短波低速數(shù)傳系統(tǒng)擴(kuò)頻序列設(shè)計

周洪霞,于 潞,李洪烈,唐金元

(海軍航空工程學(xué)院青島分院,山東青島266041)

0 引言

在軍事通信中,擴(kuò)頻通信因其具有抗干擾、抗多徑衰落以及抗偵察等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用[1]。在信噪比較低,電磁干擾較嚴(yán)重的環(huán)境下,短波低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過采用擴(kuò)頻技術(shù),可以克服低信噪比的干擾,從而實現(xiàn)有效信息傳輸。

擴(kuò)頻序列的設(shè)計和選擇是短波低速數(shù)傳系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一,擴(kuò)頻序列性能的優(yōu)劣在很大程度上決定了通信系統(tǒng)的多址干擾和符號間干擾的大小,從而直接影響到系統(tǒng)的性能[2-4]。因此,構(gòu)造具有良好特性的擴(kuò)頻序列,是該文中短波低速數(shù)傳系統(tǒng)完成擴(kuò)頻的關(guān)鍵。

1 短波低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理

短波低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)原理如圖1所示[1-5]。系統(tǒng)發(fā)送端的原始數(shù)據(jù)由本地PN序列進(jìn)行多進(jìn)制擴(kuò)頻,由本地載波進(jìn)行8PSK調(diào)制,然后經(jīng)信道傳輸,接收端信息經(jīng)解擴(kuò)解調(diào)從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)。

圖1 短波數(shù)傳系統(tǒng)原理框圖

該數(shù)傳系統(tǒng)采用了(96,3)編碼擴(kuò)頻,即八進(jìn)制擴(kuò)頻,每條長為96的偽隨機(jī)序列對應(yīng)3比特二進(jìn)制信息。

八進(jìn)制擴(kuò)頻采用查表法實現(xiàn),即預(yù)先產(chǎn)生8個偽隨機(jī)序列,做成表格形式存儲起來。二進(jìn)制信息比特經(jīng)串/并變換后,為3 bit一組,去選取與之對應(yīng)的偽隨機(jī)序列送出。八進(jìn)制擴(kuò)頻實現(xiàn)原理如圖2所示。

圖2 八進(jìn)制擴(kuò)頻實現(xiàn)框圖

擴(kuò)頻序列的相關(guān)性直接影響數(shù)傳系統(tǒng)的性能,8條長度為96的擴(kuò)頻序列的設(shè)計是本系統(tǒng)八進(jìn)制擴(kuò)頻實現(xiàn)的關(guān)鍵。

2 擴(kuò)頻序列設(shè)計

擴(kuò)頻序列的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[1,3,4,6]：

①擴(kuò)頻序列應(yīng)具有良好的隨機(jī)性。隨機(jī)性是阻止非法使用者復(fù)制、預(yù)測序列的一種度量指標(biāo);

②擴(kuò)頻序列的數(shù)目要足夠多。序列數(shù)目越多,允許改變擴(kuò)頻序列的范圍也越大,從而更進(jìn)一步提高了系統(tǒng)抗偵竊能力;

③擴(kuò)頻序列應(yīng)具有平衡性。在直擴(kuò)通信系統(tǒng)中,應(yīng)用平衡的擴(kuò)頻序列可以增強(qiáng)系統(tǒng)的抗偵竊性能;

④擴(kuò)頻序列應(yīng)具有良好的自相關(guān)特性和互相關(guān)特性,即自相關(guān)峰值尖銳,互相關(guān)值接近于零。自相關(guān)性和互相關(guān)性分別是造成符號間干擾和多址干擾的根源,擴(kuò)頻序列良好的相關(guān)性能極大地降低誤碼率。

該方案由于采用(N,k)編碼,即共需2k條長為N的偽隨機(jī)碼作為擴(kuò)頻碼,去表示k位信息的不同狀態(tài),因此要求用的偽隨機(jī)碼的條數(shù)要多,碼距要大,相關(guān)特性要好。即要求這些偽隨機(jī)碼的自相關(guān)性 互相關(guān)性 部分相關(guān)特性要好,才能完成擴(kuò)頻信號的解擴(kuò)或解碼。常見的偽隨機(jī)序列有Walsh序列和m序列。

2.1 walsh序列[3]

Walsh序列是一組完全正交的序列,它由哈達(dá)碼矩陣衍生而來。哈達(dá)碼矩陣簡記為H矩陣,它是一種方陣,僅由元素+1和-1構(gòu)成,而且各行(和列)是互相正交的。最低階的矩陣是二階的,即：

階數(shù)為2的冪的高階 H矩陣可以從下列遞推關(guān)系推出：

式中,N=2m;

哈達(dá)碼矩陣具有下列性質(zhì)：

①HT=H,也就是說哈達(dá)碼矩陣是對稱矩陣,將哈達(dá)碼矩陣的各行換成相應(yīng)的各列,所得到的矩陣與原矩陣相同;

