CN112422149B - I/q双支路索引调制多序列扩频系统与方法 - Google Patents

Abstract

I/Q双支路索引调制多序列扩频系统与方法，属于无线通信中的扩频技术领域。在发送端，发射机发送用于索引调制的附加信息比特序列和调制信息比特序列组成的第i个数据块，将附加信息比特序列分成等长的两组，并分别进行索引调制，选择出两组具有不同循环移位的扩频序列，进而对调制信息比特序列进行扩频并叠加，得到发送信号；在接收端，接收机利用导频信号以及接收到的信号对信道进行估计，根据估计的信道状态信息对接收信号进行解扩，得到估计的调制比特序列以及两组扩频序列的索引，从而恢复出调制信息比特序列及两组附加信息比特序列组成的发送数据块。能较好抑制干扰，提高信息传输速率。在多径瑞利信道下提高信息传输速率，误码性能好。

Description

I/Q双支路索引调制多序列扩频系统与方法

技术领域

本发明属于无线通信中的扩频技术领域，尤其是涉及一种I/Q双支路索引调制的多序列扩频系统与方法。

背景技术

近年来，水声环境下无线通信的研究成为热点，对高可靠性的水下无线通信的需求也不断增加。但由于水声信道可用带宽不足，及时域(多径延迟扩展)和频域(多普勒扩展)严重双重扩展的特点，使得在水声信道下实现可靠通信变得非常困难。

直接序列扩频系统因具有抗干扰、抗噪声、抗多径衰落、保密性强、可多地址复用和高精度测量等优点,被广泛应用于各种军用和民用通讯以及导航系统中。而在水声信道下，它利用频率选择性水声信道中的频率分集，从扩频增益中受益，从而能够以低信噪比进行通信，因此直接序列扩频技术同样被广泛应用于隐蔽水声通信中，但是，它通常需要在接收端进行复杂的相干检测，并且需要信道在扩频序列周期内保持时不变，这对于快时变的水声信道而言相当困难；因此，许多学者对直接序列扩频做出改进。

有学者提出多序列扩频(Multiple Sequences Spreading,MSS)系统，该系统首先获得原始扩频序列的多个循环移位序列，同时调制多个不同的符号并叠加。在接收机处，利用导频信号进行信道估计，并利用估计的信道状态信息对接收信号进行解扩，从而实现对时延多径干扰的抑制。且由于导频承载扩频序列和数据承载扩频序列通过相同的信道，因此MSS系统在快速时变信道上显示出良好的性能；但是，扩频系统的数据传输速率较低是其致命的缺点。

为了提高数据传输速率和能量利用效率，本发明提出I/Q双支路索引调制多序列扩频系统与方法。索引调制(Index Modulation,IM)通过扩展常规二维星座图以传输附加信息，I/Q双支路索引调制同时对I、Q两路进行索引调制；因此，本发明能够同时传输二维星座符号以及双支路附加信息，提高了信息传输速率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的多序列扩频系统信息传输速率不高等问题，提供一种可提高系统信息传输速率，并保证系统性能的I/Q双支路索引调制多序列扩频系统与方法。

所述I/Q双支路索引调制多序列扩频系统包括发射端与接收端；

所述发射端包括十进制转换模块、移位序列选择器模块、J个移位模块、串并转换模块、J个星座调制模块和添加CP模块；所述十进制转换模块用于将二进制序列转换为十进制数，所述移位序列选择器模块用于进行索引调制，所述J个移位模块用于对原始扩频序列c进行不同移位，所述串并转换模块用于将串行数据转换为并行，所述J个星座调制模块用于对发送符号进行星座映射，所述添加CP模块用于对第i个扩频叠加信号x(i)添加循环前缀以及数模转换模块将数字信号转换为模拟信号；

所述接收端包括模数转换模块、去除CP模块、信道估计模块、解扩模块、两个索引检测模块、两个索引解映射模块、二进制转换模块、判决变量选择模块和星座解调模块；所述模数转换模块用于将接收到的模拟信号转换为数字信号，所述去除CP模块用于去除接收信号的循环前缀，所述信道估计模块用于得到信道估计量

