一种基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法及系统与流程

本发明涉及卫星通信领域，特别是涉及一种基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法及系统。

背景技术：

全球90％的贸易运输由海运承担，海运已成为国家的战略性产业。卫星通信由于不受地域限制，是海上通信的首选手段。海运业的发展变化对海上卫星通信提出了更高的要求。

卫星通信由于带宽资源稀缺，资费较为昂贵，目前主要用于公务通信，保障船舶与岸上的日常通信联络，一般以语音和电子邮件通信为主。公务通信以及卫星信令信号一般要求稳定可靠，但业务量通常不太多，卫星通信链路大多数时间是空闲的，因此本发明称此类业务为窄带业务信号，若单独将此业务划分出独立的信道或者时隙，将会造成系统的资源浪费。与此同时，在船舶上工作的海员由于长时间远离亲友和陆地生活，迫切需要与外界沟通和交流，以改善远洋生活和娱乐条件，缓解精神压力，这类需求往往需要很高的速率以及占用很高的带宽，本发明称此为宽带业务信号。

根据不同的业务需求和灵活性，并且充分的利用卫星的频谱资源，即可大幅降低卫星通信的成本，因此具有非常重要的意义。

目前国际上面向海洋船舶提供通信服务的卫星通信系统，需要支持用户多样化的通信需求，提供多元化服务，例如：收发邮件、即时通信、网页浏览、语音通话、视频流、船舶定位、内容服务等。根据用户不同的应用需求，系统支持16kbps～19.4mbps速率的数据业务，且一路信道能够同时支持多个站点之间的话音、数据或图像连接，在卫星通信系统中，若调制方式固定，其传输速率跟带宽直接相关。针对不同带宽要求的信道，例如低速的信令信道、文字、语音业务信道，还有高速的视频流信号，在现有的卫星通信系统中主要采用时分(timedivide,td)或者频分(frequencydivide,fd)的形式，所付出的代价是系统的频带利用率的降低。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法及系统，能够提升频带利用率，节约系统时隙资源。

技术方案：本发明所述的基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法，包括信号发射过程，信号发射过程包括以下步骤：

s11：对需要传输的第一路信号进行信源编码、信道编码和bpsk调制，得到第一路调制后的信号s1(t)；对需要传输的第二路信号进行信源编码、信道编码和bpsk调制，得到第二路调制后的信号s2(t)；其中，第一路信号为宽带信号，第二路信号为窄带信号；

s12：将s2(t)与伪随机序列c(t)相乘，得到扩频后的信号

s13：将s1(t)和进行叠加，经过上变频后，通过天线发射出去。

进一步，还包括信号接收过程，信号接收过程包括以下步骤：

s21：电磁波信号通过天线接收，再经低噪声放大器和下变频器得到中频信号；

s22：一部分中频信号通过带通滤波、bpsk解调、信道译码和信源译码后得到第一路宽带信号传输的信息；

s23：另一部分中频信号与伪随机序列c(t)相乘，得到解扩后的信号，然后将解扩后的信号通过带通滤波、bpsk解调、信道译码和信源译码后得到第二路宽带信号传输的信息。

进一步，所述伪随机序列c(t)通过移位寄存器产生。

进一步，所述伪随机序列c(t)为m序列或者gold序列。

采用本发明所述的基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法的系统，包括发射机和接收机；发射机包括第一信源编码器和第二信源编码器，第一信源编码器的输入端输入需要传输的第一路信号，第一信源编码器的输出端连接第一信道编码器的输入端，第一信道编码器的输出端连接第一bpsk调制器的输入端，第一bpsk调制器的输出端连接加法器的一个输入端，第二信源编码器的输入端输入需要传输的第二路信号，第二信源编码器的输出端连接第二信道编码器的输入端，第二信道编码器的输出端连接第二bpsk调制器的输入端，第二bpsk调制器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法器的另一个输入端输入伪随机序列c(t)，乘法器的输出端连接加法器的另一个输入端，加法器的输出端连接上变频器的输入端，上变频器的输出端连接天线。