2.2 m序列[3]

m序列是最長線性移位寄存序列的簡稱,它是周期為N=2r-1的線性偽隨機(jī)序列,r是移位寄存器階數(shù)。m序列產(chǎn)生器結(jié)構(gòu)如圖 3所示。圖中an-i(i=1,2,…,r)為移位寄存器中每位寄存器的狀態(tài);ci(i=0,1,2,…,r)為寄存器的反饋系數(shù)。不同的反饋的邏輯,即 ci(i=0,1,2,…,r)取不同的值,將產(chǎn)生不同的移位寄存序列。

圖3 m序列反饋移位寄存器結(jié)構(gòu)

m序列的性質(zhì)有：

①均衡性,即在m序列的一個周期中,“1”和“0”的數(shù)目基本相等;

②長度為k的游程數(shù)目占游程總數(shù)的2-k,其中“+”游程和“-”游程各占一半;

③自相關(guān)函數(shù)近似于沖激函數(shù) δ(t)的形狀,可以表示為：

2.3 復(fù)合序列設(shè)計

結(jié)合Walsh和m序列的特點,該系統(tǒng)設(shè)計了一種新的性能優(yōu)良的偽隨機(jī)復(fù)合序列作為系統(tǒng)擴(kuò)頻序列。根據(jù)美軍數(shù)據(jù)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-110B,所構(gòu)造的8條96位長的Walsh序列的映射如表1所示。

表1 Walsh序列的映射表格

m序列產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)如圖4所示,該文利用該產(chǎn)生器運算產(chǎn)生出長為96的m序列。

圖4 m序列移位寄存器

在該數(shù)傳系統(tǒng)中,為了取得性能優(yōu)良的偽隨機(jī)序列,結(jié)合walsh序列良好的同步正交性和數(shù)量多的優(yōu)點,以及m序列良好隨機(jī)性和相關(guān)性,將8條長度為96的Walsh序列與m序列模八加,構(gòu)造出一組新的復(fù)合序列,作為系統(tǒng)的8條擴(kuò)頻序列。

3 相關(guān)性能仿真及分析[6,7]

圖5給出了長度為96的Walsh序列的相關(guān)特性仿真。

圖5 Walsh序列的相關(guān)特性仿真圖

可以看出Walsh序列在同步時具有良好的正交性,但是當(dāng)其處于非同步狀態(tài)時,序列的相關(guān)性就變得比較差,即Walsh序列的自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)的旁瓣比較大,因此Walsh序列不能單獨作為擴(kuò)頻序列來使用。

圖6給出了長為96的m序列的相關(guān)特性仿真,可以看出,m序列自相關(guān)特性較好,旁瓣較小,可以彌補Walsh序列自相關(guān)特性較差的缺點。

圖6 m序列的相關(guān)特性仿真圖

圖7給出了由Walsh序列與m序列組成新的復(fù)合序列的相關(guān)特性仿真?？梢钥闯?這一組新的復(fù)合序列具有同步正交性,在非同步時的互相關(guān)和自相關(guān)性也優(yōu)于Walsh序列,即該復(fù)合序列具有更強(qiáng)的抗干擾能力,因此更適合于軍事通信。

圖7 復(fù)合序列的相關(guān)特性仿真圖

4 結(jié)束語

首先介紹了短波低速數(shù)傳系統(tǒng)的模型,然后基于對walsh序列和m序列原理特性的研究,設(shè)計了一組新的復(fù)合序列,作為短波低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼。

仿真結(jié)果表明,該復(fù)合序列同步時相關(guān)性較好,彌補了walsh序列非同步時相關(guān)性較差的缺點。該研究對于提高短波低速數(shù)傳系統(tǒng)的傳輸性能,實現(xiàn)該系統(tǒng)的軍事應(yīng)用具有重要意義。

[1]曾興雯,劉乃安.擴(kuò)展頻譜通信及其多址技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

[2]樊昌信,曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業(yè)出版社,2006：374-390.

[3]PETERSON ROGER L.[美].Introduction toSpread Spectrtum Communications.北京：電子工業(yè)出版社,2006：33-68.

[4]佟鑫.直接序列擴(kuò)頻通信中擴(kuò)頻序列的設(shè)計[博士學(xué)位論文].北京：北京郵電大學(xué),2008.

[5]MIL-STD-188-110B MilitaryStandard Interoperabilityand Performance Standards for Data MODEM[S].Department of Defense,Apr.2000.

[6]NIU Yi-xia,ZHUANG Zi-qiang,SONG Ji-jiang.Pseudorandom Sequence Correlation Simulation Based on MATLAB[C]∥2010 Second International Conference on Computer Modeling and Simulation：23-25.

[7]鐘麟,王峰.MATLAB仿真技術(shù)與應(yīng)用教程[M].北京：國防工業(yè)出版社,2004.