基于索引调制的多序列扩频系统

摘要

基于索引调制的多序列扩频系统与方法，属于无线通信中的扩频技术领域。系统发射端包括二进制/十进制转换模块、自然数映射与移位选择模块、移位模块、串并转换模块、星座映射模块、添CP模块和数模转换模块；接收端包括模数转换模块、去CP模块、信道估计模块、解扩模块、索引检测模块、索引解映射模块、十进制/二进制转换模块。发送端对附加信息比特进行索引调制，选择多个有不同循环移位的扩频序列对原始信息比特进行扩频叠加得到发送信号。接收端依据导频信号对信道估计，利用估计的信道状态信息对发送信号解扩，得到估计的信息比特及扩频序列的索引，从而恢复出原始信息比特及附加信息比特。既能很好抑制干扰，也能提高信息传输速率。

权利要求

1.基于索引调制的多序列扩频系统，其特征在于包括发射端和接收端；

发射端包括：二进制/十进制转换模块、自然数映射与移位选择模块、J个移位模块、串并转换模块、J个星座映射模块、添CP模块和数模转换模块；发射端将信源比特序列分为用于索引调制的附加信息比特序列bIM和扩频序列承载的信息比特序列b，bIM进入二进制/十进制转换模块得到十进制数Z，Z进入自然数映射与移位选择模块选择出J个位移，J个并列的移位模块与自然数映射与移位选择模块相连，并根据J个位移对移位序列同时进行移位得到J个扩频序列；扩频序列承载的信息比特序列b进入串并转换模块之后获得J组子比特序列，再进入J个星座映射模块，得到J个星座符号；J个星座符号通过乘法器与移位模块输出的J个扩频序列相乘并将结果与承载导频信号的扩频序列一起在加法器处相加得到扩频叠加信号x(i)；将x(i)送入添CP模块添加循环前缀，接着通过连接着的数模转换模块进行信号的数/模转换得到发送信号s(t)；

所述接收端包括：模数转换模块、去CP模块、信道估计模块、解扩模块、索引检测模块、索引解映射模块、十进制/二进制转换模块；接收端接收到信号r(t)送入模数转换模块进行信号的模/数转换，进入去CP模块去除循环前缀得到信号r(i)；r(i)首先进入信道估计模块进行信道估计得到信道估计量 然后原始扩频序列c进入并列的Jmax‑1个移位模块得到Jmax‑1个不同的移位序列，将这Jmax‑1个不同的移位序列、r(i)以及信道估计量 分别送入Jmax‑1个解扩模块得到Jmax‑1个判决变量Δ1, 将判决变量均取绝对值并送入索引检测模块即可得到位移估计量 将位移估计量送入索引解映射模块得到十进制数将其送入十进制/二进制转换模块转换为二进制比特序列 与此同时，判决变量选择模块依据位移估计量在Jmax‑1个判决变量选择出其中对应的J个并送入星座解调模块即得到恢复的信息比特序列

所述二进制/十进制转换模块用于将二进制序列转为十进制数；所述自然数映射与移位选择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个星座映射模块用于对发送符号进行星座调制，所述添CP模块用于对第i个扩频叠加信号x(i)添加循环前缀；所述数模转换模块将数字信号转换为模拟信号；

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 所述索引检测模块用于选择出判决变量的绝对值的最大值并估计出索引，所述索引解映射模块用于将估计的索引映射为自然数，所述十进制/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，即估计的附加信息比特序列

在发射端，假设发送的数据块包含原始信息比特序列b以及附加信息比特序列bIM，发送的信号表示为：

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，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为承载信息符号数目，T为循环移位矩阵，表达式为：

j(L+1)

其中，IM‑1表示M‑1阶单位矩阵；式(1)中T c则表示扩频序列c移位j(L+1)码片之后的序列；在多序列扩频系统中，所叠加的扩频序列的最大数目Jmax由信道的最大延迟扩展决定；对于给定的Jmax，选择同时发送J(2≤J≤Jmax)个信息符号，以进一步减小低数据速率系统中的符号间干扰，其中Jmax由下式确定:其中， 表示向下取整。

