劉躍宣，馬志強，曾 輝，余大波

(通信訓練基地，河北 宣化 075100)

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一種高效的混合M元擴頻通信方案*

劉躍宣**，馬志強，曾 輝，余大波

(通信訓練基地，河北 宣化 075100)

為進一步提高擴頻通信系統(tǒng)的頻帶利用率和抗截獲性能，將正交擴頻技術與碼相位循環(huán)移位調制技術相結合，提出了一種新的高效多進制擴頻通信方案。在正交信道的每條支路上，首先采用M元雙正交擴頻調制，再以每一個擴頻碼為原型碼進行碼相位循環(huán)移位調制，選用專用的偽噪聲碼進行同步，在接收端用基于變換域處理的循環(huán)相關器進行解擴。計算機仿真表明，該方案易于實現(xiàn)同步，同時有較高的頻帶利用率和更強的抗截獲性能。該方案在衛(wèi)星隱蔽通信、數據鏈通信等領域有較大的應用價值。

直接序列擴頻通信；M元擴頻；雙正交擴頻；碼相位循環(huán)移位調制；循環(huán)相關

1 引 言

直接序列擴頻通信因具有較強的抗干擾、抗截獲、抗多徑性能而應用廣泛，但頻帶利用率較低。M元擴頻(或稱為多進制擴頻)通信與傳統(tǒng)的直擴系統(tǒng)相比,在相同的帶寬條件下可以獲得更高的信息傳輸速率或擴頻處理增益，大大提高了頻帶利用率，且其頻譜更接近于白噪聲，從而具有更強的抗截獲性和信息保密性，得到了日益廣泛的應用。

選用M個相互正交(或近似正交)的偽噪聲(Pseudo Noise，PN)碼構成擴頻碼集，利用一個擴頻碼傳輸lbM比特信息(lb表示以2為底的對數)，稱為正交擴頻[1]。在其基礎上進行BPSK調制，稱為雙正交擴頻[2]，這樣可以多傳輸1比特信息，或節(jié)省一半的擴頻碼數量。這種多進制擴頻方式所需擴頻碼的條數與每符號所包含的比特數成指數關系，隨著所需擴頻碼條數的增加，選碼的難度相應增加，同時擴頻碼的捕獲和跟蹤也變得困難。

利用一條原型PN碼的循環(huán)移位碼構成擴頻碼集，擴頻碼相位攜帶信息，可以實現(xiàn)與正交擴頻同樣的效果，且大大減少了對擴頻碼的需求，稱為碼相位循環(huán)移位調制(Code Phase Shifting Keying,CPSK)擴頻，或者循環(huán)碼移鍵控(Cyclic Code Shift Keying，CCSK)擴頻[3-6],但它需要額外提供擴頻碼同步信息。CPSK擴頻系統(tǒng)的擴頻碼同步主要有同步信道法和幀頭法[6]。

本文將正交擴頻技術與CPSK擴頻技術相結合，提出了一種新的高效的M元擴頻通信方案，我們稱之為混合M元擴頻。與傳統(tǒng)的正交擴頻和CPSK擴頻相比，該方案進一步提高了信息傳輸速率和頻帶利用率，且具有優(yōu)良的同步性能。

2 混合M元擴頻通信方案

2.1 發(fā)射端設計

在發(fā)射端，將信源產生的二進制數據流進行串并轉換，分成I、Q支路。在每條支路，設計每個PN碼傳輸k=m+n比特信息數據，故在每條支路將每k比特信息數據分為一組。

第一步，對每組數據的前m比特信息數據進行U=2m進制雙正交擴頻：選取U/2個相互正交或近似正交的PN碼(例如可以選擇U/2個同一碼族中的Gold碼、Bent碼、OG碼、OB碼等)PN1，PN2，…，PNU/2構成擴頻碼集{C(u,0)|u=1，2，…，U}，其中擴頻碼C(1,0)=PN1，C(2,0)=PN2,…,C(U/2,0)=PNU/2,C(U/2+1,0)=-PN1,C(U/2+2,0)=-PN2,…,C(U,0)=-PNU/2，其中第二個下標“0”表示擴頻碼循環(huán)移位值為零。根據m比特信息數據從該碼集中選擇一個擴頻碼C(u,0)與之對應。

