金 龍， 詹 磊， 肖軍鵬， 沈永健

(北京遙測技術研究所 北京 100076)

級聯(lián)編碼的同步瞄準干擾算法研究

金 龍， 詹 磊， 肖軍鵬， 沈永健

(北京遙測技術研究所 北京 100076)

現(xiàn)代通信廣泛采用級聯(lián)編碼作為抗干擾措施，以保證通信質量。級聯(lián)編碼種類很多，其中RS編碼和卷積編碼的級聯(lián)編碼較為常用。針對級聯(lián)編碼的特點，提出一種高效干擾算法——同步瞄準干擾算法，對級聯(lián)編碼中的ASM幀同步實施干擾，從而破壞數據流的同步信息，達到阻斷通信的目的。對同步瞄準方法和干擾樣式選擇進行深入研究。軟件仿真結果表明，相比于相似信號干擾算法、掃頻干擾算法、單音干擾算法和延時轉發(fā)干擾算法，同步瞄準干擾算法能夠對級聯(lián)編碼實施高效干擾。

RS編碼； 卷積編碼； 交織； ASM； 同步瞄準干擾

引 言

在現(xiàn)代通信中，為了獲得較強糾錯能力，信道編碼需要采用較長的碼長，而隨著碼長的增加，譯碼的復雜度也急劇增加，導致計算量急劇增大。為了解決信道編碼性能和譯碼計算量之間的矛盾，F(xiàn)orney于1966年提出了級聯(lián)編碼的概念，級聯(lián)編碼是將幾種獨立的信道編碼進行串聯(lián)，其譯碼計算量隨碼長的小冪次增長，而非隨碼長的指數增長。級聯(lián)編碼在大大降低譯碼計算量的同時具有較強的糾正突發(fā)錯誤和隨機錯誤的能力，可以滿足實際使用的需求。通常情況下，級聯(lián)編碼由兩個子碼組成，它們分別取自不同的域[1]。

級聯(lián)編碼具有很強的糾錯能力，是一種十分有效的抗干擾手段，被廣泛應用到數字通信領域，尤其是軍事通信領域。為了能夠準確獲得戰(zhàn)場信息，保證通信質量，通信雙方常采用級聯(lián)編碼進行抗干擾。本文所討論的干擾對象是采用RS碼作為外碼、卷積碼作為內碼的級聯(lián)編碼，并在兩級編碼之間加入交織。這樣做的主要原因是，如果數據傳輸過程中的傳輸環(huán)境較為惡劣，錯誤比較嚴重，卷積碼無法進行全部糾正，則突發(fā)性錯誤發(fā)生的可能性較大，而交織可以減少一個RS碼組中的突發(fā)性錯誤，繼而由RS碼進一步糾錯，如此便能夠有效提高系統(tǒng)的糾錯能力[2]。

單音干擾、掃頻干擾、轉發(fā)干擾、相似信號干擾等干擾算法雖然能夠對級聯(lián)編碼實施有效干擾，但所需干擾功率較大，干擾效率不高。為了在達到相同干擾效果的前提下降低干擾功率，本文提出一種針對級聯(lián)編碼的高效干擾算法——同步瞄準干擾算法，并對算法性能進行了仿真驗證。

1 級聯(lián)編碼

本文所討論的干擾對象是采用RS碼作為外碼、卷積碼作為內碼的級聯(lián)編碼，并在兩級編碼之間加入交織。

1.1 RS編碼

RS編碼，也叫Reed-Solomon編碼，是一類具有很強糾錯能力的多進制BCH碼。設n表示RS碼的碼長，則對于m進制的RS碼，其碼長需要滿足n＝m-1＝2q-1，式中：q≥2，為整數。對于能夠糾正t個錯誤的RS碼，其監(jiān)督碼元數目為r＝2t，這時的最小碼距d0＝2t+1。RS碼的生成多項式為g(x)＝(x+ α)(x+α2)…(x+α2t)，式中：α是伽羅華域GF(2q)中的本原元[3]。

