摘 要：為了提高現(xiàn)有預(yù)編碼跳碼直擴(kuò)通信系統(tǒng)的抗干擾能力、通信保密性和反偵察能力，采用增加一個(gè)n級(jí)移位寄存器的方法，使跳碼圖案變換時(shí)間隨信號(hào)碼元跳變。通過研究分析，新系統(tǒng)在抗干擾、同步、反偵察以及保密性能等方面都有一定的改進(jìn)。

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關(guān)鍵詞：預(yù)編碼跳碼; 自編碼跳碼; 抗干擾; 保密性

中圖分類號(hào)：

TN914.42-34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-373X(2012)01-0023-04

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An improved spread spectrum communication technology of pre-encoded code-hopping

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WU Yong-bin1， FENG Guang-hua1， XU Qian2， WANG Hua-qiang3

(1.Chongqing Institute of Communications， Chongqing 400035， China; 2.PLA Unit of 77108， Chengdu 611233， China;

3.PLA Unit of 77266， Lincang 611233， China)

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Abstract：

To improve the anti-jamming ability， communication confidentiality and anti reconnaissance capability of existing pre-encoded code-hopping spread spectrum communication system， an added n level shift register method was used to transform the time of code-hopping with the signal element. Through the research and analysis， the new system is improved in some respects of anti-jamming， synchronization， anti reconnaissance and confidential performance.

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Keywords： pre-encoded code-hopping; self-encoded code-hopping; anti-jamming; confidentiality

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收稿日期：2011-09-21

0 引 言

直擴(kuò)體制目前在軍民通信中已得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的深入與實(shí)踐運(yùn)用，直擴(kuò)體制尤其是直擴(kuò)碼分體制(DS/CDMA)在軍事應(yīng)用中遇到了一系列技術(shù)難題，如遠(yuǎn)近效應(yīng)，抗干擾能力與組網(wǎng)及用戶數(shù)量之間的矛盾難以兼顧等[1-3]。

根據(jù)直擴(kuò)信號(hào)偵察接收機(jī)的機(jī)理與理論依據(jù)可以知道，無論輸入信噪比多低，在帶寬一定的情況下，總是能夠通過時(shí)間的積累檢測(cè)出輸出信噪比，從而檢測(cè)到直擴(kuò)碼的存在甚至還原直擴(kuò)碼。因此，如何進(jìn)一步提高直擴(kuò)反偵察能力是一個(gè)急需解決的問題。

跳碼通信是在直擴(kuò)技術(shù)體制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的擴(kuò)譜技術(shù)。它以常規(guī)直擴(kuò)為基礎(chǔ)，其直擴(kuò)碼字是跳變的，因此也具備了部分類似跳頻系統(tǒng)的特征。根據(jù)目前的研究成果，跳碼的基本類型可以包括兩種，一種是預(yù)編碼直擴(kuò)(Pre-encoded Spread Spectrum，PESS)的跳碼，簡稱預(yù)編碼跳碼，其基于預(yù)知碼集上的直擴(kuò)碼偽隨機(jī)跳變;另一種是基于自編碼直擴(kuò)(Self-encoded Spread Spectrum，SESS)的跳碼，簡稱為自編碼跳碼。

1 預(yù)編碼擴(kuò)頻

1.1 預(yù)編碼擴(kuò)頻原理

所謂預(yù)編碼跳碼通信，實(shí)際上是借用跳頻通信的原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)固定碼型直擴(kuò)體制的一種擴(kuò)展，即選定M組直擴(kuò)碼的直擴(kuò)碼集(碼字表)，系統(tǒng)采用同一個(gè)載頻，并按照跳碼圖案在M組直擴(kuò)碼上偽隨機(jī)地跳變[3-4]。在每一個(gè)瞬時(shí)，系統(tǒng)各用戶均同步地跳到同一組直擴(kuò)碼上，對(duì)應(yīng)于跳頻通信系統(tǒng)中的各要素，跳碼通信系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 預(yù)編碼跳碼通信系統(tǒng)原理框圖