第二步，對每組數據的后n比特信息數據進行V=2n進制的CPSK調制：以上述選定的擴頻碼C(u,0)作為原型碼進行循環(huán)移位，共產生包括原型碼在內的V個循環(huán)移位碼構成CPSK擴頻碼集{C(u,v)|v=1,2,…,V}，根據后n比特信息數據從該碼集中選擇一個擴頻碼C(u,v)與之對應。這樣，信道上傳輸的每一個擴頻碼攜帶k=m+n比特信息。我們把攜帶信息的PN碼稱為信息碼。

第三步，組幀并加入同步碼：選擇與第一步擴頻碼集中的偽噪聲碼在同一碼族但與其均不同的碼PNsyn作為同步碼。在I、Q支路中，同步碼PNsyn在每幀中的位置要相同，保證在兩個支路同時傳遞以便提取同步信息。

最后,信號以正交調制的方式發(fā)射出去?？梢?，本系統(tǒng)需要U/2+1條PN碼。發(fā)射端系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射端系統(tǒng)原理框圖

Fig.1 Functional block diagram of transmitter

2.2 接收端設計

接收端系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。首先進行正交下變頻，把接收到的射頻信號變換為I、Q兩個支路的基帶信號。PN碼同步模塊用非相干解擴實現(xiàn)碼同步，并進行載波相偏估計(本文未考慮載波頻偏)，載波相偏信息反饋到壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator，VCO)實現(xiàn)載波同步。系統(tǒng)同步后，在每個支路用基于變換域處理的循環(huán)相關器[3-4]進行混合M元擴頻的解擴，并進行判決(算法詳見本文第4部分)，最后進行并串轉換，得到原始的二進制數據流。

圖2 接收端系統(tǒng)原理框圖

Fig.2 Functional block diagram of receiver

3 同步算法和性能

在擴頻系統(tǒng)中，同步包括載波同步和擴頻碼同步,其中載波同步包括載波頻率同步和相位同步[7]。由于對載波頻偏的估計和糾正的算法較多[8-9],本文對載波頻偏的影響不再分析，認為無載波頻偏。

同步是通信系統(tǒng)可靠工作的前提，同步系統(tǒng)的性能對整個系統(tǒng)的性能有非常重要的影響，所以，選用一個獨立于信息碼的PN碼用來實現(xiàn)高性能的同步是值得的。由于同步碼獨立于信息碼，所以與同步碼自相關峰值相比，同步碼與所有信息碼的互相關值都很小(互相關性能由選擇的PN碼族的性能而定，理想情況下為零)。

3.1 同步原理

在接收端采用非相關解擴實現(xiàn)PN碼同步，系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。當本地同步碼與發(fā)送的同步碼同相時，同步系統(tǒng)輸出峰值，其他時刻同步系統(tǒng)輸出值均遠遠小于峰值,所以同步系統(tǒng)峰值出現(xiàn)時刻即為系統(tǒng)同步時刻。

圖3 同步系統(tǒng)原理框圖

Fig.3 Block diagram of synchronization system

為便于分析，暫時忽略信道噪聲的影響。設幀長為N個PN碼長度，即每傳(N-1)條信息碼就插入一個同步碼。PN碼的周期為T，則幀周期為NT。發(fā)送端信號為

s(t)=PNI(t)cos(2πft)+PNQ(t)sin(2πft) 。

(1)

式中：f為載波頻率；PNI(t)、PNQ(t)表示發(fā)送端I路和Q路的擴頻碼。當發(fā)送數據信息時，PNI(t)和PNQ(t)為擴頻碼集{C(u,v)|v=1,2,…,V}中的信息碼;當發(fā)送同步信息時，兩支路同時發(fā)送同步碼PNsyn(t)，此時PNI(t) =PNQ(t) =PNsyn(t)。

在接收端，信號經正交下變頻和低通濾波后，I、Q支路的信號為

(2)

式中：φ為收發(fā)端存在的載波相偏。

將本地同步碼PNsyn(t)分別與I、Q支路信號進行相關運算。設t=t0時，發(fā)送端傳送同步信息且本地同步碼與發(fā)送同步碼同相，有

(3)