说明书

基于索引调制的多序列扩频系统

技术领域

[0001] 本发明属于无线通信中的扩频技术领域，尤其是涉及一种基于索引调制的多序列扩频系统与方法。

背景技术

[0002] 近年来，在军事，科学和民用的应用中，对高可靠性的水下无线通信的需求不断增加。但同时，由于水声环境下可用带宽不足，以及时域(多径延迟扩展)和频域(多普勒扩展) 
中严重的双重扩展现象，使得在水声信道下实现可靠通信变得非常困难。

[0003] 直接序列扩频利用了频率选择性水声信道中的频率分集，且从扩频增益中受益，从而能够以低信噪比进行通信。直接序列扩频技术被广泛应用于隐蔽通信中，但是，它通常
需要在接收机处进行复杂的基于RAKE接收机的相干检测，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几乎是不可能的。因此，许多学者对直接序列扩
频进行了改进。

[0004] 有学者提出了多序列扩频(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。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。

[0005] 为了提高数据传输速率和能量利用效率，提出了基于索引调制的多序列扩频系统和方法。索引调制(Index Modulation,IM)通过扩展基于常规二维信号星座图得到新的维
度以传输附加信息，因此该方案能够同时传输原始信息以及附加信息，提高了信息传输速
率。

发明内容

[0006] 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，并提高系统性能的基于索引调制的多序列扩频系统与方法。

[0007] 基于索引调制的多序列扩频系统，包括发送端和接收端；

[0008] 发射端包括：二进制/十进制转换模块、自然数映射与移位选择模块、J个移位模块、串并转换模块、J个星座映射模块、添CP模块和数模转换模块；

[0009] 所述二进制/十进制转换模块用于将二进制序列转为十进制数；所述自然数映射与移位选择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个星座映射模块用于对发送符号
进行星座调制，所述添CP模块用于对第i个扩频叠加信号x(i)添加循环前缀；所述数模转换
模块将数字信号转换为模拟信号；

[0010] 所述接收端包括：模数转换模块、去CP模块、信道估计模块、解扩模块、索引检测模块、索引解映射模块、十进制/二进制转换模块；

[0011] 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 所述索引检测模块用于选
择出判决变量的绝对值的最大值并估计出索引，所述索引解映射模块用于将估计的索引映
射为自然数，所述十进制/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，即估
计的附加信息比特序列

[0012] 基于索引调制的多序列扩频方法包括以下步骤：

[0013] 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扩频序列承载的信息比特序列组成的数据块,对附加信息比特序列进行索引调制，选择出多个有不同循环移
位的扩频序列对原始信息比特进行扩频叠加得到发送信号；

[0014] 2)在接收端，接收机将接收到的信号送入模数转换模块进行模/数转换，依据导频信号对信道进行估计，利用估计的信道状态信息对发送信号进行解扩，得到估计的信息比
特序列以及扩频序列的索引，从而恢复出原始信息比特序列及附加信息比特序列。

[0015] 在步骤1)中，所述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附加信息比特序列bIM和扩频序列承载的信息比特序列b组成的数据块,发射机将附加信息比
特序列 bIM经二进制/十进制转换模块转换为十进制数Z，根据参数Jmax‑1和J(J＜Jmax‑1)对Z 
进行自然数映射得到扩频序列索引j1...jJ，根据索引对扩频序列中选取J个位移，然后根据
选定的位移对原始扩频序列c进行移位，获得J个扩频序列，然后分别对信息符号进行扩频，
扩频后的信号叠加输出。

[0016] 在步骤2)中,所述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，得到第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Jmax‑1个扩
频序列，再依据信道估计量和移位后的扩频序列进行解扩，得到判决变量序列 以及
扩频序列的索引 对判决变量进行星座解调得到估计的承载信息比特序列 将估计
的索引映射为自然数并将其转换为二进制序列，得到估计的附加信息比特序列

[0017] 本发明提出了一种基于索引调制的多序列扩频(MSSS‑IM)系统，在发送端对附加信息比特进行索引调制，选择出多个有不同循环移位的扩频序列对原始信息比特进行扩频
叠加得到发送信号。在接收端，依据导频信号对信道进行估计，利用估计的信道状态信息对
发送信号进行解扩，得到估计的信息比特以及扩频序列的索引，从而恢复出原始信息比特
及附加信息比特。本发明在对于给定的最大数量的扩频移位序列中，选择其中的部分序列
对信号进行扩频并叠加，所选的扩频序列由附加信息比特使用组合自然数映射的方法确
定，因此附加信息比特由扩频序列的索引携带。所选的扩频序列中第一个承载用作信道估
计的导频信号，其余的是用于承载信息比特。因此，本发明既能够很好的抑制干扰，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，且提高了系统性能。

