基于差分检测的多载波无线通信系统研究

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摘 要： 针对载波相位难以恢复的不足，在研究的基础上选择了独特的方式对多载波频域扩频码片级差分进行检测，检测时克服各种难度，同时对接收机设计进行简化。该方法可提高直接序列扩频系统抵抗信道时间选择性衰落的能力，同时针对多载波频域扩频码片级差分检测的误码率性能进行理论分析。仿真实验表明，该方法可减少载波间干扰对码片级差分检测的影响，改善了在时间选择性较强的多载波频域扩频码片级差分检测信道中的性能。

关键词： 码片级差分检测； 多载波； 误码率； 载波相位

中图分类号： TN913.6?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）15?0014?04

Abstract： To overcome the shortcoming that the carrier phase is difficult to restore， the unique method is selected to detect the multi?carrier frequency domain spreading code chip?level difference to overcome various test difficulties， and the receiver design is simplified. This method can improve the ability of direct sequence spread spectrum system resisting the channel time selective fading. The bit error rate performance of the multi?carrier frequency domain spreading code chip?level differential detection is analyzed in this paper theoretically. The simulation experiment results show this method can reduce the effect of inter?carrier interference on code chip?level differential detection， and improve the performance of multi?carrier frequency domain spreading code chip?level differential detection with strong time selectivity in the channel.

Keywords： chip?level differential detection； multi?carrier； bit error rate； carrier phase

0 引 言

经过不断的发展，现在通信技术的主流是码分多址（CDMA）[1]。CDMA与TDMA以及FDMA相比较有更多的优点，比如可以软切换，具备软容量，可以抗拒窄带的干扰，频谱的利用率高等，也更加安全可靠。但是，现在CDMA运行扩频时，都会用序列扩频作为基础，这样，码片的速率提升以后，接收机的处理速度很快得到提升，因此在进行高速传输时就发生了许多问题，而另外一个缺陷就在于两个相邻的符号还会出现串扰的现象[2]。OFDM技术能够有效地缩减要求码片的效率，也可以抵挡信道的弥散。所以，以OFDM和CDMA相结合为基础的多载波频域扩频设计已经是社会热议的话题[3]。

针对多址技术和调制室内环境下的高速传输提出了多载波频域扩频方案，可以在一定程度上抵抗符号之间的干扰，也可以让频谱更高效。而且用离散傅里叶的转变作为其调制/解调部分的实现技术。该方案与OFDM比较，并不要加上发射或接收机器，所以研究价值在移动中体现[4?5]。

码片级的差分检验当初是在直接的序列扩频中出现的。这种方式跟以前的各种检验方式有很大不同，以扩频码片为基础。目前，在假设信道的衰落参数己知的情况下，基于对系统性能的相干检测实现对多载波频域扩频系统的性能研究。但是，目前主要采用基于导引符号辅助的信道估计获得信道数据。所以，针对如何分析多载波频域扩频里面的信道估计，本文把检验的方式直接运用到其中，在没有进行信道参数的确认时，探讨了以差分检测为基础的多载波频域扩频系统的功能。仿真实验表明，该方法可以减少载波间干扰对码片级差分检测的影响，改善了在时间选择性较强的多载波频域扩频码片级差分检测信道中的性能。

1 多载波频域扩频码片级差分检测系统模型

为了不让符号之间有干扰存在，就添加一个保护的时隙，此时的OFDM各采样的差距就是[Ts=T（N+G）]。

在这里采用频率选择的衰落信号形成延迟线信道的基本模型，抽头相差[Ts，]最大的多径时延小于或等于[LTs，]具有普遍性，如果信道具备等功率延迟分布而且每径功率是[1L，]也设定[G>L，]可以不去考虑多径信道带来的符号之间的干扰问题。

在图1（b）的接收机中，去掉接收数据符号里面的保护时隙，而后针对接收到的第[i]个OFDM符号运行[N]解调在DFT上运行的信息。本文将重点放在了对频域扩频码片级差分的检验，发现检验中的问题，所以如果运行时不注重信道在时间上的选择，同样会觉得发送信号经过了时间平坦?频率选择性的衰落[6]，因此在第