(4)

取兩支路信號的平方和得到最大相關峰值：

Emax=rSI(t0)2+rSQ(t0)2=2T2。

(5)

若同步系統(tǒng)在t0時刻輸出峰值，表示該時刻位于幀頭的同步碼與本地同步碼相匹配，則t=t0+kT,(k=0,±1…)即為同步時刻，以后第k幀的起始時刻為tk=t0+kNT。至此，同步捕獲完成，在此基礎上進入同步跟蹤階段。

實現(xiàn)同步后，利用同步信息進一步分析載波相偏。將同步時刻I、Q支路相關峰輸出rSI(t0)和rSQ(t0)寫成復數形式：

(6)

式中：φ′=φ+π/4可以用同步相關峰復數值的實部和虛部運算得到φ′值，進一步得到φ值[6]。正交下變頻模塊可以根據得到的φ值進行載波相偏的糾正。

3.2 同步性能仿真

由上述分析可知，本同步模塊只有在同步時刻輸出峰值，非同步時刻同步系統(tǒng)輸出值遠遠小于峰值。而用文獻[6]的方法，非同步時刻同步系統(tǒng)輸出值的最大值為同步時刻峰值的一半，如圖4所示。

圖4 同步系統(tǒng)歸一化相關峰值圖

Fig.4 Unitary corrlated peak value of synchronous system

為了衡量同步相關峰值的明顯性，我們定義參數峰值差(Peak Power Difference，PPD)為

PPD=10lg(Emax/E2) 。

(7)

式中：Emax表示一個幀周期內同步系統(tǒng)輸出峰值；E2表示一個幀周期內同步系統(tǒng)輸出值中除了Emax外的峰值；lg表示以10為底的對數。

本方案和文獻[6]的平均PPD參數如圖5所示，仿真環(huán)境為MATLAB，PN碼用Gold序列，碼長度為63，每個信息碼傳輸4 b信息，幀長為4個PN碼長度，PPD數值取1 000個幀周期計算結果的平均值。可見，本文的同步方案的性能要明顯優(yōu)于文獻[6]。

圖5 同步系統(tǒng)輸出平均PPD參數隨信噪比的變化

Fig.5 Average PPD performance of synchronous system

4 解擴算法和性能

4.1 解擴算法

在接收端，系統(tǒng)同步后，每個支路設置U/2個基于變換域處理的循環(huán)相關器[3-4]。在一個PN碼周期內，第i個相關器計算PNi與接收信號的循環(huán)相關，輸出為V值序列{R(i,j)|j=1,2，…，V}，序列元素的序號j對應CPSK調制的循環(huán)移位值v，所有U/2個循環(huán)相關器的輸出構成一個U/2×V的相關矩陣R=[R(i,j)|i=1,2,…,U/2；j=1,2,…,V]。對相關矩陣元素的絕對值進行擇大判決，最值的正負號和最值的行序號i可確定對應的前m比特二進制數據，最值的列序號j可確定對應的后n比特二進制數據。解擴系統(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖6 混合M元擴頻解擴原理框圖

Fig.6 The functional block diagram of de-spread

4.2 解擴性能分析

下面分析其誤碼率性能。無論是正交擴頻還是CPSK擴頻，其本質都是多元正交信號傳輸系統(tǒng)。本文所述的混合M元擴頻，本質上是一個M元雙正交信號傳輸系統(tǒng)。在加性高斯白噪聲(Additional White Gauss Noise,AWGN)信道環(huán)境下，混合M元擴頻通信系統(tǒng)每個支路的符號錯誤概率為[10]

(8)

式中：ES為符號能量；N0為加性高斯白噪聲雙邊功率譜密度。比特錯誤概率為

(9)

式中：k=lbM(其中l(wèi)b表示以2為底的對數)。因為I、Q支路數據信息是平均分配的，故系統(tǒng)總的比特錯誤概率也為Pb。

4.3 解擴性能仿真

利用MATLAB軟件建立混合M元擴頻通信系統(tǒng)模型，用Monte-Carlo方法進行系統(tǒng)性能仿真。PN采用Gold序列，序列長度為63。混合M元擴頻采用k=m+n體制，即每個信息碼傳遞k比特信息，其中正交擴頻傳遞m比特，CPSK傳遞n比特。分別仿真了k=3=3+0、k=4=3+1、k=5=3+2、k=6=3+3等幾種情況下系統(tǒng)誤比特率，如圖7所示。