圖1中，在發(fā)射端，預(yù)編碼跳碼通信的關(guān)鍵部分是跳碼控制器。跳碼控制器產(chǎn)生跳碼圖案，跳碼圖案控制跳碼合成器隨機(jī)地產(chǎn)生不同的直擴(kuò)碼組，并根據(jù)直擴(kuò)進(jìn)制數(shù)和各直擴(kuò)碼字與信碼符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)信源數(shù)據(jù)d(t)進(jìn)行直擴(kuò)調(diào)制，再經(jīng)過射頻調(diào)制形成跳碼信號(hào)。在接收端，經(jīng)過下變頻得到中頻跳碼直擴(kuò)調(diào)制信號(hào)，由跳碼同步單元完成對(duì)跳碼圖案的同步，通過直擴(kuò)碼組及相應(yīng)碼字與信碼符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)收到的跳碼信號(hào)進(jìn)行解跳、解擴(kuò)、解調(diào)處理，最終可以恢復(fù)出所需的信碼。

1.2 預(yù)編碼擴(kuò)頻性能分析

預(yù)編碼跳碼直擴(kuò)借用了跳頻擴(kuò)譜的原理和概念，是常規(guī)直擴(kuò)調(diào)制的推廣。發(fā)射端的跳碼信號(hào)SCH(t)表達(dá)式與直擴(kuò)信號(hào)表達(dá)式相近，設(shè)為：

SCH(t)=d(t)PNi(t)Acos(ω0t+φ)，

i=1，2，…，M

(1)

式中:PNi(t)為跳碼合成器的輸出(即直擴(kuò)偽碼信號(hào));A為載波幅度;ω0為信號(hào)載頻;φ為信號(hào)相位;M為直擴(kuò)碼數(shù)量。

接收端的解跳解擴(kuò)信號(hào)可表示為:

r′(t)=r(t)cos(ω0t)c′(t)

(2)

式中:r(t)=SCH(t)+n(t)+J(t)+SJ(t)為接收機(jī)接收的混合信號(hào)；SCH(t)，n(t)，J(t)，SJ(t)分別表示跳碼信號(hào)、噪聲、人為干擾和用戶間多址干擾;c′(t)為接收端的偽碼。

和常規(guī)直擴(kuò)一樣，對(duì)于多種類型的非相關(guān)干擾，由于其與接收端的直擴(kuò)碼不相關(guān)，經(jīng)過解擴(kuò)處理后，帶寬被展寬，干擾被抑制，其程度與碼長有關(guān)。對(duì)于相關(guān)干擾，由于跳碼組比常規(guī)直擴(kuò)多了M組，且跳碼圖案具有較好的隨機(jī)性和非線性等特性，使相關(guān)干擾難以實(shí)施或者難以造成較大的影響。

2 自編碼擴(kuò)頻

2.1 自編碼擴(kuò)頻原理

美國學(xué)者Lim Nguyen在1999年提出了一種完全拋棄傳統(tǒng)PN碼，而利用前n 個(gè)信碼比特作為第 n+1個(gè)信碼的擴(kuò)頻碼碼片來進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制的新的擴(kuò)頻技術(shù)——自編碼擴(kuò)頻(SESS)[5-6]，其基本原理如圖2所示。

圖2 自編碼跳碼通信系統(tǒng)原理框圖

假設(shè)直擴(kuò)碼長度為n，信息速率為1/T(碼元持續(xù)時(shí)間為T)，它們同時(shí)輸入到相乘器和ｎ級(jí)移位寄存器SR1。SR1的內(nèi)容被信源數(shù)據(jù)更新，并以切換開關(guān)ｎ/T的速率依次切換輸出(即前ｎ個(gè)信息碼元符號(hào)值)，各抽頭輸出值就構(gòu)成了當(dāng)前信息碼元所需的直擴(kuò)碼。直擴(kuò)碼和信息序列相乘，就得到基帶擴(kuò)頻信號(hào)。接收端再生自編碼擴(kuò)頻序列的過程與發(fā)射端相似。