附图说明

[0018] 图1为系统发射端的框图；

[0019] 图2为系统接收端的框图；

[0020] 图3为系统接收端信道估计的框图；

[0021] 图4为在多径瑞利衰落信道下，基于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Jmax＝9，叠加信息承载扩频序列数分别为J＝7,4,1；

[0022] 图5为在多径瑞利衰落信道下，基于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Jmax＝5，叠加的信息承载扩频序列数分别为J＝3,1。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 发射机发送用于索引调制的附加信息比特序列bIM和移位扩频序列承载的信息比特序列 b组成的数据块，扩频序列承载的信息比特序列b经过串并变换模块及星座映射模
块得到信息符号 附加信息比特序列bIM经二进制/十进制转换模块被转换为十进制
数Z，自然数映射与位移选择模块根据参数Jmax‑1、Z和J进行组合自然数映射(索引调制)得
到扩频序列的位移索引j1...jJ。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j1(L+1),....,jJ(L+1)的移位(L为信道的最大时延扩展)，获得J路信
息符号的扩频序列，并与信息符号 相乘进行扩频，同时，导频信号(pilot)被原始扩
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得到第i个扩频叠加信号x
(i)，再通过添加循环前缀(CP)及进行数/模转换得到发送信号s(t)。

[0025] 接收机接收到信号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)，得到第i个接收信号序列r(i)。接收端根据导频信号(pilot)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c同时送入Jmax‑1个移位
支路，对原始扩频序列c分别进行(L+1),2(L+1)....,(Jmax‑1)(L+1)的移位，得到Jmax‑1个扩
频序列，然后，估计的信道状态信息、r(i)和移位后的扩频序列一起送入到解扩模块，在
Jmax‑1个解扩模块中进行相关计算得到Jmax‑1个判决变量 并分别输入到Jmax‑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个最大的绝对值作为
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量选取器，选取J
个判决变量送入星座解映射模块并输出估计信息比特序列 此外，将估计得到的位移送
入索引映射模块将它们映射为自然数，再将其送入十进制/二进制转换模块转换为二进制
序列，得到估计的附加信息比特序列

[0026] 图1为系统发射端的框图，其中包括：二进制/十进制转换模块将二进制序列转为十进制数、自然数映射与移位选择模块进行索引调制、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个星座映射模块对发送符号进行星座调
制、添 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，其具体工作过程如下：

[0027] 在发射端，假设发送的数据块包含原始信息比特序列b以及附加信息比特序列bIM，发送的信号可以表示为：

[0028]

[0029] 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，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为承载信息符号数
目， T为循环移位矩阵，表达式为：

[0030]

[0031] 其中，IM‑1表示M‑1阶单位矩阵。式(1)中Tj(L+1)c则表示扩频序列c移位j(L+1)码片之后的序列。在多序列扩频系统中，所叠加的扩频序列的最大数目J由信道的最大延迟扩展
决定。对于给定的Jmax，可以选择同时发送J(2≤J≤Jmax)个信息符号，以进一步减小低数据
速率系统中的符号间干扰，其中Jmax由下式确定:

[0032]

[0033] 其中， 表示向下取整。对于本发明提出的基于索引调制的多序列扩频方案，由于共存在Jmax‑1个可能的循环移位扩频序列，只选择其中J个用作扩频序列，索引为j1...jJ，
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bIM对应着一种索引，也就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。

[0034] 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：

[0035] r(i)＝H(i)x(i)+HIBI(i)x(i‑1)+n(i)                 (4)

[0036] 式中，第二项表示块间干扰IBI，H(i)和HIBI(i)为M×M的信道矩阵，表达式为 [H(i)]m,n＝h(i；m‑n)和[HIBI(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

[0037] 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，系统发送接收信号的关系表示为：

[0038]

[0039] 其中，去除循环前缀之后等效的信道矩阵 表达式为：

[0040]

[0041] 将式(1)和式(6)代入式(5)，得到接收信号表达式为：

[0042]

