CN102723965A - Pn码串并组合联接的扩频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种PN码串并组合联接的扩频通信方法。PN码先串联之后并联，可用两段较短码来替代之前的单段长码。将其应用于改进的并行组合扩频通信，根据PN码串并组合的序号对应关系对通信可传送数据效率进行了设计，整体通信的有效性以及可靠性的性能均良好，且优于常规并行组合扩频通信。

Description

PN码串并组合联接的扩频通信方法

技术领域

本发明涉及的是一种扩频通信方法，具体为一种PN码联接组合的发射和接收方法。

背景技术

现代通信对通信高效性和可靠性的要求日益增高。并行组合扩频通信是一种软扩频通信的改进方式，是一种具有较高通信效率的扩频通信方式，并且继承了传统扩频通信抗干扰、抗侦破等优点。此扩频方式得到国内外学者的好评，并被国内外学者在学术杂志上介绍。并行组合扩频通信也存在着一些缺点：其有效性的提升空间不大，且其误码率相对于其他扩频通信较差，尤其是在信道中传输并行序列数较多时，有效性增加的同时可靠性降低十分严重。

发明内容

本发明的目的在于提供一种传输效率高，误比特率性能低的PN码串并组合联接的扩频通信方法。

本发明的目的是这样实现的：

发射过程：

步骤一：发送的k比特数据记为d₁,d₂,…d_k，每个信息数据周期为T_d,其中kT_d＝2N_TT_C，N_T为每个PN码周期的码元个数，T_C为码片周期；k比特发送信息送入串/并转换器，获得k路信号；

步骤二：给出串行发送的M组PN码，将步骤一获得的k路信号分为四个部分，分别对应为log₂R₂，

R₁log₂r₂，2r₁；这四组数据按照对应算法从输入的PN码中选出r₁条扩频序列来发送，表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{PN}\left(t\right)=(\begin{array}{cc}[{q1}_{j1}{\mathrm{PN}}_{j1}\left(t\right)& {q2}_{l1}{\mathrm{PN}}_{l1}(t+N_T{T}_C)],\end{array}\\ \begin{array}{cc}[{q1}_{j2}{\mathrm{PN}}_{j2}\left(t\right)& {q2}_{l2}{\mathrm{PN}}_{l2}(t+N_T{T}_C)],\end{array}\\ ...,\\ \begin{array}{cc}[{q1}_{{\mathrm{jr}}_1}{\mathrm{PN}}_{{\mathrm{jr}}_1}\left(t\right)& {q2}_{{\mathrm{lr}}_1}{\mathrm{PN}}_{{\mathrm{lr}}_1}(t+N_T{T}_C)\left]\right)\end{array}\end{array}$

式中,q1_jk,q2_lk∈(+1,-1),l＝1,2,...,r₁，表示PN码的极性；r₁条扩频行并行组合等幅相加即-1或+1值相加，形成组合多值信号：

$\mathrm{MD}(r_1,t)\underset{k=1}{\overset{r_1}{\mathrm{\Σ}}}{q1}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{PN}}_{\mathrm{jk}}\left(t\right){q2}_{\mathrm{lk}}{\mathrm{PN}}_{\mathrm{lk}}(t+N_T{T}_C)$

步骤三：将步骤二获得的信号进行调制，得到信号s(t)：

式中，P是载波功率，将获得的信号s(t)发射；接收端过程：

步骤四：经信道传输后，接收端接收信号为：

式中，n(t)为零均值的高斯白噪声；

设收发两端载波的频率、码元相位和扩频行码元相位完全同步，对r(t)解调，将信号搬移到基带；

步骤五：在步骤四处理之后分别用[PN_iPN_i]，i＝1,2,…M作解扩处理放大解调后，每条支路分两个相关区间

和

接收，相关器输出两个值，为V1_i和V2_i，i＝1,2,…M，在载波和扩频序列同步跟踪的情况下，第i对相关器输出为:

${V1}_i=\left\{\begin{array}{cc}{q1}_{\mathrm{jk}}\mathrm{PT}/2+N_i& (i=\mathrm{jk})\\ N_{i}i=(\mathrm{1,2},...,M)& (i\≠\mathrm{jk})\end{array}\right.$

${V2}_i=\left\{\begin{array}{cc}{q2}_{\mathrm{lk}}\mathrm{PT}/2+N_i& (i=\mathrm{lk})\\ N_{i}i=(\mathrm{1,2},...,M)& (i\≠\mathrm{lk})\end{array}\right.$

