基于漢明方案的甚低頻通信系統(tǒng)仿真及性能分析

施意++楚娟++孫雅琴

摘要：甚低頻通信系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)距離通信，且傳輸質(zhì)量較為穩(wěn)定，但是在雷暴天氣下容易受大氣噪聲影響，大氣噪聲在甚低頻通信信道主要產(chǎn)生突發(fā)干擾，本文通過甚低頻通信系統(tǒng)采用漢明編碼糾錯(cuò)方案在大氣噪聲背景下傳輸?shù)姆抡婕胺治鲅芯块L(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)提高糾錯(cuò)能力的可行性。通過對(duì)傳輸信息編碼是提高傳輸可靠信道的主要手段，針對(duì)傳輸信道的特性選擇合適的信道編碼方式提高糾檢錯(cuò)能力是需要研究的問題。

關(guān)鍵詞：漢明編碼 通信系統(tǒng)仿真 甚低頻

中圖分類號(hào)：TN914.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）11-0030-02

1 引言

甚低頻通信系統(tǒng)由于其傳輸?shù)姆€(wěn)定性及較遠(yuǎn)的傳輸距離，在遠(yuǎn)距離通信特別是遠(yuǎn)海通信成為重要的信息傳輸保障手段。甚低頻通信系統(tǒng)的傳輸信道不同于一般通信方式，其傳輸信道極易受大氣噪聲干擾。通過對(duì)傳輸信息編碼是提高傳輸可靠信道的主要手段，針對(duì)傳輸信道的特性選擇合適的信道編碼方式提高糾檢錯(cuò)能力是需要研究的問題。

2 甚低頻通信系統(tǒng)的信道特性及模型

在甚低頻頻段內(nèi)，甚低頻通信系統(tǒng)傳輸性能受到大氣噪聲的強(qiáng)烈影響，該頻段噪聲的主要來源是與雷電現(xiàn)象相關(guān)的大電流脈沖，在特定地理位置上的噪聲被看作由所有雷暴區(qū)，特別是強(qiáng)海洋雷暴區(qū)產(chǎn)生的噪聲輻射經(jīng)傳播后的疊加。

2.1 大氣噪聲的模型

大氣噪聲模型的主要目的是能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)工作在大氣噪聲中的長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)的性能，因此在對(duì)大氣噪聲建模時(shí)，主要側(cè)重于它與真實(shí)噪聲在統(tǒng)計(jì)特性上的吻合。對(duì)大氣噪聲的測(cè)量數(shù)據(jù)指出，這種噪聲在低振幅部分具有高斯特性，在高振幅部分具有近似于指數(shù)正態(tài)分布的包絡(luò)。由于較高的振幅對(duì)任何通信系統(tǒng)的性能都具有較大的影響，因此模型側(cè)重于大氣噪聲的指數(shù)正態(tài)特性。用以下形式將大氣噪聲模擬為一個(gè)具有指數(shù)正態(tài)包絡(luò)的窄帶過程：

（1）

其中n（t）是一個(gè)實(shí)平穩(wěn)高斯過程，其均值為0，方差為σn2。A是一個(gè)常量（由噪聲功率估計(jì)確定），θ（t ）是隨機(jī)相位過程，它獨(dú)立于高斯過程n（t ）。對(duì)大氣噪聲瞬時(shí)頻率分布的測(cè)量結(jié)果表明，θ（t ）與窄帶高斯噪聲的頻率分布相似，也就是說，即使大氣噪聲的包絡(luò)分布與高斯噪聲在大包絡(luò)值時(shí)相當(dāng)不同，但它們的相位和頻率分布卻十分類似。因此假定θ（t ）具有類似于窄帶高斯過程的相位的特性。這意味著在任何給定的時(shí)刻t0，相位θ（t0 ）為一個(gè)均勻分布于[0，2π]上的隨機(jī)變量，并且它獨(dú)立于包絡(luò)。