[0043] 为了恢复出第j个信息符号，设计了匹配滤波器 得到匹配滤波器输出之后，便可从式(7)中提取出发送符号s(i,j)以及信道状态信息h(i；l)。匹配滤波器输
出表达式为：

[0044]

[0045] 且由于满足关系TM＝IM以及[Ti]T＝TM‑i，式(8)可化为：

[0046]

[0047] 得到上式的结果是由于，当扩频序列为m序列时，满足下式：

[0048]

[0049] 当l＝l'且j＝j'时，式(9)的第一项可表示为：

[0050]

[0051] 而当l≠l'或者j≠j'时，式(9)的第二项可表示为：

[0052]

[0053] 式(9)的结果包含三部分，Mh(l)s(j)是在当前数据块上的信道抽头加权之后第j个信号的主要成分；vI(j；l)在j＝j'表示由多径时延扩展引起的符号间干扰，在j≠j'时表
示同时叠加其他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，导频信号也被扩频叠加,用作信道估计。假定导频信号为s(i,0)，则
估计的信道状态信息为：

[0054]

[0055] 为了恢复出信息比特序列以及附加信息比特序列，利用信道估计量 获得判决变量为：

[0056]

[0057] 其中， |·|表示2范数。在Jmax‑1个判决变量中只有J个是所需的。为了选择出该J个，令Ω＝{|z(1)|,|z(2)|,...,|z(Jmax‑1)|}，利用以下算法1获得J
个索引：

[0058] 算法1估计循环移位扩频序列索引

[0059] 1:初始化：令i＝1,Φ＝Ω

[0060] 2:重复

[0061] 3：

[0062] 4:：令

[0063] 5：i＝i+1

[0064] 6：直到i＝＝J

[0065] 7： 排序获得索引的估计

[0066] 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确定了扩频序列的索引之后，扩频序列上承载的第i个数据块的J个调制符号可表示
为：

[0067]

[0068] 将该J个调制符号进行星座解映射即可获得信息比特序列 图1显示了系统的发射端框图；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 索引检测模块选择出
判决变量的绝对值的最大值并估计出索引、索引解映射模块将估计的索引映射为自然数、
十进制/ 二进制转换模块将十进制的自然数转换为二进制序列，即估计的附加信息比特序
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。

[0069] 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，信道为多径瑞利衰落信道，信道路径数分别为：L＝104,L＝
204, 信道功率延时谱为等功率。

[0070] 图4显示了MSSS‑IM系统以及原MSSS系统在104径瑞利衰落信道上的仿真结果，其中 MSSS系统选择9个扩频序列叠加，即Jmax＝9，其中一个承载导频信号，另外8个承载信息
符号；而对于MSSS‑IM系统，Jmax‑1＝8，J＝7,4,1，即从可选的8个序列中分别选取7,4,1 个
信息扩频序列进行叠加。如图所示，在J＝7时，调制阶数为4时，MSSS系统在一个扩频周期内
传输的信息比特数为16，而MSSS‑IM系统为17。此时，MSSS系统在低信噪比时，BER曲线表明
较MSSS‑IM系统的性能略微好一点，但当信噪比不断增大至约‑17dB时，MSSS‑IM系统的性能
较MSSS系统开始有了提升。这说明所提出的新系统改善了在多径瑞利衰落信道下系统的性
能，又由于同时传输了附加信息比特而提高了信息传输速率。注意到当Jmax一定时，J 的值
对MSSS‑IM系统性性能有不小的影响。

[0071] 图5显示了MSSS‑IM系统以及原MSSS系统在204径瑞利衰落信道上的仿真结果，其中 MSSS系统选择5个扩频序列叠加，即Jmax＝5；而对于MSSS‑IM系统，Jmax‑1＝4，J＝3,1。如
图所示，MSSS系统仍然在低信噪比时相比于MSSS‑IM系统性能略好，信噪比不断增大至约 ‑
15dB时，MSSS‑IM系统的性能相比于MSSS系统开始有了提升，但提升较小。此外，在J值为3和
1的情况下，BER曲线几乎重合，这是由于Jmax的值过小，不同的J值对系统性能没有太大影
响。

[0072] 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传输效率和系统性能，实现了系统的
性能与频谱效率之间的权衡。