所述解扩模块用于对信道估计量和移位扩频序列作相关得到判决变量

所述两个索引检测模块用于选择出判决变量的绝对值的J个最大值并估计出索引，所述两个索引解映射模块用于将估计的索引映射为自然数，所述二进制转换模块用于将十进制的自然数转换为二进制序列，所述判决变量选择模块用于根据两组估计的索引估计星座符号的实部和虚部并判决，所述星座解调模块用于对估计的星座符号进行星座解映射得到估计的调制信息比特序列

所述I/Q双支路索引调制多序列扩频方法，包括以下步骤：

1)在发送端，发射机发送用于索引调制的附加信息比特序列和调制信息比特序列组成的第i个数据块，将附加信息比特序列分成等长的两组，并分别进行索引调制，选择出两组具有不同循环移位的扩频序列，进而对调制信息比特序列进行扩频并叠加，得到发送信号；

2)在接收端，接收机利用导频信号以及接收到的信号对信道进行估计，根据估计的信道状态信息对接收信号进行解扩，得到估计的调制比特序列以及两组扩频序列的索引，从而恢复出调制信息比特序列及两组附加信息比特序列组成的发送数据块。

在步骤1)中，得到发送信号的具体步骤可为：发射机发送用于索引调制的两组附加信息比特序列和调制信息比特序列组成的数据块，分别为：I路附加信息比特序列I_IM、Q路附加信息比特序列Q_IM以及调制信息比特序列b；发射机将I、Q两路附加信息比特序列经十进制转换模块转换为十进制数Z_I及Z_Q，根据移位扩频序列总数J_max-1和所需移位扩频序列数J(J＜J_max-1)两个参数分别对Z_I及Z_Q进行移位序列选择得到两组扩频序列的索引j_I,1...j_I,J和j_Q,1...j_Q,J。根据两组索引对扩频序列选取两组的J个位移，然后依据所选择的位移对原始扩频序列c进行移位，获得I、Q两路的两组J个移位扩频序列；对调制信息比特序列b进行星座调制，并获得实部

和虚部

I路移位扩频序列对实部进行扩频，Q路移位扩频序列对虚部进行扩频，两路扩频后的信号全部与扩频后的导频信号叠加得到叠加信号x(i)，最后经过添加CP模块添加循环前缀以及数模转换模块将数字信号转换为模拟信号得到发送信号s(t)。

在步骤2)中，所述恢复出调制信息比特序列及两组附加信息比特序列组成的发送数据块的具体步骤可为：接收机收到受多径衰落和加性高斯白噪声影响的信号r(t)，将接收信号r(t)进行模/数转换并去掉循环前缀之后，获得第i个接收信号序列r(i)，依据导频信号对信道进行估计得到信道估计量，同时将原始扩频序列c进行移位，得到J_max-1个移位扩频序列，再依据信道估计量和移位扩频序列进行解扩，得到解扩变量

分别选取解扩变量的实部和虚部的绝对值进行索引检测，获得两组估计的索引

通过两组索引选择判决变量得到估计的调制信息星座符号的实部

和虚部

对其进行星座解调恢复出估计的调制信息比特序列

同时，将估计的两组索引映射为自然数并将其转换为二进制序列，恢复出估计的两组附加信息比特序列

和

本发明提出一种I/Q双支路索引调制的多序列扩频系统(MSSS-IM-QI)，在发送端对两路附加信息比特序列进行索引调制，选择出两组多个具有不同循环移位的扩频序列，分别对调制信息比特序列的星座符号的实数和虚数部分进行扩频叠加得到发送信号。在接收端，依据导频信号对信道进行信道估计，利用估计的信道状态信息对接收信号进行解扩，得到估计的星座符号和两组扩频序列的索引，从而可恢复出调制信息比特序列和两路附加信息比特序列，所选择的扩频序列由附加信息比特序列使用组合自然数映射的方法确定，因此附加信息比特序列由扩频序列的索引携带。此外，导频信号被原始扩频序列c扩频，并与其他扩频信号叠加。因此，本发明既能够较好地抑制干扰，同时也能够提高信息传输速率。计算机仿真结果表明，本发明在多径瑞利信道下提高了信息传输速率，且具有良好的误码性能。

