Sıkıştırılmış sinyal işlemeye dayalı BOC sinyal demodülasyonu
Geleneksel A / D, Shannon-Nyquist örnekleme teorisini benimser ve örnekleme hızı, bozulma olmadan kurtarmak için sinyal bant genişliğinin en az iki katıdır. Shannon-Nyquist örnekleme teorisi, bir sinyali yeniden oluşturmak için yeterli bir koşuldur, gerekli bir koşul değildir. Teorik olarak Nyquist oranından daha düşük başka bir örnekleme yöntemi vardır Bu yöntem aynı zamanda orijinal sinyali yeniden yapılandırmak ve eski haline getirmek için de kullanılabilir. Sıkıştırılmış Algılama (CS) böylesine devrim niteliğinde bir örnekleme dönüştürme tekniğidir.Sinyal seyrek olarak temsil edilebiliyorsa, sıkıştırılmış algılama, sinyali Shannon-Nyquist örneklemesinden daha düşük örneklerden kurtarabilir. Kablosuz iletişimdeki sinyallerin çoğu seyrek olarak temsil edilebilir Örneğin, ultra geniş bant sinyalleri zaman alanında seyrek olarak temsil edilebilir ve frekans atlamalı sinyaller, frekans alanında seyrek olarak temsil edilebilir.
Bozulma olmadan Nyquist hızında temsil edilebilmeleri için seyrek olarak temsil edilebilir sinyalleri yeniden yapılandırmak için sıkıştırılmış algılama kullanılır. Bazı uygulamalar bazen orijinal sinyali yeniden yapılandırmadan yalnızca iletilen sinyaldeki bilgileri dikkate alır. Bu, sıkıştırılmış sinyali doğrudan işlemenin bir yöntemidir.Yeniden yapılandırma yerine yalnızca sinyaldeki yararlı bilgileri önemsemektedir. Sıkıştırılmış sinyallerin kurtarılmasından farklı olarak, bu makale daha çok sinyal iletim kanalı tahmini ve sinyal saptama ile ilgilenmektedir ve makale esas olarak sinyal algılama problemini çözmektedir. Yaygın spektrum sistemlerinde sözde rasgele dizilerin elde edilmesine sıkıştırılmış algılama uygulanmıştır ve korelasyon tepe noktaları, kod fazı ve frekans kaymasından oluşan iki boyutlu uzayda seyrektir. CS, GPS alıcılarının örnekleme sıklığını azaltmak için kullanılabilir, ancak donanım uygulaması daha karmaşıktır. Literatürde belirtilen yayılı spektrum alıcısı, alıcı tasarımını basitleştirmek için sıkıştırılmış algılamayı kullanır Bu makalede, birkaç alıcı karşılaştırılmış ve nicelemenin etkisi analiz edilmiştir. Doğrudan sıralı yayılmış spektrum sinyallerinin yetersiz örneklemesine ve demodüle edilmesine sıkıştırılmış sinyal işlemenin uygulanması, güç tüketimini ve alıcının üretim maliyetini azaltabilir ve eşleştirilmiş filtreleri kullanmak rastgele demodülatörlere göre daha kolaydır. Literatür, frekans seçim kanalı üzerinde doğrudan sıralı yayılma spektrum iletişim sisteminin kanal tahmini ve sembol algılama modelini oluşturur ve farklı algoritmalara dayalı olarak bit hata oranı performansını analiz eder CS-destekli SLSS-JCESD alma algoritmasının örnekleme oranını yarı yarıya düşürdüğünü göstermektedir. 1,2 dB'lik SNR kaybolacaktır.