式中,T＝2N_TT_C为扩频行的总周期，i＝jk和i＝lk的积分是扩频行的自相关，i≠jk和i≠lk是互相关；使用的两组正交序列行彼此正交，满足要求；

步骤六：将步骤五获得的V1和V2值以及其对应PN码序号输入算法逆映射器，得出接收的k路数据信息；

步骤七：经并/串转换，得到k比特信息。

四个部分信号log₂r₂，

rlog₂r₂，2r₁的具体映射方法为：

（1）将M个PN  码平均分成r₂组，表示为(PN₁，PN₂，…PN_n)，(PN_n+1，P_n+2，…PN_2n)，…(PN_M-n+1，P_M-n+2，…PN_M)——令M和r₂为2的整数幂，则每组中有M/r₂个PN码，设n＝M/r₂，从r₂组中选择一组来作为发送第一个PN码的被选组，故有r₂种可能状态，对应信息数据为log₂r₂；

（2）被选组确定后，组中PN码序号对n取模，重新定义序号为(PN₁，PN₂，…PN_n)，从n个PN码(PN₁，PN₂，…PN_n)中选择r₁个PN码作为串行的第一个PN码组，映射原理与常规的并行组合扩频通信的字典排序一样，故有种可能状态，对应信息数据为

（3）待发送的每条扩频行串行的第一个PN码确定后，为PN_ji(t),i＝1,2,…，r₁，需要确定串行的第二个PN码，建立每条扩频行第二个PN码和第一个PN码的对应关系，第二组PN码还是从给出的M个扩频码中选择，将M个PN码分成n组，即每组r₂个码，则对于r₁个已选出的扩频行串行的第一个PN码，每个PN码都按序号对应扩频行串行的第二个被选的r₂个PN码，表示为 $({\mathrm{PN}}_1,{\mathrm{PN}}_2,...{\mathrm{PN}}_{r_2}),({\mathrm{PN}}_{r_2+1},{\mathrm{PN}}_{r_2+2},...{\mathrm{PN}}_{{2r}_2}),...,({\mathrm{PN}}_{M-r_2+1},{\mathrm{PN}}_{M-r_2+2},...{\mathrm{PN}}_M),$ 从这r₁组PN码中每组选出一个码作为发送扩频行中串行的第二个PN码，即每组选择有r₂种可能状态，对应数据为log₂r₂，则r₁组对应信息数据为r₁log₂r₂，串行的第二个PN码为PN_li(t+N_TT_C)，i＝1,2,…，r₁；

（4）选出r₁条扩频行码后，每行串行2个PN码，PN码传输时还包括极性信息，对应数据为2r₁，最终输出传输的PN码串并组合扩频行[q1_jiPN_ji(t)q2_liPN_li(t+N_TT_C)]，其中i＝1,2,…,r₁。

本发明为了解决并行组合扩频通信的不足之处，发射过程采用PN码串并组合的方式，更大限度的提高了通信的数据传输能力，可采用较短长度的PN码串行，相对于常规的并行组合扩频通信，虽提高了结构的复杂度却降低了发端误比特率。

本发明发送的扩频序列采用PN码串并组合的方式，每行中发送两个PN码，而后r₁条并行传输——相当于PN码先串行后并行，每行可以表示为[PN_i(t)PN_j(t+N_TT_C)]，(i、j＝1,2,…,M)，简记为[PN_iPN_j]，称之为扩频行。其中PN(t)表示传输的PN码，每个PN码周期的码元个数为N_T，T_C为码片周期。本发明通信方法的主要参数为r₁、r₂、M，其中令M和r₂为2的整数幂。

本发明与现有技术相比较，具有如下技术特点：

1.传输效率高。本发明通信方法的传输数据

本发明通信方法每次可发送的信息量比常规的并行组合扩频通信发送的信息

多。

2.误比特率性能低于常规并行组合扩频通信。在基带调制且完全同步的情况下，且信道中只存在加性高白噪声。用Matlab软件建立本发明通信方法的模型，进行性能仿真。

3.复杂度高于常规并行组合扩频通信，为了取得发端较高的可靠性，本发明通信方法的复杂程度有所提高，但在当前专用集成电路飞速发展的情况下，此复杂度也是可以接受的。

附图说明

图1为PN码串并组合图。

图2为本发明发送过程结构图。

图3为本发明接收过程结构图。

图4为本发明通信方法和并行组合扩频通信传输数据比较图。

图5(a)-图5(b)为PN码串并组合扩频通信和常规的并行组合扩频通信的误比特率曲线比较。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述：