由圖2可知，在發(fā)射端，信碼一路輸入直擴(kuò)調(diào)制，另一路輸入移位寄存器，形成直擴(kuò)碼后對(duì)信碼進(jìn)行直擴(kuò)調(diào)制，得到基帶或中頻已擴(kuò)信號(hào)，再經(jīng)射頻調(diào)制和功率放大由天線輸出。在接收端，進(jìn)行相反的處理就會(huì)得到解擴(kuò)信號(hào)，不過這是在同步的基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)的。

2.2 自編碼擴(kuò)頻性能分析

由自編碼擴(kuò)頻的原理及工作流程可知，其最大的優(yōu)點(diǎn)是跳碼圖案和直擴(kuò)碼直接受信碼控制，因而跳碼的碼集是不固定的，跳碼圖案可以說沒有重復(fù)周期。這樣就進(jìn)一步提高了直擴(kuò)通信的保密反偵察性能。

但是，要保證其實(shí)用性，還有許多問題需要從理論和工程上解決，例如收發(fā)跳碼圖案的同步問題，各直擴(kuò)碼之間的相關(guān)性問題，誤碼傳播問題以及信碼不均衡問題等等。

3 改進(jìn)型預(yù)編碼跳碼通信系統(tǒng)

3.1 新系統(tǒng)的組成

該系統(tǒng)在預(yù)編碼體系的基礎(chǔ)上，在跳碼控制器上增加一個(gè)移位寄存器，通過信息碼元控制跳碼碼組變換速率，實(shí)現(xiàn)變速跳碼，其系統(tǒng)組成如圖3所示[4-7]。

圖3 新系統(tǒng)組成框圖

由圖3中可知，在發(fā)射端，信碼一路輸入直擴(kuò)調(diào)制，另一路輸入移位寄存器，形成一組控制碼后輸入跳碼控制器，并與之結(jié)合進(jìn)行運(yùn)算，使跳碼控制器輸出的控制信號(hào)速度隨控制碼大小線性或非線性變換；跳碼合成器在控制器的控制下偽隨機(jī)地產(chǎn)生不同的直擴(kuò)碼組，并根據(jù)直擴(kuò)進(jìn)制數(shù)和各直擴(kuò)碼字與信碼符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)信源數(shù)據(jù)d(t)進(jìn)行直擴(kuò)調(diào)制，得到基帶或中頻已擴(kuò)信號(hào)，再經(jīng)射頻調(diào)制和功率放大，由天線輸出。在接收端，進(jìn)行相反的處理就會(huì)得到解擴(kuò)信號(hào)，經(jīng)過下變頻得到中頻跳碼直擴(kuò)調(diào)制信號(hào)，由跳碼同步單元完成對(duì)跳碼圖案的同步，通過直擴(kuò)碼組、碼元控制碼及相應(yīng)碼字與信碼符號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系對(duì)收到的跳碼信號(hào)進(jìn)行解跳、解擴(kuò)、解調(diào)處理，最終可以恢復(fù)出所需的信碼。

3.2 新系統(tǒng)性能分析

新系統(tǒng)在預(yù)編碼的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)寄存器，主要功能是隨輸入數(shù)據(jù)改變跳碼組變換時(shí)間，即增加了一個(gè)變化量R(x1，x2，…，xn－1)(由前n-1位信碼通過線性或非線性算法得到)，使變量PNi(t)只隨時(shí)間變換變?yōu)镻Ni［R(x1，x2，…，xn－1)，t］，即隨信碼與時(shí)間共同改變。發(fā)射端的跳碼信號(hào)SCH(t)表達(dá)式可以改寫為：

SCH(t)=d(t)PNi［R(x1，x2，…，xn－1)，t］

Acos(ω0t+φ)， i=1，2，…，M

(3)

