周洪霞,于 潞,李洪烈,唐金元

(海軍航空工程學院青島分院,山東青島266041)

0 引言

在軍事通信中,擴頻通信因其具有抗干擾、抗多徑衰落以及抗偵察等優(yōu)點得到廣泛應用[1]。在信噪比較低,電磁干擾較嚴重的環(huán)境下,短波低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過采用擴頻技術(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頻序列,是該文中短波低速數(shù)傳系統(tǒng)完成擴頻的關(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序列進行多進制擴頻,由本地載波進行8PSK調(diào)制,然后經(jīng)信道傳輸,接收端信息經(jīng)解擴解調(diào)從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復。

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)編碼擴頻,即八進制擴頻,每條長為96的偽隨機序列對應3比特二進制信息。

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

圖2 八進制擴頻實現(xiàn)框圖

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

2 擴頻序列設(shè)計

擴頻序列的設(shè)計標準[1,3,4,6]：

①擴頻序列應具有良好的隨機性。隨機性是阻止非法使用者復制、預測序列的一種度量指標;

②擴頻序列的數(shù)目要足夠多。序列數(shù)目越多,允許改變擴頻序列的范圍也越大,從而更進一步提高了系統(tǒng)抗偵竊能力;

③擴頻序列應具有平衡性。在直擴通信系統(tǒng)中,應用平衡的擴頻序列可以增強系統(tǒng)的抗偵竊性能;

④擴頻序列應具有良好的自相關(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的偽隨機碼作為擴頻碼,去表示k位信息的不同狀態(tài),因此要求用的偽隨機碼的條數(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,才能完成擴頻信號的解擴或解碼。常見的偽隨機序列有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,它由哈達碼矩陣衍生而來。哈達碼矩陣簡記為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;

哈達碼矩陣具有下列性質(zhì)：

①HT=H,也就是說哈達碼矩陣是對稱矩陣,將哈達碼矩陣的各行換成相應的各列,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)良的偽隨機復合序列作為系統(tǒng)擴頻序列。根據(jù)美軍數(shù)據(jù)通信協(xié)議標準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)造出一組新的復合序列,作為系統(tǒng)的8條擴頻序列。

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序列組成新的復合序列的相關(guān)特性仿真?？梢钥闯?這一組新的復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,即該復合序列具有更強的抗干擾能力,因此更適合于軍事通信。

圖7 復合序列的相關(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)計了一組新的復合序列,作為短波低速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的擴頻碼。

仿真結(jié)果表明,該復合序列同步時相關(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)的軍事應用具有重要意義。

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