结合图1，发送的扩频序列采用PN码串并组合的方式，每行中发送两个PN码，而后r₁条并行传输——相当于PN码先串行后并行，每行可以表示为[PN_i(t)PN_j(t+N_TT_C)]，(i、j＝1,2,…,M)，简记为[PN_iPN_j]，称之为扩频行。其中PN(t)表示传输的PN码，每个PN码周期的码元个数为N_T，T_C为码片周期。本发明通信方法的主要参数为r₁、r₂、M，其中令M和r₂为2的整数幂。

本通信方法发送的数据分四个部分，分别对应为log₂r₂，

r₁log₂r₂，2r₁。每个部分对应一个算法，具体映射算法如下。

1.将M个PN  码平均分成r₂组，可表示为(PN₁，PN₂，…PN_n)，(PN_n+1，PN_n+2，…PN_2n)，…(PN_M-n+1，P_M-n+2，…PN_M)——令M和r₂为2的整数幂，则每组中有M/r₂个PN码（设n＝M/r₂），从r₂组中选择一组来作为发送第一个PN码的被选组。故可有r₂种可能状态，对应信息数据为log₂r₂。

2．被选组确定后，组中PN码序号对n取模，重新定义序号为(PN₁，PN₂，…PN_n)。从n个PN码(PN₁，PN₂，…PN_n)中选择r₁个PN码作为本发明通信串行的第一个PN码组。映射原理与常规的并行组合扩频通信的字典排序一样，故有

种可能状态，对应信息数据为

3.待发送的每条扩频行串行的第一个PN码确定后，为PN_ji(t),(i＝1,2,…，r₁)。需要确定串行的第二个PN码，为了使接收效果更优，建立每条扩频行第二个PN码和第一个PN码的对应关系。第二组PN码还是从给出的M个扩频码中选择，将M个PN码分成n组，即每组r₂个码。则对于r₁个已选出的扩频行串行的第一个PN码，每个PN码都按序号对应扩频行串行的第二个被选的r₂个PN码，可表示为 $({\mathrm{PN}}_1,{\mathrm{PN}}_2,...{\mathrm{PN}}_{r_2}),({\mathrm{PN}}_{r_2+1},{\mathrm{PN}}_{r_2+2},...{\mathrm{PN}}_{{2r}_2}),...,$

从这r₁组PN码中每组选出一个码作为发送扩频行中串行的第二个PN码，即每组选择有r₂种可能状态，对应数据为log₂r₂，则r₁组对应信息数据为r₁log₂r₂。串行的第二个PN码为PN_li(t+N_TT_C)，(i＝1,2,…，r₁)。

4.上述算法对应后就可以选出r₁条扩频行码，每行串行2个PN码，PN码传输时还包括极性信息，对应数据为2r₁。最终输出传输的PN码串并组合扩频行[q1_jiPN_ji(t)q2_liPN_li(t+N_TT_C)]，（其中i＝1,2,…,r₁）。

下面参照附图2，对本文的发射方法做详细的介绍。附图2为本发明发送过程结构图。发送k比特数据d₁,d₂,…d_k，而后将k比特发送信息送入串/并转换器，获得k路信号。此k路并行信号送入数据算法映射模块，按照发明内容中给出的算法从输入的PN码中选出r₁条扩频序列来发送，可以表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{PN}\left(t\right)=(\begin{array}{cc}[{q1}_{j1}{\mathrm{PN}}_{j1}\left(t\right)& {q2}_{l1}{\mathrm{PN}}_{l1}(t+N_T{T}_C)],\end{array}\\ \begin{array}{cc}[{q1}_{j2}{\mathrm{PN}}_{j2}\left(t\right)& {q2}_{l2}{\mathrm{PN}}_{l2}(t+N_T{T}_C)],\end{array}\\ ...,\\ \begin{array}{cc}[{q1}_{{\mathrm{jr}}_1}{\mathrm{PN}}_{{\mathrm{jr}}_1}\left(t\right)& {q2}_{{\mathrm{lr}}_1}{\mathrm{PN}}_{{\mathrm{lr}}_1}(t+N_T{T}_C)\left]\right)\end{array}\end{array}$

r₁条扩频行并行组合等幅相加（-1或+1值相加）,形成组合多值信号：

$\mathrm{MD}(r_1,t)\underset{k=1}{\overset{r_1}{\mathrm{\Σ}}}{q1}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{PN}}_{\mathrm{jk}}\left(t\right){q2}_{\mathrm{lk}}{\mathrm{PN}}_{\mathrm{lk}}(t+N_T{T}_C)$

