超短波電臺跳擴模式下采用卷積編碼的抗干擾性能仿真研究?

（海軍航空大學青島校區(qū) 青島 266041）

1 引言

隨著超短波通信技術的發(fā)展，通信的可靠性與時效性成為了研究的重點，超短波電臺DS、FH、DS/FH等模式[1]的相繼應用極大地提升了通信的可靠性和抗干擾能力。TCM-8PSK編碼調制主要的形式有基于卷積編碼以及RS編碼[2]。而將編碼與調制相結合，既不增加頻帶寬度，又不降低信息傳輸速率，可使系統(tǒng)的頻帶利用率和功率資源同時得到有效利用[3]。本文主要采用Matlab仿真研究了超短波跳擴頻通信在寬帶、部分頻帶和多音三種干擾模式下，對基于卷積編碼和RS不同編碼的TCM-8PSK系統(tǒng)，進行了抗干擾性能的對比，從而得出相關結論并給出應用建議。

2 模型建立

通信系統(tǒng)通常具有給定的誤碼率指標要求，這一指標是系統(tǒng)譯碼后最終能達到的誤碼率指標要求，對應的譯碼前傳輸誤碼率因編碼方式不同而異，一種好的信道編碼方式應具有較強的糾錯能力，從而允許譯碼前產生相對較大的誤碼率，對應系統(tǒng)傳輸所需的比特能量噪聲密度比較小，與非編碼傳輸相比TCM-8PSK所節(jié)省的比特能量噪聲密度比較大[4]。采用較強糾錯能力的編碼方式允許信號在傳輸過程中產生大于系統(tǒng)指標的誤碼率，使得系統(tǒng)在降低載噪比的情況下仍然能達到誤碼率指標要求，因此采用此技術可以提高系統(tǒng)的可靠性和降低系統(tǒng)成本[5]。

在采用Simulink所建立的DS/FH模式下通信系統(tǒng)仿真結構如圖1所示。

圖1 結合TCM-8PSK的DS/FH通信系統(tǒng)仿真模型

在圖1的DS/FH通信系統(tǒng)中，產生的模擬音頻信號經過PCM編碼器后變成信息碼序列，再經過TCM-8PSK調制后送至擴頻模塊，這里TCM-8PSK分別建立了基于卷積編碼和RS編碼兩種模型，卷積編碼的結構組成[6]可用（[1 3]，[1 0 0；0 5 2]）來表示，其中[1 3]表示卷積碼結構并行2級，1表示第一級的約束長度為1，3表示第二級的約束長度為3，[1 0 0；0 5 2]表示卷積碼的結構是2輸入，3輸出（行表示輸入端口個數，列表示輸出端口個數），碼率為2/3，矩陣的第一個元素1表示第一個輸出端口和第一個輸入端口的關系，矩陣的第二個元素0表示第二個輸出端口和第一個輸入端口的關系，依次類推；RS編碼的結構組成可用（2，15）來表示，應知道經PCM編碼處理后的輸出為8bit，故有k*(l o g2(N+1))=8 ，可知當（k，N）=（2，15）時滿足該式，這里k為信息段，N為碼長。PN碼（擴頻）與TCM-8PSK調制后的信號相乘便實現了擴頻[7]；另一PN碼（跳頻）產生跳頻序列與擴頻信號相乘得到跳擴頻信號。其中系統(tǒng)各參數設置如表1。

表1 FH、DS/FH通信系統(tǒng)參數設置

信號經過AWGN信道與PN碼（跳頻）相乘實現解跳，再與PN碼（擴頻）相乘得到解擴后的信號，在經過TCM-8PSK譯碼和PCM譯碼器輸出解碼后的信號。

將解碼出的信號與原信號相對比，進行誤碼率計算。因解調后的信號相對于原信號有延遲，所以加入延時模塊（Z-1）[8]。

寬帶噪聲（BBN）干擾是指將噪聲能量施加到敵方通信電臺所使用的整個頻譜帶寬上，它也被稱為全頻段干擾，有時也稱為攔阻式干擾[9]。

部分頻段噪聲（PBN）干擾將噪聲干擾能量集中在目標使用的頻譜范圍內的多個信道上，但并不是在所有信道上，這些信道可能是相鄰的，也可能是不相鄰的[10]。

多音干擾[11]是多個單音施加在對應工作頻點上的干擾，并且施加單音的個數和選擇頻點的位置不同對通信系統(tǒng)的干擾影響也會不同?？紤]到現代電子對抗中干擾機具有分析慢跳速信號的能力，因此在仿真中設置的多音干擾頻率大部分位于跳頻點上。

3 仿真分析與結論

下面以TCM-8PSK中基于卷積編碼以及RS編碼的兩種DS/FH通信系統(tǒng)為例，研究它們的抗寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、多音干擾能力。