进一步，所述接收机包括低噪声放大器，天线接收的信号通过低噪声放大器传输至下变频器的输入端，下变频器的输出端分别连接第一带通滤波器的输入端和乘法器的一个输入端，第一带通滤波器的输出端连接第一bpsk解调器的输入端，第一bpsk解调器的输出端连接第一信道译码器的输入端，第一信道译码器的输出端连接第一信源译码器的输入端，第一信源译码器的输出端输出第一路宽带信号传输的信息；乘法器的另一个输入端输入伪随机序列c(t)，乘法器的输出端连接第二带通滤波器的输入端，第二带通滤波器的输出端连接第二bpsk解调器的输入端，第二bpsk解调器的输出端连接第二信道译码器的输入端，第二信道译码器的输出端连接第二信源译码器的输入端，第二信源译码器的输出端输出第二路宽带信号传输的信息。

有益效果：本发明公开了一种基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法及系统，与现有技术相比，具有如下的有益效果：

1)本发明充分结合卫星信号业务不同传输速率的特点，将窄带的一路信号通过扩频之后叠加在宽带信号之中，增加了系统的频带利用率，节约了系统的时隙资源；

2)本发明结合了卫星通信有高速的业务通道、低速的业务通道或者低速的信令通道的传输特点；

3)由于窄带扩频信号在传输过程中，功率谱密度极地，通常可以低于噪声功率谱密度，而且其又可以受扩频码序列控制，导致其功率谱统计特性类似白噪声，致使发射的信号完全淹没在噪声之中，若无特殊的接收设备，根本无法检测到，因此该信道具有非常强的隐蔽性；随着计算机处理速度越来越快以及量子计算的出现，高层加密可靠性大大降低，因此在物理层实现抗截获的效果，将大大提升系统的安全性；若卫星通信系统中传输保密信号，很难被截获；同时该信号隐藏在正常信号之中，更难被检测出来，因此本发明本质上也实现了一种隐藏通信的效果；

4)对于低速率的扩频信号，由于其占用的带宽相对较大，所以小部分的频谱衰落不会使得信号严重畸变，也具有抗频率选择性衰落的特点；卫星通信由于其受雨衰或者对流层闪烁等影响，偶尔会出现通信中断的情况，这种时候会对商业卫星通信系统的用户体验非常差，而且由于通信中断，用户的风险也成倍的增加；使用本发明的直接扩频通信方案，能够在极端恶劣的情况下保持通信；

5)本发明业务支持灵活可变，扩频信号可以根据需要叠加在授权频段的任意部分或者全部。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中端对端卫星通信系统的示意图；

图2为本发明具体实施方式中发射机的示意图；

图3为本发明具体实施方式中接收机的示意图；

图4为本发明具体实施方式中直接序列扩频ocma频谱叠加前后示意图；

图5为本发明具体实施方式中直接扩频ocma频谱与噪声叠加示意图；

图6为本发明具体实施方式中双向信道直接扩频ocma频谱叠加示意图；

图7为本发明具体实施方式中两路信号采用bpsk调制的误比特率。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种基于直接序列扩频的载波叠加多址接入方法，包括信号发射过程和信号接收过程。“载波叠加多址”的英文缩写为ocma。

信号发射过程包括以下步骤：

s11：对需要传输的第一路信号进行信源编码、信道编码和bpsk调制，得到第一路调制后的信号s1(t)，如式(1)所示；对需要传输的第二路信号进行信源编码、信道编码和bpsk调制，得到第二路调制后的信号s2(t)，如式(2)所示；其中，第一路信号为宽带信号，第二路信号为窄带信号；信源编码方式可以选择霍夫曼编码、l-z编码等，减少冗余，增加传输效率；信道编码一般采用卷积码、ldpc码或者polar码等，通过特定的方式增加冗余，提升编码的纠错能力；