Modern GPS, Galileo, Beidou ve diğer navigasyon uydu sistemlerinde ikili ofset taşıyıcı (Binary Offset Carrier, BOC) modülasyon teknolojisi kullanılmaktadır. Geleneksel BPSK ile karşılaştırıldığında, BOC modülasyonu, taşıyıcı modülasyonundan önce bir alt taşıyıcı modülasyon bağlantısı ekler. Alt taşıyıcı, sinüs fazına veya kosinüs fazına dayalı bir kare dalgadır. Bu ikisi sırasıyla BOCsin (Kn, n) ve BOCcos (Kn, n) olarak belirtilir; burada K, alt taşıyıcı frekansının sözde kod oranına oranını ve n sözde kodu temsil eder Hızın f0 = 1.023 MHz'e oranı. Taşıyıcıdaki BPSK sinyal spektrum dağılımından farklı olarak, BOC sinyalinin spektrum ana lobu, BOC sinyalinin daha geniş bir spektruma sahip olmasını sağlayan taşıyıcı frekansı ± Knf0'da dağıtılır ve bant genişliği genellikle alt taşıyıcı frekansı ile sözde kod oranının toplamı olarak kaydedilir. çift. BOC ile modüle edilmiş sinyallerin özelliklerini hedefleyen bu makale, sıkıştırılmış algılamaya dayalı bir BOC sinyal alıcısı ve verici modeli önerir ve alınan BOC sinyalini demodüle etmek için sıkıştırılmış sinyal işlemeyi kullanır. Alıcı-verici modelinde eşleşen filtrelerin kullanılması, yayılı spektrum iletişim sisteminin uygulama karmaşıklığını azaltır. Ve çok sayıda simülasyon deneyi aracılığıyla, sıkıştırma alıcısının hata performansı ve geleneksel alım analiz edilir ve karşılaştırılır.
1 Sinyal modeli
Genel bir ölçüm sistemi formül (1) ile tanımlanabilir:
Bunlar arasında, x bir N × 1 boyutlu ölçülen vektör, bir M × N boyutlu ölçüm matrisini ve M × 1 boyutlu vektör y ölçülen bir değerdir. Ölçüm matrisindeki her satır vektörünün x'e olan gözlem değeri, ölçüm değeri vektörü y'deki öğeyi oluşturur. Ölçüm basitçe, ölçüm değeri y ve ölçüm matrisi ile elde edilen bilinmeyen değer x olarak tanımlanabilir.
Şu anda, geleneksel örnekleme teknikleri Shannon-Nyquist örnekleme teorisine dayanmaktadır. Shannon-Nyquist ölçüm sistemi için, formül (1) 'de, M = N ve? Vertebra, N × N boyutlu bir özdeşlik matristir. Shannon-Nyquist örnekleme teorisi, bu ölçüm sisteminin ölçülen değeri bozulma olmadan geri yükleyebileceği koşulları ortaya koymaktadır.
Formül (1) 'de M > N olduğunda, elde edilen ölçülen değerlerin sayısı bilinmeyen ölçülen değerlerin sayısından fazladır M = N'ye benzer şekilde, ölçülen değer benzersiz bir şekilde çözülebilir.
M'nin bulunduğu formül (1) < N'nin durumu. Hiçbir koşul eklenmezse, denklemin çok sayıda çözümü vardır ve ölçülen değer benzersiz şekilde belirlenemez. Bununla birlikte, ölçülen sinyal x seyrekse, ölçülen sinyal bir algoritma, yani sıkıştırılmış algılama yoluyla yeniden oluşturulabilir.
1.1 Verici modeli
Bant geçiş sinyali, düşük geçişli eşdeğeri ile temsil edilebilir, yani düşük geçişli eşdeğer sinyal, sinyal analizi ve simülasyonunun karmaşıklığını azaltan bant geçiş sinyalini işlemek yerine işlenebilir. BOC temel bant sinyalinin üretimi iki kısma ayrılabilir: Şekil 1'de gösterildiği gibi BPSK temel bant sinyaline dayalı yayılı spektrum modülasyonu ve kosinüs veya sinüs fazına dayalı kare dalga alt taşıyıcı modülasyonu.