若將每個m進制碼元表示成相應的q位二進制碼元，則可得到二進制碼的參數：碼長n＝q(2q-1)，監(jiān)督碼r＝2qt。由于RS碼能夠糾正t個m進制錯碼，或者說，能夠糾正碼組中t個不超過q位的連續(xù)二進制錯碼，所以RS碼特別適用于存在突發(fā)錯誤的信道。

1.2 交織

級聯(lián)編碼所采用的交織方法是矩陣交織，其基本原理如圖1所示。

圖1 矩陣交織基本原理

圖1中，每行代表一個RS碼組，其長度為n個字節(jié)；每列代表交織幀的一部分，長度為I字節(jié)，I代表交織深度。圖1所示數據矩陣共有I×n個字節(jié)，所有列首尾相接，組成一個交織幀，然后在每個交織幀的首尾附加上幀同步頭ASM(Attached Synchronization Marker)。當交織深度I和一個RS碼組長度n一定時，每個交織幀的長度也就一定。ASM幀同步頭的長度為32比特，其十六進制值為“1A CF FC 1D”[4]，是固定值。

交織的目的是將集中出現(xiàn)的較長的突發(fā)錯碼分散開，變成較短的突發(fā)錯碼。例如，圖1中的第一行由n個字節(jié)碼元構成一個碼組，并且將其連續(xù)發(fā)送到信道上，則當此碼組遇到干擾，造成大量錯碼時，可能因超出RS編碼的糾錯能力而無法糾正錯誤。但是，若在發(fā)送前進行交織，按列發(fā)送，則能夠將集中的錯碼分散到各個碼組，從而有利于糾錯，達到抗干擾的目的。

1.3 卷積編碼

卷積碼是一種非分組碼，其在編碼時將k比特的信息段編成n個比特的碼組，監(jiān)督碼元不僅與當前k比特信息段有關，而且還與前面m＝(N-1)個信息段有關。所以一個碼組中的監(jiān)督碼元監(jiān)督著N個信息段。通常將N稱為編碼約束度，并將nN稱為編碼約束長度。一般來說，對于卷積碼，k和n是比較小的整數，并將卷積碼記作(n，k，N)，碼率則定義為k/n[3]。

例如，卷積碼(2，1，7)是由G1＝1111001和G2＝1011011構成的生成多項式唯一確定。卷積碼在編碼過程中充分利用了各組之間的相關性，且k和n比較小，其碼元之間的約束關系較強，能夠很好地糾正數據信息流中的隨機錯誤，從而達到抗干擾的目的[4]。

2 同步瞄準干擾算法

針對級聯(lián)編碼采用ASM幀同步信息的特點，本文提出同步瞄準干擾算法，其原理如圖2所示。

圖2 同步瞄準干擾算法原理

首先，干擾方通過偵察引導系統(tǒng)從偵收到的信號中解析出級聯(lián)編碼的ASM幀同步頭。由于交織幀的數據區(qū)長度固定，因此通過多個解析出的ASM幀同步頭可以統(tǒng)計出交織幀的長度。

然后，干擾方控制干擾信號瞄準ASM幀同步頭位置進行干擾。根據通信發(fā)送方、接收方和干擾方三者之間的位置關系及相對運動關系，計算出通信信號的傳播時間和干擾信號的傳播時間，再根據偵察獲得的交織幀長度，確定出干擾信號的發(fā)射時機。同時，選擇干擾樣式，發(fā)射干擾信號。

可見，為了能夠高效干擾級聯(lián)編碼通信，同步瞄準干擾算法必須滿足兩個條件：①干擾信號能夠準確地瞄準級聯(lián)編碼的ASM幀同步頭；②選擇合適的干擾樣式。

2.1 同步瞄準方法

同步瞄準干擾算法的核心在于干擾信號必須瞄準ASM幀同步頭，而干擾信號能否瞄準ASM幀同步頭取決于干擾信號的長度和發(fā)射時機。

干擾信號的長度決定了干擾能量的集中程度。干擾信號的長度越短，干擾能量就越集中，反之，則越分散[8]。為了保證干擾能量全部集中在ASM幀同步頭位置，干擾信號的理論最佳長度應等于ASM幀同步頭的長度。但考慮到ASM幀同步頭存在估計誤差，如圖2所示，因此實際的干擾信號長度應大于ASM幀同步頭的長度。

