴幌穹纸M碼那樣，沒有擁有嚴(yán)格的代數(shù)結(jié)構(gòu)。以(2，1，3)卷積碼為例，典型的卷積碼網(wǎng)格圖可如圖5所示。

圖5 (2，1，3)卷積編碼網(wǎng)格圖

卷積編碼的過程可以理解為輸入的信息控制在網(wǎng)格圖中的一條路徑。而在網(wǎng)格圖中求它的對(duì)數(shù)似然函數(shù)累加最大，也就是漢明距最小的路徑則是卷積碼的最大似然譯碼。

卷積編碼的譯碼有Viterbi譯碼、門限譯碼、序列譯碼3種方式，而在這其中Viterbi譯碼的譯碼性能最優(yōu)，因此，將采用Viterbi譯碼算法進(jìn)行判決[15，20]。

1)Viterbi譯碼算法：卷積碼網(wǎng)格圖中有2k(N-1)種狀態(tài)，每節(jié)點(diǎn)同時(shí)引入引出2k個(gè)支路，假設(shè)譯碼器全零狀態(tài)為起始狀態(tài)，前(N-1)條連續(xù)之路構(gòu)成的路徑兩兩不相交，到第N個(gè)支路時(shí)，每支路均有2條延伸到第N級(jí)，此級(jí)上每兩條支路也均匯聚在一節(jié)點(diǎn)。在每次匯聚到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的兩條路徑都進(jìn)行對(duì)數(shù)似然函數(shù)累加的運(yùn)算，然后取值大的留下。按上述方式逐級(jí)挑選后第N級(jí)只有2N-1條幸存路徑，路徑連同其對(duì)數(shù)似然函數(shù)累加值一起被存儲(chǔ)。上述操作可概括為"加-比-選"方式[18]。

2)Viterbi算法軟判決：相對(duì)于分組編碼，卷積編碼的軟判決與硬判決間的差別要小得多。卷積編碼的軟判決使用歐氏距離作為路徑的度量而不是漢明距離，這是與卷積編碼硬判決的最主要差別[21]。

因?yàn)樵?.2節(jié)可知，在輸入到譯碼器前信號(hào)已被處理成包含軟信息的信號(hào)傳輸給Viterbi譯碼器。

6 仿真結(jié)果及分析

在本節(jié)中，只考慮一個(gè)用戶的情況，為了清晰地對(duì)比同步方式的不同、是否加入信道編碼以及軟硬判決方式對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響，使用MATLAB對(duì)在AWGN信道中系統(tǒng)的性能分別進(jìn)行對(duì)比仿真。仿真參數(shù)如表1所示，將使用Matlab進(jìn)行仿真，采用的信道編碼為(2，1，7)卷積編碼，采用(1 024，10)多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。

表1 M-ary擴(kuò)頻通信系統(tǒng)仿真參數(shù)

6.1 多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)和傳統(tǒng)擴(kuò)頻通信系統(tǒng)

從第5節(jié)的公式可知，多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)在一定信噪比條件下的誤碼率要優(yōu)于傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻。

而由誤碼率圖像，圖6可知，當(dāng)誤碼率BER=1×10-3時(shí)，(1 024，1)系統(tǒng)的誤碼性能要優(yōu)于傳統(tǒng)直接擴(kuò)頻系統(tǒng)約0.7 dB的增益。

圖6 (1 024，1)與DSSS誤碼率對(duì)比

當(dāng)系統(tǒng)采用(1 024，10)多進(jìn)制擴(kuò)頻時(shí)，由第4節(jié)的公式(10)與公式(11)可知，系統(tǒng)的誤碼性能優(yōu)于DSSS的部分為多進(jìn)制擴(kuò)頻的編碼增益。由圖7與圖6的對(duì)比可知，當(dāng)誤碼率BER=1×10-3時(shí)，(1 024，10)多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)比DSSS系統(tǒng)的誤碼性能有約4.2 dB的增益，(1 024，10)對(duì)比(1 024，1)系統(tǒng)有約3.5 dB的增益，這3.5 dB的增益便來自于編碼獲得的增益。

圖7 (1 024，10)與DSSS誤碼率對(duì)比

6.2 卷積編碼軟判決譯碼對(duì)系統(tǒng)的誤碼性能

對(duì)接收到的信號(hào)直接進(jìn)行硬判決解擴(kuò)和對(duì)接收到的信號(hào)提取其軟信息后再進(jìn)行硬判決解擴(kuò)兩種方式的誤碼性能差別不大，提取到軟信息后再硬判決的方式，沒有充分利用到軟信息所包含的“可能性信息”這一特點(diǎn)，所以性能并沒有很好的得到提升，如圖8所示。因此，繼續(xù)將卷積編碼和軟判決譯碼結(jié)合到一起。