对该判决变量[Ξ，]在文献[6]中提到通过判决变量的矩生成函数进行误码率分析的方法，而该方法需要得到[u]的平均值以及相关矩阵。因为[HR，I，][HI，l]是信道频率响应的实部以及虚部，另外，信道时域冲激响应中每径都是均值为零的高斯过程，既然这样，[HR，I，][HI，l]的均值也应该是零，这时[NR，I，][NI，l]是高斯白噪声的实部以及虚部，它的均值是零，所以[u]的均值矢量是[4（N+1）]的全零列矢量，即[Eu=[0]4（N+1）×1]。具备等功率延迟分布的信道频率相关函数是：

3 数值运算及仿真实验

数值运算及仿真实验时采用的系统参数为： 参考802.l1a中一个OFDM符号周期的数据符号，其中，[T=3.2 ]μs，作为无信道的编码数据来源， Walsh?Hadamard （W?H）码的长度为64，作为扩频序列。多载波频域对应的扩频系统的子载波数[N=64，]保护时隙长度[G=16]可有效地抑制符号间的干扰。采用等功率延迟信道作为仿真信道，并不会影响到分析问题时的一般性，用[L]表示多径数目，用[Ts]表示每径时延，用[1L]表示每径功率，[L

图2给出了在不同多径数目[L]中的频域扩频码片级差分检测数据分析以及仿真结果。信道中多普勒的频移设为100 Hz，那么根据不同的信道中码片级差分的检验性能就会做不同的试验，多径的数量增加以后，信道的相干带宽减少，多径数目是6时，带宽最小，这个时候得到的值是15 kHz，对应的子载波间隔为[1T]=6.25 kHz，此时满足差分检测的条件，即子载波间隔不超过信道相干带宽。

从图3可以看出，随着[fdT]变大，系统误码率性能越来越差。当[fdT≤0.01]时，系统误码率的性能基本上不发生变化。当[fdT>0.1]时，信道会在时间选择性衰落上表现得非常严重，此时多普勒频移的载波间干扰就会对多载波频域扩频码片级差分检测的性能有很大影响。要使[fdT>0.1]的信道衰落情况出现的概率变小，应当设置符号时间[T]的数量级为微秒。因此，当[fdT

从上述理论分析和仿真实验的结果来看， 系统的性能得到进一步改善的前提条件是：随着信道径数[L]的不断增加，信道相干带宽越来越小。当[L]=6，同时信噪比的值为20 dB时，系统误码率的数值己经达到10-6量级，此时的信噪比为25 dB。准确的误码率性能是无法得到的，应为仿真的时间太长了，因此，只能给出理论分析的结果。利用整个传输带宽中所有码片上的信息，频域扩频码片级差分检测才能顺利进行，利用解扩累积信号能量得出精准的判决变量。如果信号衰落了，就可以从整个的传输带宽中看见，带宽比较小的信道中，衰落联系很少，也很少有受到衰落影响的码片。所以，解扩并积累输出变量才能让差分检验功能提升。

4 结 论

本文利用鞍点近似分析了码片级分差检验中的误码率，也同时做了相关的仿真测试，最终的理论与测试结果是近似一致的。仿真研究结果表明，多载波频域扩频码片级差分检测在相干带宽较小的信道中体现出更好的性能的前提是必须具有抵抗时间平坦?频率选择性衰落的特质。

参考文献

[1] HARA S， PRASAD R. Overview of multicarrier CDMA [J]. IEEE communications magazine， 1997， 35（12）： 126?133.

[2] 辛艳，粟欣.我国及全球B3G/4G研究及标准化进展[J].移动通信，2006，30（10）：13?17.

[3] LOK T M， WONG T F. Transmitter and receiver optimization in multicarrier CDMA systems [J]. IEEE transactions on communications， 2000， 48（7）： 1197?1207.

[4] SMIDA B， DESPINS C L， DELISLE G Y. MC?CDMA performance evaluation over a multipath fading channel using the characteristic function method [J]. IEEE transactions on communications， 2001， 49 （8）： 1325?1328.

[5] POPOVIC B M. Spreading sequences for multicarrier CDMA systems [J]. IEEE transactions on communications， 1999， 47（6）： 918?926.

[6] ZHANG Xiaoming， ZHANG Zhongzhao. Parameter estimation of DSSS signals in non?cooperative communication system [J]. Journal of systems engineering and electronics， 2007， 18（1）： 14?21.

[7] 郝久玉，王可，王小梅，等.基于小波包变换的多载波通信系统的实现[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2007，40（1）：24?27.