當干擾信號長度等于ASM幀同步頭的長度時，同步瞄準還與干擾信號的發(fā)射時機有關。干擾方必須根據通信的發(fā)送方、接收方和干擾方三者之間的位置關系和相對運動關系，以及通信信號交織幀的長度，計算出通信信號和干擾信號的傳播時延，最終確定出干擾信號的發(fā)射時機，從而使干擾信號瞄準通信信號的ASM幀同步頭。

可見，當干擾信號長度等于ASM幀同步頭的長度時，確定干擾信號的發(fā)射時機需要很多偵察參數，偵察過程復雜，計算量大，導致偵察干擾系統(tǒng)體積龐大、系統(tǒng)負擔過重、處理時間過長。

為了避免偵察工作量過大，本文算法采用的干擾信號長度等于一個交織幀的長度，且每隔一個交織幀實施一次干擾。由于通信接收方計算交織幀時需要解析出至少兩個ASM幀同步頭，因此本文算法能夠破壞ASM幀同步，且干擾能量相對集中。此外，該處理方法的最大優(yōu)點在于干擾方無需嚴格控制干擾信號的發(fā)射時機，無論何時發(fā)射干擾信號，都能對一個ASM幀同步頭實施干擾。

2.2 干擾樣式選擇

同步瞄準干擾算法的干擾效果不僅與瞄準方法有關，還與干擾信號選擇的干擾樣式有關?，F(xiàn)以單音干擾樣式和掃頻干擾樣式為例進行對比分析。

設通信信號經過級聯(lián)編碼后采用QPSK調制，且干擾信號的載頻等于通信信號的載頻，即ωJ＝ωc。通信信號模型[3]為

四個相位值等概率傳輸。其中，A是通信信號幅度，ωc是通信信號的載頻，θ(t)是通信信號的調制相位。

設單音干擾樣式信號模型[5]為

其中，AJ是干擾信號幅度，ωJ是干擾信號載頻，φ是初始相位，為固定值。加入了干擾的通信信號經過相干解調后，通信接收端的最終誤碼率為

設掃頻干擾樣式信號模型[5]為

其中，K是掃頻參數，Tscan是掃頻周期。加入了干擾的通信信號經過相干解調后，通信接收端的最終誤碼率為

綜上所述，在同步瞄準干擾過程中，單音干擾樣式和掃頻干擾樣式使得通信接收端的誤碼率公式不同，即不同的干擾樣式會產生不同的干擾效果。本文中，同步瞄準干擾算法具體采用何種干擾樣式將通過算法性能仿真決定，即選擇能夠使同步瞄準干擾算法達到最佳干擾效果的干擾樣式。

2.3 同步瞄準干擾算法優(yōu)缺點

設在[0，T]時間段內干擾信號能量為W，則常用干擾信號的平均干擾功率為

當采用同步瞄準干擾算法時，干擾信號存在時間變?yōu)門/2，則在干擾能量相同的條件下，此時的平均干擾功率為

由此可見，當采用同步瞄準干擾算法時，通過選擇合適的干擾樣式，就會使針對ASM幀同步頭部分的干擾能量增加，從而增強干擾效果，使得通信接收端的誤碼率局部提升，最終能夠更容易地破壞掉ASM幀同步頭信息。

同步瞄準干擾算法的主要缺點在于難以對目標進行實時干擾。同步瞄準干擾算法需要的前期偵察參數較多，包括通信信號的載頻、碼率、交織深度、交織幀長度和ASM幀同步的解析等等。受當前電子元器件處理數據速度的限制，干擾方對這些參數的前期偵察會耗費大量時間，尤其是對ASM幀同步頭的解析[6]。這樣便延緩了干擾信號的發(fā)射，從而有可能錯過對通信信號的干擾時機?？梢姡矫闇矢蓴_算法適合于干擾需要傳輸大量數據的通信信號，或者是參數不可變的通信信號。