多值信号调制后，得到发送信号s(t)，在信道中传输

图3为本发明通信方法接收结构图，下面结合附图介绍下本发明的接收方法，发送信号经信道传输后，受到噪声的干扰，在接收端发大后得到信号为：

式中，n(t)为零均值的高斯白噪声。本发明假设收发两端载波的频率、码元相位和扩频行码元相位等完全同步。接收后，对r(t)解调，将信号搬移到基带。解调后分别用[PN_iPN_i]，(i＝1,2,…M)作解扩处理放大解调后，每条支路分两个相关区间

和

接收，相关器输出两个值V1_i和V2_i，(i＝1,2,…M)。在载波和扩频序列同步跟踪的情况下，第i对相关器输出为:

${V1}_i=\left\{\begin{array}{cc}{q1}_{\mathrm{jk}}\mathrm{PT}/2+N_i& (i=\mathrm{jk})\\ N_{i}i=(\mathrm{1,2},...,M)& (i\≠\mathrm{jk})\end{array}\right.$

${V2}_i=\left\{\begin{array}{cc}{q2}_{\mathrm{lk}}\mathrm{PT}/2+N_i& (i=\mathrm{lk})\\ N_{i}i=(\mathrm{1,2},...,M)& (i\≠\mathrm{lk})\end{array}\right.$

使用的两组正交序列行彼此正交，满足要求。相关后将获得的V1和V2值以及其对应PN码序号输入算法逆映射器，得出接收的k路数据信息。经并/串器转换，最终得到k比特信息。

根据图4所示，当M值一定时，r₂取不同的值，传输数据量k的范围如图，加号点线为常规并行组合扩频通信在r（即r₁值）取值不同的k值曲线，平滑曲线为本发明PN码串并组合扩频通信的k值曲线，每个图中M值确定，可见r₂取值不同时，k值范围差别很大。在r₁不变的情况下，当r₂值增大时，k值也增大，但k对应的最大值减小。根据并行组合扩频通信的通信性能可知，r₁值越大，误码率越差。由图可见，r₂＝2时改进通信传输数据的最大值大于常规并行组合扩频通信传输的最大值。

根据图5(a)所示，主要参数设置如图，常规的并行组合扩频通信扩频PN码码元个数N_T＝512，为确保每条扩频行的能量与原并行组合扩频序列的能量相同，每条扩频行两个PN码串行的PN码串并组合扩频通信中PN码码元个数N_T＝256，串行后每行码元个数2N_T＝512。由图可见本发明通信的误码率低于并行组合扩频通信误码率，且其效率高于并行组合扩频通信。

根据图5(b)所示，主要参数设置如图，即r₁取值较大时两种通信方法的误码率性能比较，码元设置同上图相同。此图采用的参数是r₁取较大值时，则对应的k值也接近最大值，由图可见，常规的并行组合扩频通信在信噪比较大时出现了地板效应，而本发明提出的改进并行组合扩频通信误码率没有此现象，且误码率低于常规并行组合扩频通信的误码率，可见在发端需要较高有效性的时候，本发明提供通信相当于常规的并行组合扩频通信有很大的优势。

Claims (2)

1.一种PN码串并组合联接的扩频通信方法，其特征是：

发射过程：

步骤一：发送的k比特数据记为d₁,d₂,…d_k，每个信息数据周期为T_d,其中kT_d＝2N_TT_C，N_T为每个PN码周期的码元个数，T_C为码片周期；k比特发送信息送入串/并转换器，获得k路信号；

步骤二：给出串行发送的M组PN码，将步骤一获得的k路信号分为四个部分，分别对应为log₂r₂，

r₁log₂r₂，2r₁；这四组数据按照对应算法从输入的PN码中选出r₁条扩频序列来发送，表示为：

$\begin{array}{c}\mathrm{PN}\left(t\right)=(\begin{array}{cc}[{q1}_{j1}{\mathrm{PN}}_{j1}\left(t\right)& {q2}_{l1}{\mathrm{PN}}_{l1}(t+N_T{T}_C)],\end{array}\\ \begin{array}{cc}[{q1}_{j2}{\mathrm{PN}}_{j2}\left(t\right)& {q2}_{l2}{\mathrm{PN}}_{l2}(t+N_T{T}_C)],\end{array}\\ ...,\\ \begin{array}{cc}[{q1}_{{\mathrm{jr}}_1}{\mathrm{PN}}_{{\mathrm{jr}}_1}\left(t\right)& {q2}_{{\mathrm{lr}}_1}{\mathrm{PN}}_{{\mathrm{lr}}_1}(t+N_T{T}_C)\left]\right)\end{array}\end{array}$