Verici ve alıcıda, bir seferde bir sembolün işlendiği ve sembolün bir veya daha fazla bilgi biti içerdiği, yani b {± 1} L × 1 vektörünün iletilen bir sembol olduğu ve her sembolün L-bit verilerinden oluştuğu varsayılır. . Sözde rasgele dizi vektörünü, C yongaları içeren c {± 1} C × 1 olarak tanımlayın. Yukarıdaki iki vektör, Şekil 1'deki b (t) ve c (t) 'nin ayrı ifadeleridir. Tb ve Tc, sırasıyla veri bilgi periyodunu ve kod genişliğini temsil edecek şekilde tanımlanırsa, LTb = CTc, yani bir sembol periyodu, tam sayı sayıda sözde kod periyodu içerir. BOCsin (Kn, n) temel bant sinyalindeki bir sembol, formül (2) ile ifade edilebilir:
Bunların arasında , sözde rastgele dizilerden oluşan bir sözlüktür ve her bir sütunu, iletilebilen yayılı spektrum modülasyonlu bir sinyaldir; a {0,1} M × 1 seyrek bir vektördür ve yalnızca bir değer sıfıra eşit değildir. Sözlükten gönderilecek sözde rastgele diziyi seçin. Vektör a'nın seyrekliği, BOC sinyalinin sıkıştırılmış algılama yöntemi kullanılarak demodüle edilebileceğini belirler.
1.2 BOC sıkıştırma sinyali işleme alıcısının prensibi
Sinyale, iletim sırasında gürültü karışacaktır. Alıcı tarafından alınan sinyal genellikle şu şekilde tanımlanabilir:
Bunların arasında n (t), toplamsal beyaz Gauss gürültüsüdür. Alınan sinyalin eşleşen filtre alıcısının yapısı Şekil 2'de gösterilmektedir. Alınan sinyal ilk olarak eşleşen filtrelemeye tabi tutulur, ardından sözde kod hızında örneklenir ve son olarak yeniden yayılır.
Sinyalin alıcıda tam olarak senkronize olduğu varsayıldığında, alınan sinyaldeki bir sembolün alıcı örnekleme işlemi denklem (6) ile ifade edilebilir:
Donanım sıkıştırmalı örnekleme yapısına dayanan rastgele demodülatörde, alınan sinyalin ilk önce sözde rasgele dizi ile çarpılması ve ardından düşük geçişli filtrelemeden geçirilmesi gerekir. BOC sinyali, iletici uçta sözde rasgele dizi aracılığıyla spektrum yayılmıştır, bu nedenle alıcı uçtaki sözde rasgele kod üreteci ihmal edilebilir. BOC sinyalinin modülasyon işleminde, alt taşıyıcı dalga formu darbe şekillendirme dalga formu olarak kullanılır, bu nedenle örneklemeden önce eşleşen filtrenin buna göre değiştirilmesi gerekir. Donanım sıkıştırma örneklemesine dayalı BOC sinyal alımının yetersiz örnekleme süreci
Bunların arasında i (t) = sc (t-iTc), 0t < CTc uyumlu bir filtredir. = I / L (0,1> sıkıştırılmış algılama yapısında alt örnekleme faktörüdür. = 1 olduğunda sıkıştırma yapılmaz. ne kadar küçükse, örneklenen değerlerin sayısı Nyquist örneklenen değerlerin sayısına göre o kadar fazla olur. Daha az = T ölçüm matrisidir, I = C ölçüm örneklemesinden sonra bilgi biti başına örnek.
Alıcı tarafta, bu makalenin amacı a'yı demodüle etmektir, böylece orijinal sıkıştırılmış algılama sinyalini b (t) yeniden yapılandırmaya gerek yoktur. Sıkıştırılmış sinyal işleme yöntemi, bilgi bitlerini demodüle etmek için sıkıştırılmış alandaki sıkıştırılmış sinyali doğrudan işlemek için kullanılabilir. Sinyal işlemeyi sıkıştırma yöntemi, sinyal demodülasyonunun hesaplama karmaşıklığını azaltır ve sinyal yeniden yapılandırma sürecini ortadan kaldırır.
2 Simülasyon deneyi
Sıkıştırılmış sinyal işlemeye dayalı alıcının performansını açıklamak için, Nyquist örneklemesi ve sıkıştırılmış algılama donanım örneklemesi, BOC sinyalini almak ve demodüle etmek için kullanılır ve Gauss beyaz gürültü kanalı altındaki ilgili bit hata oranı performansları karşılaştırılır. Makale, BOC demodülasyon algoritmasını, taşıyıcı frekans kaymasının etkisini göz önünde bulundurmadan yalnızca ideal koşullar altında analiz eder ve sinyalin senkronize olduğunu düşünür. Pratik uygulamalarda, taşıyıcının soyulması, taşıyıcı izleme algoritması ile gerçekleştirilebilir ve kod sözcüğünün senkronizasyonu, gecikmeli kilitli döngü ile de belirlenebilir.