附图说明

图1为所述I/Q双支路索引调制多序列扩频系统发射端的框图；

图2为所述I/Q双支路索引调制多序列扩频系统接收端的框图；

图3为所述I/Q双支路索引调制多序列扩频系统接收端信道估计的框图；

图4为在多径瑞利衰落信道下，基于I/Q双支路索引调制的多序列扩频系统在不同叠加扩频序列数目下与常规多序列扩频系统的误比特率性能比较曲线。信道路径数为L＝104，总扩频序列数为J_max＝9，叠加的调制信息承载扩频序列数分别为J＝7,4,1；

图5为在多径瑞利衰落信道下，基于I/Q双支路索引调制的多序列扩频系统在不同叠加扩频序列数目下与常规多序列扩频系统的误比特率性能比较曲线。信道路径数为L＝204，总扩频序列数为J_max＝5，叠加的调制信息承载扩频序列数分别为J＝3,1。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例将结合附图进一步阐述本发明。

发射机发送用于索引调制的两路附加信息比特序列I_IM、Q_IM和移位扩频序列承载的调制信息比特序列b组成的数据块，调制信息比特序列b经过串并变换模块及星座调制模块得到信息符号

并取其实部

和虚部

两路附加信息比特序列I_IM和Q_IM经十进制转换模块分别被转换为十进制数Z_I和Z_Q，移位序列选择器模块根据Z_I和Z_Q得到两组扩频序列的位移索引j_I,1...j_I,J和j_Q,1...j_Q,J。原始扩频序列c分别送入移位模块1，…,移位模块J，对原始扩频序列c分别进行j_I,1(L+1),....,j_I,J(L+1)和j_Q,1(L+1),....,j_Q,J(L+1)的移位(L为信道的最大时延扩展)，获得两组的J个扩频序列，并分别与实部

和虚部

相乘进行扩频。同时，导频信号(pilot)与原始扩频序列c相乘进行扩频，然后将所有扩频后的信号在时域叠加，获得第i个扩频叠加信号x(i)，再通过添加循环前缀(CP)及数/模转换得到发送信号s(t)。

接收机接收到受多径衰落和加性高斯白噪声影响的信号r(t)后，将r(t)送入模数转换模块，进行模/数转换之后送入去CP模块去除循环前缀(CP)，获得第i个接收信号序列r(i)。接收端根据导频信号与原始扩频序列c进行信道估计得到信道状态信息

原始扩频序列同时送入J_max-1个移位模块，对原始扩频序列c分别进行(L+1),2(L+1)....,(J_max-1)(L+1)的移位，得到J_max-1个移位扩频序列。然后，将估计的信道状态信息、r(i)和移位扩频序列一起送入到解扩模块，在J_max-1个解扩模块中进行相关计算得到J_max-1个判决变量

并取出判决变量的实部和虚部，分别输入到J_max-1个取绝对值器，对它们取绝对值，之后送入到索引检测器，选取其中J个最大的绝对值并得到两组发送端移位扩频序列的位移估计量，即

最后将估计的索引送入判决变量选择器，选取出两组J个判决变量

和

将两组判决变量按照对应的实部和虚部相加合并，送入星座解调模块输出得到估计的调制信息比特序列

此外，将估计得到的两组索引送入索引映射模块将它们映射为自然数

和

再将其送入十进制/二进制转换模块转换为二进制序列，恢复出估计的附加信息比特序列

和

图1为系统发射端的框图，其中包括：十进制转换模块将二进制序列转换为十进制数、移位序列选择器模块进行索引调制、J个移位模块对原始扩频序列c进行不同移位、串并转换模块将串行数据转换为并行、J个星座调制模块对发送符号进行星座映射、添加CP模块对第i个扩频叠加信号x(i)添加循环前缀以及数模转换模块将数字信号转换为模拟信号；图2显示了系统的接收端框图，其中包括：模数转换模块将接收到的模拟信号转换为数字信号、去除CP模块去除接收信号的循环前缀、信道估计模块得到信道估计量

