利用信号分集解决SFH扩频通信系统中的部分频带干扰问题

1、利用信号分集解决扩频通信系统中的部分频带干扰问题崔得龙摘要：直接序列（DS）扩频比跳频扩频（FH）可提供较高的容量，但容量受限于用户接收端的信噪比，也就是说要受到“远近效应”的影响。跳频扩频就没有所谓的“远近效应”，但是系统的误比特率较高，而且益受部分频带的干扰，本文讨论了选择式频率分集（）系统在高斯信道下的性能，分析了部分频带干扰对系统的影响，提出了解决部分频带干扰的方法。关键词：FH、SFH、分集、BFSK一、 介绍在调频扩频（FH/SS）1中，通过快速改变接收机的载频带，可以减少因频率选择性而引起的衰落失真。将可利用的信道带宽W划分为大量非重叠的频率间隔，在任何信号区间内，传输信号占据一

2、个或多个可用的频率间隔。在每个信号区间内频率间隙（一个或多个）的选取是按照某一PN发生器输出随机确定的。若在每个跳频间隔内存在多个调制码元，则称为慢跳频（SlowFrequency Hopping,SFH）；每个调制码元间隔内存在多次频率跳变的，则称为（FastFrequency Hopping,FFH）。本文只讨论SFH。信息序列输出编码器FSK调制器混频器信道混频器FSK解调器解码器PN序列发生器频率合成器时间同步器PN序列发生器频率合成器FSH系统框图调制器可以使用二进制或多进制FSK。若采用二进制即BFSK，调制器就选取两个频率中的一个对应于传输0或1。然后再将这个BFSK信号在频率上

3、搬移一个量，这个量是由来自PN序列发生器的输出决定的，用这个PN发生器选择某一被频率合成器同步的频率将搬移了的信号在信道上传输。如果PN序列发生器取m个比特，就可以给出个可能的载波频率。接收端有一个完全相同的PN序列发生器，它于接受信号同步，用来控制频率合成器的输出。通过频率合成器与接受信号混频之后，由发射机所引入的伪随机频率在解调器中被消除，在利用FSK解调器解调出最后所得的信号。其中，用于维持PN序列发生器与FH接受信号同步的信号通常是从接受信号中提取出来的。二、调频扩频系统的差错概率我们考虑最简单的情形，采用BFSK传输数字信息，假设频率跳变每比特一次，解调和检测都是非相干的。在AWGN

4、信道中，其差错概率为，若干扰为一宽带信号，或者覆盖整个FH带宽W的平坦频谱，上述结果也成立。在这种情况下，要用来代替，为干扰的谱密度。在FH系统中，每比特能量可表示为，是平均信号功率，R为比特率。类似也有，为宽带干扰的平均功率，W为可用的信道带宽。这样，在FH系统中就能将SNR表示为，上式中，是处理增益，是FH扩频信号的干扰冗余度。下图所示为单用户情况下SFH扩频通信系统的误码率3扩频通信系统的平均误码率公式如下：3SFH扩频通信系统误码率与信噪比理论曲线和仿真曲线如下图下图给出了多用户情况下的FSK系统的信噪比与误码特性3上图中，K为多址数在FH扩频系统中，信号的相位的提取、保持都很困难，所

5、以一般都采用非相干解调的FSK解调。受到部分频带干扰侵扰的FH系统的性能是很差的，若需达到该系统的差错概率为，则在最坏情况干扰存在时，检测器所要求的SNR几乎是60dB。作为比较，在没有部分频带干扰时，在一个AWGN信道中所要求的SNR约为10dB。结果，由于部分频带干扰的存在，在SNR上的损失约有50dB，这实在是太高了。减少部分频带干扰对FH扩频系统影响的方法是通过信号分集，分集（diversity）2技术的目标是利用加性独立（或至少是不相关）的信号来提高接收信号的信噪比。分集能够以相对较低的代价而提高整个系统的性能，它于其它降低衰落影响的方法比如均衡技术不同的在于分集技术不需要训练过程。

6、信号分集也就是将同一信息比特在多次频率跳变上传输，并且将多次传输的信号加权并在检测器输入端相加在一起。比如，每个信息比特在两个相继的频率跳变上传输，这个系统称为双分集系统（dual diversity system）。这时，假设传输的是一个0，要么在相加器的两个输入都受到干扰破坏，要么两个传输信号只有一个受到破坏，要么两个都没有被破坏。假设相加器知道干扰电平，由此可形成组合判决变量为这里，是对第一个传输信号平方律监测的两个输出，是由第二个传输信号的平方律监测的两个输出。加权系数设置为为加性噪声加干扰后的方差。因此，当大的时候就对应干扰存在的情况，放在接受信号上的权系数就小；当小的时候就对应没有

7、干扰的情况，放在接受信号上的权系数就大。这样，相加器就将受到干扰破坏的接受信号分量去加重。从相加器来的两个分量x和y送给检测器，检测器就以较大的信号分量做出判决。则具有双分集的FH信号的性能就由两个传输信号都受到干扰破坏的情况决定。然而，这种情况的概率正比于，远远小于的。结果，对于最坏情况部分频带干扰的差错概率就有如下形式： （括号中的2表示双分集）这里，K为某一常数，则双分集系统的差错概率随着SNR的平方成反比下降。这样，在双分集系统中，用大约30dB的SNR就能实现的差错概率，对比没有分集的FH系统，相差了1000倍。更为一般的情况，若每一个信息比特在D次频率跳变上传输，D为分集的阶次，那

8、么差错概率就具有的形式，其中，K为某一常数。三、仿真说明没有干扰的情况下，相加器中用的权系数为，对应于，也就是典型加性高斯噪声的电平值；当有干扰的时候，权系数为，这里将限制到小于等于4。每次跳变的SNR是，而在两次跳变中每比特的总能量为2。因此，差错概率是作为的函数画出的。从上图的仿真结果中可见，使用分集技术相对没有使用分集技术的扩频通信系统，性能得到了很大的提高。下图所示为M=4，分集分别为1，2，3，4时EB与EBN0间的关系曲线。四、结论通过以上的仿真，可见使用分集的却提高了SFH 扩频系统的性能。但若采用（1）反馈链路的选择式频率分集（2）编码（3）采用MFSK调制解调等技术， SFH

9、扩频通信系统的性能将有更大的改善，还可以采用等算法，参考文献有详细的介绍，可以获得更理想的效果。4系统的框图如下：下图所示为采用MFSK最佳相干解调的误码率曲线5上图中曲线a为普通型4FSK相干解调时计算机仿真结果，曲线b为增强型4FSK相干解调时计算机仿真结果，其中建立了MFSK系统的矢量数学模型，使用多元统计分析理论对接收的随机矢量信号进行处理，可得出MFSK最佳相干解调器结构。上图 6 中，采用4分集，多径干扰强度为0.1条件下、对应十六进制RS（15，7）码、对应M分别为2、4、6、8 卷积码时的EB与EBN0的曲线图。References:、Bernard Sklar Digital Communication Fundamentals and Applications second Edition、约翰.G.普罗斯科、马苏德.萨勒赫刘树棠译现代通信系统使用MATLAB 西安交通大学出版社、FSK/CDMA 通信系统性能分析和实现邱玲、冯明臣、朱近康中国科技大学学报Vol 28,No.2