由式(3)與式(1)可知，新系統(tǒng)在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了隨信碼符號(hào)改變直擴(kuò)碼組的能力，即改變跳碼圖案的能力，使得系統(tǒng)反偵察等能力得到了很大的提高。下面即對(duì)這幾個(gè)主要性能進(jìn)行簡要分析。

3.2.1 抗干擾能力

與預(yù)編碼跳碼通信系統(tǒng)類似，新系統(tǒng)遇到的人為干擾也主要分為相關(guān)干擾與非相關(guān)干擾兩大類。相關(guān)干擾主要是指利用與跳碼通信信號(hào)相關(guān)的干擾信號(hào)對(duì)跳碼通信進(jìn)行的跟蹤干擾，其通常用在跳碼圖案規(guī)律、各跳碼字均與跳碼通信相一致的干擾信號(hào)中，并在基帶上施加相應(yīng)的干擾調(diào)制信號(hào)；非相關(guān)干擾主要是指利用與跳碼信號(hào)不相關(guān)的干擾信號(hào)對(duì)跳碼通信進(jìn)行的壓制干擾，一般采用寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、單音與多音干擾、脈沖干擾等。

(1) 抗非相關(guān)干擾能力

對(duì)于新型跳碼通信系統(tǒng)，干擾方對(duì)系統(tǒng)中M個(gè)正交的碼字實(shí)施非相關(guān)干擾，由于各碼字均在同一個(gè)頻率和帶寬內(nèi)工作，不管跳碼速率高低，也不管是哪組直擴(kuò)碼，每一個(gè)碼字的受擾情況都是一樣的，因此，系統(tǒng)將失去跳碼的處理增益，但是直擴(kuò)處理增益還在。設(shè)直擴(kuò)碼長為n，那么不管是二進(jìn)制還是多進(jìn)制直擴(kuò)，此時(shí)跳碼系統(tǒng)中抗非相關(guān)干擾的處理增益為直擴(kuò)增益，即：

GCS=GCH=GDS=n

(4)

由式(4)可知，新型跳碼通信系統(tǒng)抗的非相關(guān)干擾性能與預(yù)編碼跳碼通信系統(tǒng)和固定碼型直擴(kuò)系統(tǒng)相同，變速跳碼對(duì)抗非相關(guān)干擾沒有貢獻(xiàn)。

(2) 抗相關(guān)干擾能力

在預(yù)編碼跳碼通信系統(tǒng)中，不僅具有針對(duì)非相關(guān)干擾的直擴(kuò)處理增益，還具有對(duì)相關(guān)干擾的跳碼處理增益。

假設(shè)干擾方采用一個(gè)或者幾個(gè)與跳碼碼集相同的直擴(kuò)碼進(jìn)行相關(guān)干擾，在不能實(shí)時(shí)破譯跳碼圖案的條件下，僅能對(duì)相同或近似直擴(kuò)碼的跳碼信號(hào)駐留期間的跳碼信號(hào)形成相關(guān)干擾，而對(duì)于其他直擴(kuò)碼相當(dāng)于收到非相關(guān)干擾，擴(kuò)譜處理增益還在，因此，總的處理增益為:

GCH=(M－j)n， 1≤j≤M

(5)

式中:M為跳碼集中可用的直擴(kuò)碼個(gè)數(shù)；j為被相關(guān)干擾個(gè)數(shù)；n為直擴(kuò)碼長度；M－j為跳碼增益。

在新型跳碼系統(tǒng)中，即使干擾方采用一個(gè)或者幾個(gè)與跳碼碼集相同的直擴(kuò)碼進(jìn)行相關(guān)干擾時(shí)，由于跳碼圖案隨碼元改變，變換時(shí)間不再固定，造成了干擾信號(hào)難以長時(shí)間與信號(hào)同步，使得部分相關(guān)干擾變成了非相關(guān)干擾。設(shè)改變率為α，則新系統(tǒng)的總處理增益為:

GCS=［M－(1－α)j］n=(M－j)n+αjn，

1≤j≤M， 0≤α≤1

(6)

由式(5)與式(6)可以看出，改進(jìn)后跳碼系統(tǒng)的處理增益提高了，抗相關(guān)干擾能力也相應(yīng)增強(qiáng)了。

3.2.2 跳碼同步能力

和預(yù)編碼跳碼系統(tǒng)一樣，新系統(tǒng)的同步過程可分為兩個(gè)階段，初始同步階段和數(shù)據(jù)傳輸階段。同步的重點(diǎn)在初始同步階段，初始同步包括跳碼圖案同步、直擴(kuò)碼捕獲和跟蹤三個(gè)部分。新系統(tǒng)增加了一組n級(jí)移位寄存器，改變了跳碼組變換速度，相當(dāng)于改變了跳碼圖案，其跳碼圖案中碼組與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。圖4中Pi表示第i組直擴(kuò)碼，共有M組。

圖4 兩種系統(tǒng)跳碼圖案形成的碼字-時(shí)間關(guān)系比較

由圖4可以看出，新系統(tǒng)的跳碼組在不定時(shí)地進(jìn)行跳變，且最短時(shí)間不低于原系統(tǒng)固定的跳變時(shí)間，即跳碼變換時(shí)間大于等于原系統(tǒng)，可以理解為部分放寬了直擴(kuò)碼組改變時(shí)間，從而使得新系統(tǒng)對(duì)同步的要求不會(huì)比原系統(tǒng)高。

3.2.3 反偵察、保密能力

根據(jù)直擴(kuò)信號(hào)偵察接收機(jī)的機(jī)理與理論依據(jù)，可得到下列表達(dá)式[8-10]：

(S/N0)o=(S/N0)2i#8226;T#8226;W

(7)

式中:(S/N0)o和(S/N0)i分別表示偵察接收機(jī)的輸出和輸入信噪比；T表示觀察時(shí)間；W表示直擴(kuò)信號(hào)帶寬。式(7)說明，在時(shí)間的積累下，偵查機(jī)能夠檢測(cè)到直擴(kuò)碼的存在以及所需的直擴(kuò)碼。如果能夠破壞或者干擾時(shí)間積累的機(jī)理，就可以大大增強(qiáng)系統(tǒng)的反偵察能力。跳碼圖案的不定時(shí)變換，使得偵察系統(tǒng)對(duì)直擴(kuò)碼估計(jì)的時(shí)效性減弱，從而增加了系統(tǒng)的反偵察、抗截獲能力。而新增的n級(jí)移位寄存器本身就可以看成是一組編碼、解碼器，相當(dāng)于給信號(hào)在傳輸過程中進(jìn)行了一次加密、解密，因此也有效增強(qiáng)了系統(tǒng)的保密性。

4 結(jié) 語

本文首先介紹了跳碼通信，然后分析了預(yù)編碼通信和自編碼通信，并提出了一種新的預(yù)編碼跳碼系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)新系統(tǒng)的基本性能進(jìn)行了分析，可以看出新系統(tǒng)在抗干擾、同步、反偵察以及保密性能等方面都有一定的改進(jìn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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［3］姚富強(qiáng)，張少元．一種跳碼直擴(kuò)通信技術(shù)體制探討［J］．國防科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，27(5):52-55.

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作者簡介：

吳永彬 男，1984年出生，研究生。主要研究方向?yàn)檐娛峦ㄐ艑W(xué)。

鳳光華 男，1965年出生，教授，碩士研究生導(dǎo)師。從事科研和教學(xué)工作多年，獲多個(gè)科技進(jìn)步二、三等獎(jiǎng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文若干篇，并編著多部教材。

徐 謙 男，1983年出生，學(xué)士，77108部隊(duì)連長。

王華強(qiáng) 男，1985年出生，學(xué)士，77266部隊(duì)副連長。