解扩模块对信道估计量和移位扩频序列作相关得到判决变量

两个索引检测模块选择出判决变量的绝对值的J个最大值并估计出索引、两个索引解映射模块将估计的索引映射为自然数、二进制转换模块将十进制的自然数转换为二进制序列，判决变量选择模块根据两组估计的索引估计星座符号的实部和虚部并判决、星座解调模块对估计的星座符号进行星座解映射得到估计的调制信息比特序列

所述I/Q双支路索引调制多序列扩频系统的具体工作过程如下：

在发射端，假设发送的数据块包含调制比特序列b以及两路附加信息比特序列I_IM和Q_IM，发送的信号可表示为：

其中，符号s(i,j)由原始信息比特序列b∈{0,1}星座映射得到，表示第i个数据块的第j个符号，j_I,j,j_Q,j表示两路不同的索引，c是长度为M的原始扩频序列，L表示信道的最大路径数，J为调制信息符号的数目，R{·},I{·}分别表示取实部和虚部操作，T为循环移位矩阵，表达式为：

其中，I_M-1表示M-1阶单位矩阵。式(1)中

则表示扩频序列c移位j_n,j(L+1)码片之后的序列，n∈{I,Q}。在多序列扩频系统中，所叠加的扩频序列的最大数目J_max由信道的最大时延扩展决定。对于给定的J_max，可以选择同时发送J(2≤J≤J_max)，以进一步减小在低数据传输速率系统中的符号间干扰，其中J_max由下式确定：

其中，

表示向下取整。对于本发明提出的基于I/Q双支路索引调制的多序列扩频方案，由于共存在J_max-1个可能的循环移位扩频序列，每路只选择其中J个用作扩频序列，索引为j_I,1...j_I,J和j_Q,1...j_Q,J，存在共

种选择方式，

索引调制将每一种选择方式对应为一个比特序列，因而附加信息比特序列I_IM和Q_IM均对应着一种扩频序列的选择方式，从而达到利用扩频序列的选择方式携带附加信息比特的目的，提高信息传输速率。

对于多径信道上的逐个数据块传输，第i个接收信号序列r(i)不仅包含第i个发送块的信号，也包含前一个数据块的块间干扰IBI。则接收端接收到的信号可表示为：

r(i)＝H(i)x(i)+H_IBI(i)x(i-1)+n(i) (4)

式中，第二项表示块间干扰IBI，H(i)和H_IBI(i)为M×M的信道矩阵，表达式为[H(i)]_m,n＝h(i；m-n)和[H_IBI(i)]_m,n＝h(i；M+m-n)，且m,n＝1,...,M,n(i)代表独立同分布的加性高斯白噪声，且

为了消除块间干扰的影响，采用了在发送端插入循环前缀(CP)的方法。经过插入和去除循环前缀(CP)之后，系统的发送接收信号的关系可表示为：

其中，去除循环前缀之后等效的信道矩阵

表达式为：

将式(1)和式(6)代入式(5)，得到接收信号表达式为：

为了恢复出第j个调制信息符号，设计了匹配滤波器，其表达式为：

得到匹配滤波器的输出之后，从式(7)中提取出发送符号s(i,j)的实数部分和虚数部分以及信道状态信息h(i；l)。匹配滤波器的输出表达式为：

且由于循环移位矩阵T满足关系式T^M＝I_M以及[Tⁱ]^T＝T^M-i，式(8)可化为：

上式的获得同时利用了扩频序列的特性，当扩频序列为m序列时，满足下式：

对于等式(9)，当l＝l'且j＝j_I,j'时，第一项可表示为：

当l＝l'且j＝j_Q,j'时，第二项可表示为：

而当l≠l'或者j≠j_I,j'时，式(9)的第三项可表示为：

当l≠l'或者j≠j_Q,j'时，式(9)的第四项可表示为：

式(9)的结果主要包含三个部分，Mh(l)R{s(j)}，Mh(l)I{s(j)}是在当前数据块上的信道抽头加权之后第j个信号实数和虚数部分的主要成分；v_l，1(j,l)，v_l，2(j,l)分别在j＝j_I,j'和j＝j_Q,j'时表示由多径时延扩展引起的符号间干扰，而在j≠j_I,j'和j≠j_Q,j'时表示同时叠加其它J-1个符号引起的干扰；η(j；l)表示信道噪声，服从