3 算法性能仿真與分析

仿真模型中的級聯(lián)編碼采用RS(255，223)作為外碼、卷積碼(2，1，7)作為內碼，中間插入交織器，交織深度設為I＝5。由1.2節(jié)可知，ASM幀同步頭長度為32比特，由于采用卷積碼(2，1，7)，則ASM幀同步頭長度變?yōu)?4比特。仿真模型采用QPSK調制解調，信噪比始終設定為Eb/N0＝10dB。

不同干擾信號長度下，同步瞄準干擾算法的干擾效果對比示于圖3。這里，同步瞄準干擾算法采用單音干擾樣式，且干擾信號始終對準ASM幀同步頭。圖中沒有畫出的點代表通信接收端的誤碼率為0(下同)。通信接收端的最大誤碼率設定為0.5，代表ASM幀同步頭被干擾，通信接收端無法解析交織幀，其對每個碼元的判決錯誤概率為50%(下同)。

由圖3可見，除極個別點外，隨著干擾信號長度的增加，同步瞄準干擾算法的干擾效果逐漸變差。當干擾信號長度等于一個ASM幀同步頭長度時，通信接收端的誤碼率始終為0.5，即干信比在[-9dB，10dB]范圍內，ASM幀同步頭始終被干擾，其干擾效果最好。當干擾信號長度等于3/2個交織幀長度時，僅在干信比JSR≥-1dB后，ASM幀同步頭才會被干擾，其干擾效果最差。由此可得結論，同步瞄準干擾算法的最佳干擾信號長度等于一個ASM幀同步頭的長度。

采用不同干擾樣式，同步瞄準干擾算法的干擾效果對比示于圖4。這里，干擾信號長度等于一個交織幀的長度，且干擾信號始終對準ASM幀同步頭。由圖4可以看出，當干擾信號長度等于一個交織幀長度時，采用不同的干擾樣式會產生不同的干擾效果。其中，干擾效果最佳的是采用單音干擾樣式的干擾信號，其在干信比JSR≥-2dB以后，ASM幀同步頭會遭到干擾。由此可得結論，同步瞄準干擾算法的最佳干擾樣式是單音干擾。

圖3 不同干擾信號長度的干擾效果對比

圖4 不同干擾樣式的干擾效果對比

綜上，同步瞄準干擾算法的干擾信號長度等于一個ASM幀同步頭的長度，并選擇單音干擾樣式，是最佳干擾策略，能達到最佳的干擾效果。但是，由2.1節(jié)可知，為了避免同步瞄準干擾算法中偵察工作量過大，本文算法選擇干擾信號長度等于一個交織幀的長度。由圖3可知，盡管此時的干擾效果比最佳干擾效果差，但是仍具有良好的干擾性能——當干信比JSR≥-3.2dB后，通信接收端誤碼率Pe＞10-1，能達到一級強干擾[7]。

圖5 不同干擾算法的干擾效果對比

同步瞄準干擾算法、相似信號干擾算法、掃頻干擾算法、單音干擾算法和延時轉發(fā)干擾算法的干擾效果對比示于圖5。這里，同步瞄準干擾算法的干擾信號長度等于一個交織幀的長度，并采用單音干擾樣式。由圖5可以看出，當信噪比Eb/N0＝10dB時，同步瞄準干擾算法在干信比JSR≥-3.2dB的條件下，其誤碼率為Pe＞10-1，達到一級強干擾；而同樣達到一級強干擾，相似信號干擾算法要求干信比JSR≥-0.6dB，單音干擾算法要求干信比JSR≥-0.2dB，掃頻干擾算法要求干信比JSR≥4.1dB，延時轉發(fā)干擾算法要求干信比JSR≥2.3dB。由此可得結論，相比于相似信號干擾算法、掃頻干擾算法、單音干擾算法和延時轉發(fā)干擾算法，同步瞄準干擾算法能夠對采用級聯(lián)編碼的通信信號實施高效干擾。

4 結束語

本文根據級聯(lián)編碼的特點提出了一種高效干擾算法，即同步瞄準干擾算法。相比于相似信號干擾算法、掃頻干擾算法、單音干擾算法和延時轉發(fā)干擾算法，該干擾算法對級聯(lián)編碼信號干擾效果明顯，且達到有效干擾所需的干信比較低，具有較強的實用價值。

[1] 王新梅，肖國鎮(zhèn).糾錯碼——原理與方法[M].西安：西安電子科技大學出版社，2002.