圖8 (1 024，10)系統(tǒng)硬判決與提取軟信息硬判決誤碼率對(duì)比

當(dāng)系統(tǒng)加入(2，1，7)卷積編碼后，性能得到了很大的提升，信道譯碼方式選擇硬判決或軟判決的誤碼性能對(duì)比如圖9所示。由圖9可知，加上卷積編碼后整個(gè)系統(tǒng)的誤碼性能要比多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)好，有大約5.2 dB的增益，而采用軟判決譯碼比采用硬判決譯碼的性能提升大概1 dB。

圖9 加卷積編碼系統(tǒng)的誤碼性能

從圖10可以直觀地看到采用軟判決譯碼和多進(jìn)制擴(kuò)頻后的系統(tǒng)比DSSS系統(tǒng)的誤碼性能有很大的提升，當(dāng)誤碼率為BER=1×10-3時(shí)，系統(tǒng)的誤碼性能有5.2 dB左右的提升。

圖10 (1 024，10)系統(tǒng)(2，1，7)軟判決譯碼誤碼性能

6.3 軟判決譯碼的誤碼性能

從6.2中可以看到當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)不變時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的誤碼性能的改善。但是，反觀卷積編碼的原理，可以看到，例如將采用的(2，1，7)卷積編碼，將一比特?cái)?shù)據(jù)編碼為2比特，也就是說，編碼效率為1/2事實(shí)上，是將數(shù)據(jù)速率提升了兩倍，因此，若想更加直觀地觀察到卷積編碼，或者說軟判決譯碼和硬判決譯碼對(duì)相同“有效數(shù)據(jù)率”系統(tǒng)的誤碼性能對(duì)比，需要將加入卷積編碼的系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率減半后再進(jìn)行觀察。

考慮到有效數(shù)據(jù)利用率這個(gè)概念后，系統(tǒng)參數(shù)將按表2所示進(jìn)行修改后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

表2 M-ary擴(kuò)頻卷積編碼通信系統(tǒng)仿真參數(shù)

按照表2將參數(shù)進(jìn)行修改后，系統(tǒng)仿真得到的結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看到單純的卷積編碼對(duì)有效數(shù)據(jù)碼的誤碼性能不是在任何信噪比下性能都會(huì)得到提升，在信噪比較低的情況下，系統(tǒng)的誤碼性能不升反降，當(dāng)信噪比提高到某一值之后，系統(tǒng)的性能才得到提升。因此可以得出結(jié)論：卷積編碼下的多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)適合于信噪比較高的信道中，在低信噪比的信道中反而會(huì)使系統(tǒng)的誤碼性能惡化。在誤碼率BER=1×10-3時(shí)，大約有2.5 dB的增益，這2.5 dB完全來自卷積編碼和軟判決譯碼；軟判決譯碼比硬判決譯碼的誤碼性能提升了大約0.7 dB。

圖11 考慮編碼效率軟、硬判決誤碼性能對(duì)比

7 結(jié)束語

隨著對(duì)無線通信設(shè)備的需求增多，無線頻帶越來越擁擠，空間中各種干擾日益增強(qiáng)。希望能在保證信息傳輸速率的同時(shí)提升系統(tǒng)的抗干擾能力。考慮到在系統(tǒng)中加入多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)、信道編碼技術(shù)以及軟信息譯碼技術(shù)。為降低計(jì)算量，便于硬件實(shí)現(xiàn)，首先提出了一種通過相位移動(dòng)得到數(shù)量巨大的一組正交的擴(kuò)頻碼序列，進(jìn)而由于最大似然算法的超大計(jì)算量提出了一種次最優(yōu)的最大似然軟信息提取算法。并將二者應(yīng)用到多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)卷積編碼軟信息進(jìn)行譯碼的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的誤碼性能得到很大的提升，且計(jì)算量和實(shí)現(xiàn)難度也適中，基本符合前期理論分析與設(shè)想。為進(jìn)一步分析軟信息譯碼對(duì)系統(tǒng)誤碼性能的影響，人為去除了卷積編碼的編碼效率這一變量，得出結(jié)論：多進(jìn)制擴(kuò)頻技術(shù)可以多進(jìn)制擴(kuò)頻可以有效的實(shí)現(xiàn)處理增益和傳輸帶寬之間的折中；卷積編碼在通信系統(tǒng)中進(jìn)行差錯(cuò)控制，不僅可以達(dá)到提高傳輸可靠性的目的，還節(jié)省了頻譜資源；軟信息譯碼使得接收端充分利用接收信號(hào)有用信息，即可能性信息，使系統(tǒng)的誤碼性能進(jìn)一步得到提升。通過上述實(shí)驗(yàn)，采用多進(jìn)制擴(kuò)頻卷積編碼軟信息譯碼系統(tǒng)對(duì)提升系統(tǒng)的誤碼性能是非常有用的。在理論上，系統(tǒng)復(fù)雜度還是計(jì)算量都適中，因此在硬件上也較容易實(shí)現(xiàn)。