其中，p1为第一路信号的平均功率，p2为第二路信号的平均功率，f0为载波频率，θ1和θ2为bpsk调制的信息，m1(t)和m2(t)为二进制数字信号，m1(t),m2(t)＝an，an∈{-1,+1}，ntb≤t≤(n+1)tb，1/tb为比特速率；

s12：将s2(t)与伪随机序列c(t)相乘，得到扩频后的信号如式(3)所示；

其中，c(t)＝cn，cn∈{-1,+1}，ktc≤t≤(k+1)tc，c(t)为pn码序列，其速率称为码片速率，码片速率rc＝1/tc；码片速率是信息速率的整数倍，扩频因子n＝rc/rb＝tb/tc，且扩频因子需要根据传输的性能指标以及业务需求进行选择；

s13：将s1(t)和进行叠加，经过上变频后，通过天线发射出去。上变频后的信号s(t)如式(4)所示；

根据通信原理基本知识可知，s1(t)的功率谱函数ps1(f)和的功率谱函数ps2(f)分别为：

上述频谱示意图如图4所示。通过上述频谱分析可知，在两路信号的平均功率相同的情况下，扩频信号的带宽扩展了n＝tb/tc倍，功率谱密度下降了n倍。假设卫星通信在的高斯白噪声信道下，为了正常接收bpsk信号，需要接收端信号功率谱中心点密度与噪声谱密度的比值为10db。若第一路宽带信号的发送功率是第二路扩频前信号发射功率的10倍，第二路扩频前信号功率谱中心点密度是噪声谱密度10倍，窄带信号采用扩频bpsk传输，扩频因子n＝1024，等效于带宽扩展了1024倍，则扩频信号的功率谱密度下降了1024倍(约30db)。此时，扩频后信号的功率谱中心点密度与噪声的功率谱密度比值为-10db，扩频信号基本淹没在噪声当中(扩频信号的功率谱密度是噪声的十分之一)。

信号接收过程包括以下步骤：

s21：电磁波信号通过天线接收，再经低噪声放大器和下变频器得到中频信号y(t)；

其中，n(t)为卫星通信传输过程中的加性高斯白噪声，其双边功率谱密度为

s22：一部分中频信号通过带通滤波、bpsk解调、信道译码和信源译码后得到第一路宽带信号传输的信息；

步骤s22中，将接收到的信号直接解调，在发射机中假设宽带信号的发射功率是窄带信号功率的10倍，在保证原宽带bpsk可解调的情况下(保证宽带信号的qos，信噪比达10db的条件)，此时将1024倍扩频信号视为宽带信号的干扰；由于进行1024倍扩频，扩频信号的功率仅为噪声功率的1/10，因此，叠加扩频信号后，第一路宽带信号性能退化了

degradation＝10log100-10log(100/1.1)≈0.41db(8)

上试说明宽带信号仅仅受到0.41db的性能退化，对该路bpsk信号的影响较小，可以正常解调；解调后的信号经过信道译码和信源译码即可得到第一路宽带信号的传输信息；

s23：另一部分中频信号与伪随机序列c(t)相乘，得到解扩后的信号，然后将解扩后的信号通过带通滤波、bpsk解调、信道译码和信源译码后得到第二路窄带信号传输的信息。

上式中经过扩频码进行解扩之后，原宽带信号等效被扩频，其频谱密度相当于降低了30db(假设1024倍扩频)，宽带信号在传输的带宽内，功率谱下降到噪声功率谱下10db。由于扩频码的高度自相关性，低速率信号被解扩之后恢复至扩频前的信号，噪声信号经过扩频之后，噪声功率谱保持不变。此时，窄带信号功率谱中心点是噪声功率谱的10倍，由于宽带信号经过扩频并通过带通滤波器之后，功率谱降低了30db。因此，低速率信号达到bpsk解调的标准，得以正常解调。解调后的信号经过信道译码和信源译码即可得到原窄带信号的传输信息。

伪随机序列c(t)通过移位寄存器产生，又称作pn码。例如常用的m序列就是有特定的现行反馈的移位寄存器产生。当一个线性反馈移位寄存器的特征多项式为本原多项式时即成为m序列，一个本原多项式f^*(x)＝xⁿf(x^-1)。长度为m＝2ⁿ-1的m序列个数取决于n次本原多项式的个数，同时可以对m序列进行优选，选择m序列的优选对作为pn码发生器。另外一种常用的pn码生成器是gold序列，其具有更好的周期互相关特性，其主要依靠两个m序列优选对进行异或运算的结果。

pn码应该遵循以下原则：

①有尖锐的自相关性，要求直接扩频扩频码相关主峰尽可能高，旁瓣尽量小，以利于在接收机中将低速率信号剥离出；

②序列具有平衡性，防止出现载波泄露；

③工程上便于产生和复制。

本具体实施方式还公开了采用上述方法的系统，如图1所示，系统两个地面终端通过卫星进行连接，卫星作为一个透明转发器。传输的信道包括信令信道、业务信道等。例如，船舶卫星通信系统中，在船端和岸端需在一个固定带宽之内传输一路视频业务和一段文本业务，本发明将两路信号的载波进行叠加传输。系统包括发射机和接收机。