3.1 抗寬帶噪聲干擾

在仿真參數設置中，結合相關裝備實際，主要通過改變DS/FH通信系統(tǒng)中的跳數、擴頻增益（頻譜擴展倍數）等參數來驗證對寬帶噪聲干擾的抗干擾性能。

圖2為改變擴頻增益時的DS/FH通信系統(tǒng)誤碼率曲線，參數設置為跳數1000跳，擴頻增益選擇50x和100x，高斯白噪聲信道信噪比為10dB。由圖中分析得出以下結論：

1）隨著信干比的不斷增大，DS/FH通信系統(tǒng)總體誤碼率呈下降趨勢，表明干擾功率的減弱會減輕干擾效果；

2）在相同功率噪聲的干擾下，擴頻增益大的系統(tǒng)抗干擾性能較強，這表明擴頻增益對提升系統(tǒng)抗干擾性能有較大幫助，在卷積編碼中性能提升約為2dB，RS編碼中約為1dB；

3）橫向比較采用的兩種編碼方式，其中采用基于卷積編碼的系統(tǒng)比RS編碼系統(tǒng)更快地到達了10-4誤碼率，也即基于卷積編碼的TCM-8PSK對于系統(tǒng)的誤碼性能提升更有效，抗干擾能力效果更強。

圖2 基于不同編碼的系統(tǒng)在不同擴頻增益下的性能比較

3.2 抗部分頻帶噪聲干擾

在施加部分頻帶干擾時，主要考慮占頻比這一參數，它改變的是干擾頻帶寬度。仿真中，主要對基于卷積和RS編碼的兩種DS/FH仿真系統(tǒng)施加占頻分別比為0.05、0.1、0.3、0.5的干擾，然后觀察其誤碼率變化情況。

仿真結果如圖3所示。由此可得出以下結論：

1）不同的占頻比對于系統(tǒng)性能的影響不同，可以發(fā)現占頻比越大，相對于干擾效果就越好，表明在大功率干擾條件下選擇更寬的頻帶進行干擾效果會更顯著；

2）在信干比較小時，對于不同比例部分頻段噪聲干擾而言，所需功率較小，同時，這時對于占頻比的影響較小。

3）對于上圖分析可以發(fā)現對于部分頻帶噪聲干擾而言，相對于信干比的數值而言，占頻比所占影響較大，選擇一個合適的占頻比往往能達到最佳干擾效果。

4）橫向比較兩種編碼，相同占頻比情況下，采用基于卷積編碼的系統(tǒng)更快地到達了10-4誤碼率，當干信比達到12dB時，基于RS編碼的系統(tǒng)誤碼率大部分仍在10-3以上，也即卷積編碼對于系統(tǒng)的誤碼性能提升更有效，抗干擾能力效果更強。

圖3 基于不同編碼的系統(tǒng)在不同占頻比下的性能比較

3.3 抗多音干擾

在仿真中，主要將5個音調分別位于擴頻載波頻率的Δf=±1/Tc,±1/2Tc和0處，分別比較干擾功率為ζ1=10dB,ζ2=20dB,ζ3=30dB 的誤碼率特性曲線。

對圖4進行分析并得出結論如下：

1）隨著信噪比的增大，不同干擾功率下的系統(tǒng)誤碼率均呈下降趨勢；

2）隨著干擾功率的加大，系統(tǒng)誤碼率也隨之升高；

3）相較于寬帶噪聲干擾和部分頻帶噪聲干擾，音調干擾的效果較好，達到同等誤碼率情況下所需功率明顯小于前兩種干擾；

圖4 基于不同編碼的系統(tǒng)在不同多音干擾功率性能比較

4）橫向比較兩種編碼，采用基于卷積編碼的系統(tǒng)抗干擾性能要優(yōu)于RS編碼，相同信干比提升情況下，采用基于卷積編碼的系統(tǒng)誤碼性能提升更多。

4 結語

本文討論了基于卷積和RS編碼的兩種TCM-8PSK跳擴通信系統(tǒng)的抗干擾性能。跳擴頻信號由于采用了擴頻與跳頻相結合的調制方式，可以較好地抵抗寬帶和部分頻帶干擾，而在多音干擾環(huán)境下跳擴頻信號的抗干擾性能較低。根據仿真得出的卷積編碼以及RS編碼誤碼率特性曲線，可知基于卷積編碼的系統(tǒng)抗干擾性能更強，因此在超短波電臺中得到實際運用。同時為了達到更好的通信抗干擾能力，應當盡可能采用跳擴頻增益較大的系統(tǒng)。后續(xù)建議可考慮加入采用交織技術的Turbo碼[12]取代卷積編碼，以進一步提升超短波電臺的通信抗干擾性能。