大氣噪聲的指數(shù)正態(tài)窄帶噪聲模型由公式1給出。噪聲的包絡(luò)為

E（t）=Aen（t） （2）

考慮包絡(luò)的平均電壓和rms電壓。平均電壓為

（3）

rms包絡(luò)電壓為

（4）

定義電壓偏差Vd為

（5）

對(duì)Vd的認(rèn)識(shí)給出了σn2的值，而Vd的值在國(guó)際無線電咨詢委員會(huì)（CCIR）報(bào)告中被估計(jì)出。

2.2 甚低頻通信系統(tǒng)信道仿真模型

如果把每一個(gè)雷電當(dāng)作一個(gè)發(fā)射機(jī)，對(duì)于長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)接收終端而言，大氣噪聲就是若干個(gè)處于世界不同位置和時(shí)間的發(fā)射機(jī)所發(fā)信號(hào)的總和。而發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)間、地理位置都是隨機(jī)的。因此，在仿真中長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)的信道干擾可看作是由背景噪聲和脈沖噪聲相加得到

（6）

式中，是總噪聲，可看作是兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)過程之和；是背景噪聲，可看作方差為σ02 的高斯隨機(jī)過程；是脈沖部分，為低密度散彈噪聲過程。仿真模型如圖1所示。

2.3 漢明編碼糾錯(cuò)方案

漢明碼是1950年由漢明首先構(gòu)造，用以糾正單個(gè)錯(cuò)誤的線性分組碼。仿真采用的是（7，4）漢明編碼，最小碼距為m=n-k=7-4=3，其糾錯(cuò)能力為1。在系統(tǒng)中將目標(biāo)指示信息每4個(gè)信息碼編為7個(gè)信息碼，通過后三位監(jiān)督位檢測(cè)傳輸是否發(fā)生錯(cuò)誤，若錯(cuò)誤不多于1個(gè)則可糾錯(cuò)。

編碼生成矩陣為

（7）

譯碼過程就是確定錯(cuò)誤圖樣的過程，在接收端，（7，4）漢明碼存在27=128種可能的錯(cuò)誤圖樣。而校正子S則有8種圖樣，通過公式S=r·HT計(jì)算后可得到24=16個(gè)錯(cuò)誤圖樣，最后從這16個(gè)圖樣中選取碼重最小的圖樣。糾錯(cuò)后的輸出碼序列為

Y=r+e （8）

式中：Y為糾錯(cuò)輸出碼序列，r為可能含有錯(cuò)誤碼的接收序列，e為16種錯(cuò)誤圖樣中碼重最小的圖樣。

3 仿真結(jié)果及分析

仿真中分別采用Vd=1、5、10的大氣噪聲對(duì)長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)進(jìn)行干擾，通過對(duì)比漢明編碼與非漢明編碼的誤碼率分析漢明編碼對(duì)長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)性能的影響。如圖2所示。

圖2（a）為高斯白噪聲背景下的長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)仿真誤碼率曲線圖，圖2（b）、（c）、（d）分別為V=1、5、10時(shí)的長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)仿真誤碼率曲線圖。由圖2分析可知當(dāng)V=1、V=5時(shí)，采用漢明編碼的長(zhǎng)波目標(biāo)指示系統(tǒng)能在8dB信噪比以下夠有效的降低誤碼率到10-6，滿足系統(tǒng)實(shí)際需求。當(dāng)V=10時(shí)，要使系統(tǒng)誤碼率降至10-6，信噪比需要8dB以上，超過了現(xiàn)有發(fā)射臺(tái)的最大功率，而8dB以下的信噪比系統(tǒng)誤碼率無法滿足目標(biāo)指示信息傳遞的最低需求，影響了接收效果。

4 結(jié)語

通過仿真實(shí)現(xiàn)甚低頻通信系統(tǒng)系統(tǒng)采用漢明編碼糾錯(cuò)方案在一般強(qiáng)度大氣噪聲下引起的突發(fā)錯(cuò)誤的糾錯(cuò)，但是在極端天氣下無法滿足現(xiàn)有傳輸需求，要想提高傳輸性能需要進(jìn)一步改進(jìn)編碼技術(shù)或硬件條件。

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