Kolaylık sağlamak için ve genellik kaybı olmaksızın, simülasyonda BOC (1, 1) sinyali kullanılır, sözde rasgele kod döngüsü 32 çip içerir ve her bilgi biti 32 çiplik bir döngü ile yayılır. Simülasyon, Monte Carlo algoritmasını kullanır, hata bilgisi bit eşiğini 100'e ayarlar ve aynı Eb / N0 altındaki iki demodülasyon yönteminin bit hata oranlarını karşılaştırır. Simülasyon sonuçları Şekil 3'te gösterilmektedir. Sıkıştırma oranı = 0.5 olması durumunda, aynı hata performansını (hata oranı 10-5) elde etmek için, BOC sinyallerini demodüle etmek için sıkıştırılmış sinyal işlemeyi kullanmak, BOC sinyallerini demodüle etmek için klasik yöntemler kullanmaktan daha iyidir. Yaklaşık 3 dB daha yüksek bir sinyal-gürültü oranı gereklidir. Ancak örnekleme oranı 1/2 oranında azaltılır ve sonraki işlemler için hesaplama miktarı yarı yarıya azalır. Sıkıştırılmış sinyal işleme yönteminde, demodülasyon kaybının sinyal-gürültü oranı, gürültü katlama ile ortaya çıkarılır.
Örneklemeden sonra niceleme gereklidir ve niceleme çözünürlüğü, Şekil 4'te gösterildiği gibi bit hatası performansını etkiler. Sıkıştırılmış örneklemenin ve Nyquist örneklemesinin nicemlemeden sonraki hata performansı üzerindeki etkisini değerlendirmek için, aynı toplam nicelenmiş bit sayısı altında karşılaştırılırlar. Başka bir deyişle, Nyquist örnekleme hızında 2 bit nicemleme ve 1/2 sıkıştırmalı örneklemede 4 bit nicemleme aynı toplam niceleme bit sayısına sahiptir. Bu iki durumu karşılaştırdığımızda, bit hata oranı da 10-5'tir ve sıkıştırılmış örnekleme için gereken sinyal-gürültü oranı Nyquist örneklemesinden sadece 1 dB daha fazladır. Örnekleme hızı sınırlı olduğunda, bit hatası performansı niceleme çözünürlüğünü artırarak geliştirilebilir.
3 Sonuç
Bu makalede, sıkıştırılmış algılama yöntemi, BOC sinyali üretmek için kullanılır, alt taşıyıcı dalga biçimi, şekillendirilmiş dalga biçimidir ve BOC sinyalini demodüle etmek için sıkıştırılmış sinyal işleme kullanılır. Demodülasyon algoritması rastgele demodülatörden farklıdır, alıcı ucun rastgele diziyi çarpması gerekmez ve uygulama basittir. Sıkıştırılmış sinyal işlemeye dayanan bu tür BOC sinyal demodülasyon şeması, Nyquist örnekleme oranından daha düşük bir örnekleme oranı gerektirir ve bu, sistem güç tüketimini ve cihaz maliyetini düşürmeye elverişlidir. Sıkıştırılmış sinyal işleme, sinyal işlemenin mevcut darboğazını, yani giderek daha yüksek örnekleme frekansı, depolama, işleme ve büyük miktarda verinin analizini çözebilir. Sıkıştırılmış sinyal işlemenin, özellikle yüksek bant genişliğine sahip yayılmış spektrum sinyalleri için geniş bir uygulama yelpazesine sahip olduğu düşünülebilir Sıkıştırılmış sinyal işlemenin doğal bir çekiciliği vardır.
Referanslar
CANDES E J, ROMBERG J, TAO T. Eksik ve hatalı ölçümlerden kararlı sinyal kurtarma. Pure and Applied Mathematics üzerine İletişim, 2006, 59 (8): 1207-1306.