的分布。为了克服信道的时变性，导频信号也同时被扩频叠加,用作信道估计。假定导频信号为s(i,0)，则估计得到的信道状态信息表示为:

为了恢复出调制信息比特序列以及两路附加信息比特序列，利用估计的信道状态信息

收集所有信道抽头的能量，得到判决变量为：

其中，

||·||表示二范数。由于存在双支路的索引调制，需要进行两次对判决变量的选择，一次选择出星座符号的实部，一次选择出虚部。在每次选择中，J_max-1个判决变量中只有J个是所需的，因而需要估计出J个索引。在进行实部的选择时，令Ω＝{|R{z(1)}|,|R{z(2)}|,...,|R{z(J_max-1)}|，否则令Ω＝{|I{z(1)}|,|I{z(2)}|,...,|I{z(J_max-1)}|,利用以下算法获得J个索引的估计：

对获得的索引估计量

进行索引解调即可得到附加信息比特序列，n＝I时得到附加信息比特序列

n＝Q时得到附加信息比特序列

确定估计出的扩频序列的索引之后，通过以下关系式分别得到扩频序列上承载的第i个数据块的J个星座符号的实部和虚部：

将该J个星座符号的实部和虚部对应合并，得到J个估计的星座符号，对其进行星座解调之后即恢复出调制信息比特序列

图3显示了接收端进行信道估计的框图，包括L+1个乘法器，将接收信号y与系数

以及原始扩频序列c的各个移位序列相乘得到信道估计量。

上述过程给出了本发明所述I/Q双支路索引调制多序列扩频系统的基本原理。为了更好地阐述其有效性，在此展示一些计算机仿真结果。在仿真中，使用长度M＝1023的m序列作为扩频序列，信道为频率选择性衰落信道，信道路径数分别为：L＝104,L＝204,信道功率延时谱为等功率。

图4给出MSSS-IM-QI系统以及原MSS系统在104径瑞利衰落信道上的仿真结果，MSS系统选择9个移位扩频序列叠加，即J_max＝9，其中一个承载导频信号，另外8个承载调制信息符号；而对于MSSS-IM-QI系统，J_max-1＝8，J＝7,4,1，即从可选的8个序列中分别选取两组的7,4,1个移位扩频序列，两组移位扩频序列分别对调制信息符号的实部和虚部进行扩频叠加。如图所示，在J＝7，调制阶数为4时，MSS系统在一个扩频周期内传输的信息比特数为16，而MSSS-IM-QI系统为20。此时，BER曲线表明MSS系统的性能较MSSS-IM-QI系统的性能要好些，这是由于叠加的扩频序列数较大，受到的干扰较大，影响误码性能。在J＝4,1时，MSSS-IM-QI系统的性能相比于MSS系统要提升很多，但在一个扩频周期内传输的信息比特数分别为14，8，少于MSS系统。这说明MSSS-IM-QI系统的性能与数据传输效率之间存在权衡。

图5给出MSSS-IM-QI系统以及原MSS系统在204径瑞利衰落信道上的仿真结果，MSS系统选择5个移位扩频序列叠加，即J_max＝5；而对于MSSS-IM-QI系统，J_max-1＝4，J＝3,1。如图所示，在J＝3时，MSS系统性能略好于MSSS-IM-QI系统，但在一个扩频周期内，后者能够比MSS系统多传输2个比特。这说明所提出的新系统能够保证在多径瑞利衰落信道下系统的性能，又由于同时传输了两组附加信息比特而提高了信息传输速率。

以上给出了本发明的基本原理、主要特征和优点。本发明提出的基于I/Q双支路索引调制的多序列扩频系统，通过以选择扩频序列的方式不同而附加了部分信息比特，提高了系统的信息传输速率，且能根据所选的叠加的扩频序列个数调节系统的传输效率和性能，实现了系统的性能与频谱效率之间的权衡。

Claims (4)