如图2所示，发射机包括第一信源编码器和第二信源编码器，第一信源编码器的输入端输入需要传输的第一路信号，第一信源编码器的输出端连接第一信道编码器的输入端，第一信道编码器的输出端连接第一bpsk调制器的输入端，第一bpsk调制器的输出端连接加法器的一个输入端，第二信源编码器的输入端输入需要传输的第二路信号，第二信源编码器的输出端连接第二信道编码器的输入端，第二信道编码器的输出端连接第二bpsk调制器的输入端，第二bpsk调制器的输出端连接乘法器的一个输入端，乘法器的另一个输入端输入伪随机序列c(t)，乘法器的输出端连接加法器的另一个输入端，加法器的输出端连接上变频器的输入端，上变频器的输出端连接天线。

如图3所示，接收机包括低噪声放大器，天线接收的信号通过低噪声放大器传输至下变频器的输入端，下变频器的输出端分别连接第一带通滤波器的输入端和乘法器的一个输入端，第一带通滤波器的输出端连接第一bpsk解调器的输入端，第一bpsk解调器的输出端连接第一信道译码器的输入端，第一信道译码器的输出端连接第一信源译码器的输入端，第一信源译码器的输出端输出第一路宽带信号传输的信息；乘法器的另一个输入端输入伪随机序列c(t)，乘法器的输出端连接第二带通滤波器的输入端，第二带通滤波器的输出端连接第二bpsk解调器的输入端，第二bpsk解调器的输出端连接第二信道译码器的输入端，第二信道译码器的输出端连接第二信源译码器的输入端，第二信源译码器的输出端输出第二路宽带信号传输的信息。

本发明业务支持灵活可变，卫星通信系统中分为前向信号和反向信号，所提出的通信系统可以灵活使用，扩频信号叠加在整个授权频段之内，如图5、图6所示。

此外，本具体实施方式还对方法采用matlab2018a软件进行了蒙特卡洛仿真。具体仿真步骤如下：

步骤1、由于信道编码、信源编码拟验证系统并无直接影响，在仿真系统中忽略信源编码和信道编码。通过matlab中的randi函数，随机生成20000个{-1，+1}的信号作为发射，前10000个作为宽带信号发送，当10000个发送完毕后又重新开始发送，后10000数作为窄带信号发送，设定宽带信号的功率是窄带信号功率的10倍。在卫星通信系统中，等效为eirp(有效全向辐射功率)宽带信号是窄带信号的10倍。接下来对所发送的信号进行bpsk调制，将{-1}和{+1}分别映射到中频信号相位为0和p上；

步骤2、将第二路信号s2(t)通过本地产生的伪随机序列(pn码)c(t)相乘，，扩频因子设定为1024，pn序列使用gold序列产生；

步骤3、将两路信号s1(t)和s2(t)进行叠加，并使用randn函数产生随机噪声叠加在信号上，再将传输的信号经过一个带通滤波器。

步骤4、将叠加的中频信号直接进行bpsk信号的解调，恢复出原始的宽带信号的信息。将解调后的信号与发送信号对比，计算蒙特卡罗仿真的误比特率。

步骤5、将中频信号通过pn码序列发生器c(t)进行自相关(此序列与发射机步骤2中一致)，得到解扩后的信号，并通过带通滤波器。然后将进行bpsk解调，恢复出窄带信号传输的信息。将解调后的信号与发送信号对比，计算蒙特卡罗仿真的误比特率。

通过统计接收后的等效载噪比c/n0范围是从0db到9db之间的仿真误比特率误比特率和理论误比特率，如附图7所示。该图有效的表明了基于直接序列扩频的ocma方法的有效性。