DONOHO D L. Sıkıştırılmış algılama Bilgi Teorisi IEEE İşlemi, 2006, 52 (4): 1289-1306.
TROPP J A, LASKA J N, DUARTE M T, vd.Nyquist'in Ötesinde: seyrek bant sınırlı sinyallerin verimli örneklemesi.IEEE Transaction on Information Theory, 2010, 56 (1): 520-544.
Weng Tianyang, Zhuang Yu, Yu Wei, vb. HPS ve FPGA'ya Dayalı Görüntü Sıkıştırılmış Algılama Codec Sistemi Elektronik Teknolojinin Uygulanması, 2017, 43 (5): 90-93.
OKA A, LAMPE L.A, kablosuz sensör ağı gibi yoğun uygulamalarda UWB darbeli radyo için sıkıştırılmış algılama alıcısı Fiziksel İletişim, 2009, 2 (4): 248-264.
PAREDES J L, ARCE GR, WANG Z. Ultra geniş bant sıkıştırılmış algılama: kanal tahmini IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2007, 1 (3): 383-395.
LASKA J, KIROLOS S, MASSOUD Y, ve diğerleri.Geniş bant sinyallerinin analogdan bilgiye dönüşümü için rastgele örnekleme IEEE DCAS Workshop, Dallas, TX, ABD, 2006: 119-122.
DAVENPORT MA, BOUFOUNOS P T, WAKIN MB, ve diğerleri Basınç ölçümleri ile sinyal işleme IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2010, 4 (2): 445-460.
AGGARWAL V. Sıkıştırılmış algılamalı yeniden yapılandırma yöntemleri kullanılarak geliştirilmiş CDMA iletişimleri. 47. Yıllık Allerton Konferansı, İletişim, Kontrol ve Hesaplama, Illinois: UIUC, 2009: 1211-1215.
Zheng Kun, Zhang Xiaolin. Belirsizlik olmaksızın geliştirilmiş bir BOC (kn, n) sinyal izleme yöntemi. Application of Electronic Technology, 2018, 44 (9): 116-120.
LI X. Sıkıştırılmış çok kanallı örnekleme yoluyla GPS sinyal edinimi Fiziksel İletişim, 2012, 5 (2): 173-184.
FYHN K, JENSEN T L, LARSEN T, ve diğerleri.Yayılı spektrum alıcıları için sıkıştırmalı algılama.Kablosuz İletişimde IEEE İşlemleri, 2013, 12 (5): 2334-2343.
FYHN K. Sıkıştırılmış sinyal işleme için alt örneklenmiş doğrudan sıralı yayılmış spektrum sinyallerinin demodüle edilmesi.20th European Signal Processing Conference, Bükreş, Romanya: EUSIPCO, 2012: 2556-2560.
Wang Shuai, An Jiangping, Ren Yanyang ve diğerleri.Çok yollu DSSS sinyalleri için sıkıştırılmış alıcı. IEEE Communcations Letters, 2014, 18 (8): 1359-1362.
BETZ J. Radyonavigasyon için ikili ofset taşıyıcı modülasyonu Navigasyon: Navigasyon Enstitüsü Dergisi, 2001-2002, 48 (4): 227-246.
PRATT A, OWEN J. BOC modülasyon dalga formları ION GPS / GNSS, Portland, OR: ION, 2003: 1044-1057.
PROAKIS J G, SALEHI M. Dijital iletişim (5. Baskı) New York: McGraw-Hill, 2008.
METZLER C A, MALEKI A, BARANIUK R G. Gürültü gidermeden sıkıştırılmış algılamaya.IEEE İşlemleri Bilgi Teorisi, 2016, 62 (9): 5117-5144.
yazar bilgileri:
Şarkı Peng 1, He Guodong 2
(1. Çin Elektronik Teknolojisi Grup Şirketi'nin 58. Araştırma Enstitüsü, Nanjing 210000, Jiangsu;
2. Fizik ve Elektronik Bilgi Okulu, Anhui Normal Üniversitesi, Wuhu, Anhui 241003)