1.I/Q双支路索引调制多序列扩频系统，其特征在于包括发射端与接收端；

所述发射端包括十进制转换模块、移位序列选择器模块、J个移位模块、串并转换模块、J个星座调制模块和添加CP模块；所述十进制转换模块用于将二进制序列转换为十进制数，所述移位序列选择器模块用于进行索引调制，所述J个移位模块用于对原始扩频序列c进行不同移位，所述串并转换模块用于将串行数据转换为并行，所述J个星座调制模块用于对发送符号进行星座映射，所述添加CP模块用于对第i个扩频叠加信号x(i)添加循环前缀以及数模转换模块将数字信号转换为模拟信号；

所述接收端包括模数转换模块、去除CP模块、信道估计模块、解扩模块、两个索引检测模块、两个索引解映射模块、二进制转换模块、判决变量选择模块和星座解调模块；所述模数转换模块用于将接收到的模拟信号转换为数字信号，所述去除CP模块用于去除接收信号的循环前缀，所述信道估计模块用于得到信道估计量

所述解扩模块用于对信道估计量和移位扩频序列作相关得到判决变量

所述两个索引检测模块用于选择出判决变量的绝对值的J个最大值并估计出索引，所述两个索引解映射模块用于将估计的索引映射为自然数，所述二进制转换模块用于将十进制的自然数转换为二进制序列，所述判决变量选择模块用于根据两组估计的索引估计星座符号的实部和虚部并判决，所述星座解调模块用于对估计的星座符号进行星座解映射得到估计的调制信息比特序列

2.I/Q双支路索引调制多序列扩频方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在发送端，发射机发送用于索引调制的附加信息比特序列和调制信息比特序列组成的第i个数据块，将附加信息比特序列分成等长的两组，并分别进行索引调制，选择出两组具有不同循环移位的扩频序列，进而对调制信息比特序列进行扩频并叠加，得到发送信号；

2)在接收端，接收机利用导频信号以及接收到的信号对信道进行估计，根据估计的信道状态信息对接收信号进行解扩，得到估计的调制比特序列以及两组扩频序列的索引，从而恢复出调制信息比特序列及两组附加信息比特序列组成的发送数据块。

3.如权利要求2所述I/Q双支路索引调制多序列扩频方法，其特征在于在步骤1)中，得到发送信号的具体步骤为：发射机发送用于索引调制的两组附加信息比特序列和调制信息比特序列组成的数据块，分别为：I路附加信息比特序列I_IM、Q路附加信息比特序列Q_IM以及调制信息比特序列b；发射机将I、Q两路附加信息比特序列经十进制转换模块转换为十进制数Z_I及Z_Q，根据移位扩频序列总数J_max-1和所需移位扩频序列数J(J＜J_max-1)两个参数分别对Z_I及Z_Q进行移位序列选择得到两组扩频序列的索引j_I,1...j_I,J和j_Q,1...j_Q,J；根据两组索引对扩频序列选取两组的J个位移，然后依据所选择的位移对原始扩频序列c进行移位，获得I、Q两路的两组J个移位扩频序列；对调制信息比特序列b进行星座调制，并获得实部

和虚部

I路移位扩频序列对实部进行扩频，Q路移位扩频序列对虚部进行扩频，两路扩频后的信号全部与扩频后的导频信号叠加得到叠加信号x(i)，最后经过添加CP模块添加循环前缀以及数模转换模块将数字信号转换为模拟信号得到发送信号s(t)。

4.如权利要求2所述I/Q双支路索引调制多序列扩频方法，其特征在于在步骤2)中，所述恢复出调制信息比特序列及两组附加信息比特序列组成的发送数据块的具体步骤为：接收机收到受多径衰落和加性高斯白噪声影响的信号r(t)，将接收信号r(t)进行模/数转换并去掉循环前缀之后，获得第i个接收信号序列r(i)，依据导频信号对信道进行估计得到信道估计量，同时将原始扩频序列c进行移位，得到J_max-1个移位扩频序列，再依据信道估计量和移位扩频序列进行解扩，得到解扩变量

分别选取解扩变量的实部和虚部的绝对值进行索引检测，获得两组估计的索引

通过两组索引选择判决变量得到估计的调制信息星座符号的实部

和虚部

对其进行星座解调恢复出估计的调制信息比特序列

同时，将估计的两组索引映射为自然数并将其转换为二进制序列，恢复出估计的两组附加信息比特序列

和

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