[2] 俞丹麗，夏厚培.RS與卷積級聯(lián)碼在Rice信道中的性能分析[J].雷達與對抗，2012，32(2)：36～39.

[3] 樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].第六版.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[4] CCSDS 130.1-G-1，Green Book.TM Synchronization and Channel Coding-Summary of Concept and Rationale[S]. CCSDSSecretariat，2006.

[5] Richard A P.Modern Communications Jamming Principles and Techniques[M].Boston：Artech House，2004.

[6] 張國玉，沈永健，王崗罡.CCSDS卷積碼快速識別算法[J].遙測遙控，2013，34(3)：53～57.

[7] GJB 6741—2009.數字通信干擾效果評定準則[S].中國人民解放軍總裝備部，2009.

[8] 常琳英.通信對抗中高效干擾算法研究[D].西安電子科技大學，2012.

航天211廠3D打印設備調試到位 將研制新型號動力部件

近日，中國航天科技集團公司一院211廠引進的首臺高精度“3D打印”設備安裝調試到位。今年，該廠將運用該設備，研制某型號發(fā)動機葉輪和某型號翼軸組合件，并經受飛行試驗考核。

自2010年起，該廠就開始關注先進的高精度激光“3D打印”技術，其中激光選區(qū)熔化成形是技術的精髓所在，能夠實現(xiàn)按零件三維模型分層切片的復雜軌跡，完成復雜結構件的高精度整體制造，最高成形精度可達0.05毫米。該廠經過多次試驗，已于2013年實現(xiàn)了某型號五通試驗件等產品的增材制造。

此次引進的激光選區(qū)熔化成形設備，集光電技術、材料技術、數字化技術于一身，具有功率大、自動化程度高的特點。設計人員只需將所成形零件的三維模型輸入專用軟件中，通過一定的數據處理后，便可直接“打印”出所需的零件，適合難加工材料復雜結構件的高精度整體制造，尤其適合預研型號設計技術狀態(tài)頻繁變化部組件的快速研制。

目前，該設備已打印出型號發(fā)動機復雜關鍵構件試驗件，初步驗證了設備的先進性和可靠性。

摘自《中國航天報》

A Syn-aim Jamm ing A lgorithm Against Concatenated Code

Jin Long， Zhan Lei， Xiao Junpeng， Shen Yongjian

Modern communication usually uses the concatenated code as the anti-jamming method to guarantee the communication quality.The concatenated code with RS code and convolutional code is common.According to the feature of concatenated code，this paper puts forward an efficient jamming algorithm called syn-aim jamming algorithm，which focuses jamming on the ASM frame-synchronization of concatenated code and destroys the ASM frame-synchronization data to block the communication.Furthermore，this paper studies the aim-method and jam-style deeply.Finally，the results of software simulation show that，compared with the same-signal jamming，swept jamming，single-tone jamming and delayed-forward jamming algorithms，the syn-aim jamming algorithm can achieve the efficient jamming goal against the concatenated code.

RS code； Convolutional code； Interleave； ASM； Syn-aim jamming

TN971

A

CN11-1780(2014)03-0037-06

金 龍 1988年生，碩士，主要研究方向為航天信息對抗技術。

詹 磊 1977年生，研究員，主要研究方向為信息對抗技術。

肖軍鵬 1966年生，研究員，主要研究方向為電子對抗和電子偵察系統(tǒng)。

沈勇健 1985年生，工程師，主要研究方向為電子對抗和偵察信號處理。

2014-01-07 收修改稿日期：2014-02-21