式中,q1_jk,q2_lk∈(+1,-1),l＝1,2,...,r₁，表示PN码的极性；r₁条扩频行并行组合等幅相加即-1或+1值相加，形成组合多值信号：

$\mathrm{MD}(r_1,t)\underset{k=1}{\overset{r_1}{\mathrm{\Σ}}}{q1}_{\mathrm{jk}}{\mathrm{PN}}_{\mathrm{jk}}\left(t\right){q2}_{\mathrm{lk}}{\mathrm{PN}}_{\mathrm{lk}}(t+N_T{T}_C)$

步骤三：将步骤二获得的信号进行调制，得到信号s(t)：

式中，P是载波功率，将获得的信号s(t)发射；

接收端过程：

步骤四：经信道传输后，接收端接收信号为：

式中，n(t)为零均值的高斯白噪声；

设收发两端载波的频率、码元相位和扩频行码元相位完全同步，对r(t)解调，将信号搬移到基带；

步骤五：在步骤四处理之后分别用[PN_iPN_i]，i＝1,2,…M作解扩处理放大解调后，每条支路分两个相关区间

和接收，相关器输出两个值，为V1_i和V2_i，i＝1,2,…M，在载波和扩频序列同步跟踪的情况下，第i对相关器输出为:

${V1}_i=\left\{\begin{array}{cc}{q1}_{\mathrm{jk}}\mathrm{PT}/2+N_i& (i=\mathrm{jk})\\ N_{i}i=(\mathrm{1,2},...,M)& (i\≠\mathrm{jk})\end{array}\right.$

${V2}_i=\left\{\begin{array}{cc}{q2}_{\mathrm{lk}}\mathrm{PT}/2+N_i& (i=\mathrm{lk})\\ N_{i}i=(\mathrm{1,2},...,M)& (i\≠\mathrm{lk})\end{array}\right.$

式中,T＝2N_TT_C为扩频行的总周期，i＝jk和i＝lk的积分是扩频行的自相关，i≠jk和i≠lk是互相关；使用的两组正交序列行彼此正交，满足要求；

步骤六：将步骤五获得的V1和V2值以及其对应PN码序号输入算法逆映射器，得出接收的k路数据信息；

步骤七：经并/串转换，得到k比特信息。

2.根据权利要求1所述的PN码串并组合联接的扩频通信方法，其特征是四个部分信号log₂r₂，r₁log₂r₂，2r₁的具体映射方法为：

（1）将M个PN  码平均分成r₂组，表示为(PN₁，PN₂，…PN_n)，(PN_n+1，PN_n+2，…PN_2n)，…(PN_M-n+1，PN_M-n+2，…PN_M)——令M和r₂为2的整数幂，则每组中有M/r₂个PN码，设n＝M/r₂，从r₂组中选择一组来作为发送第一个PN码的被选组，故有r₂种可能状态，对应信息数据为log₂r₂；

（2）被选组确定后，组中PN码序号对n取模，重新定义序号为(PN₁，PN₂，…PN_n)，从n个PN码(PN₁，PN₂，…PN_n)中选择r₁个PN码作为串行的第一个PN码组，映射原理与常规的并行组合扩频通信的字典排序一样，故有

种可能状态，对应信息数据为

（3）待发送的每条扩频行串行的第一个PN码确定后，为PN_ji(t),i＝1,2,…，r₁，需要确定串行的第二个PN码，建立每条扩频行第二个PN码和第一个PN码的对应关系，第二组PN码还是从给出的M个扩频码中选择，将M个PN码分成n组，即每组r₂个码，则对于r₁个已选出的扩频行串行的第一个PN码，每个PN码都按序号对应扩频行串行的第二个被选的r₂个PN码，表示为 $({\mathrm{PN}}_1,{\mathrm{PN}}_2,...{\mathrm{PN}}_{r_2}),({\mathrm{PN}}_{r_2+1},{\mathrm{PN}}_{r_2+2},...{\mathrm{PN}}_{{2r}_2}),...,({\mathrm{PN}}_{M-r_2+1},{\mathrm{PN}}_{M-r_2+2},...{\mathrm{PN}}_M),$ 从这r₁组PN码中每组选出一个码作为发送扩频行中串行的第二个PN码，即每组选择有r₂种可能状态，对应数据为log₂r₂，则r₁组对应信息数据为r₁log₂r₂，串行的第二个PN码为PN_li(t+N_TT_C)，i＝1,2,…，r₁；

（4）选出r₁条扩频行码后，每行串行2个PN码，PN码传输时还包括极性信息，对应数据为2r₁，最终输出传输的PN码串并组合扩频行[q1_jiPN_ji(t)q2_liPN_li(t+N_TT_C)]，其中i＝1,2,…,r₁。

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