圖7 本方案誤比特率理論值與仿真值

Fig.7 Theoretical value and simulated value of BER

仿真結果表明本方案誤比特性能理論值與仿真值基本一致，驗證了系統(tǒng)的正確性。但隨著k的增大，系統(tǒng)性能有少量損失，主要是由于PN碼的相關性能不理想造成的。新系統(tǒng)的誤比特性能與傳統(tǒng)的雙正交M元擴頻一致。

4.4 混合M元擴頻的優(yōu)勢

由以上分析可知，本方案中一個信息碼可以傳輸k=m+n比特信息。而在擴頻增益、信號占用帶寬相同的情況下，文獻[2]中雙正交擴頻方案的一個信息碼只能傳輸m比特，文獻[6]中CPSK擴頻方案只能傳輸n比特。因此，在同等條件下，本方案傳輸速率是文獻[2]中雙正交擴頻方案的k/m倍，是文獻[6]中CPSK擴頻方案的k/n倍，提高了傳輸速率和頻帶利用率。

由于信道上傳輸的PN碼既包括不同的擴頻碼，又包括擴頻碼的移位碼，因此信道傳輸的PN碼更具隨機性，信號頻譜更接近高斯白噪聲。同時，由于利用單獨的同步碼進行同步，同步性能比文獻[6]有了顯著提高。

5 結束語

結合正交擴頻與碼相位循環(huán)移位調制兩種技術，本文提出了一種新的高效的多進制擴頻通信方案，稱為混合M元擴頻，與傳統(tǒng)的正交擴頻或CPSK擴頻相比，具有頻帶利用率高、抗截獲性和信息保密性強、同步性能好等優(yōu)點。但是，由于復雜度增加，導致系統(tǒng)實現(xiàn)需要硬件開銷較大。該方案在諸如衛(wèi)星隱蔽通信、數據鏈通信等領域有比較大的應用價值與現(xiàn)實意義。進一步深入研究本課題的重點主要在兩個方面：一是研究構造性能優(yōu)良的PN碼，因構造和選擇具有良好自相關與互相關性能、數量豐富的PN碼是該系統(tǒng)的基礎，對系統(tǒng)性能有非常大的影響；二是研究和設計優(yōu)良高效的硬件實現(xiàn)算法，最大程度降低硬件開銷。

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劉躍宣(1980—)，男，河北安平人，2007年于解放軍理工大學獲碩士學位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為衛(wèi)星通信、信息對抗;

LIU Yuexuan was born in Anping,Hebei Province,in 1980.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2007.He is now a lecturer.His research concerns satellite communications and information countermeasure.

Email:yuexuanliu@163.com

馬志強(1973—)，男，遼寧北鎮(zhèn)人，2007年于解放軍理工大學獲碩士學位，現(xiàn)為高級講師，主要研究方向為無線通信;

MA Zhiqiang was born in Beizhen,Liaoning Province,in 1973.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2007.He is now a senior lecturer.His research concerns wireless communication.

曾 輝(1974—)，男，江西萬安人，2007年于解放軍理工大學獲碩士學位，現(xiàn)為講師，主要研究方向為數據鏈；

ZENG Hui was born in Wan′an,Jiangxi Province,in 1974.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2007.He is now a lecturer.His research direction is datalink.

余大波(1970—)，男，湖南岳陽人，2007年于解放軍理工大學獲碩士學位，現(xiàn)為高級講師，主要研究方向為電磁頻譜管理。

YU Dabo was born in Yueyang,Hunan Province,in 1970.He received the M.S.degree from PLA University of Science and Technology in 2007.He is now a senior lecturer.His research concerns electromagnetic spectrum management.

An Efficient Hybrid M-ary Spread Spectrum Communication Scheme

LIU Yuexuan，MA Zhiqiang，ZENG Hui，YU Dabo

(Communications Training Base,Xuanhua 075100,China)

In order to further improve the bandwidth efficiency and anti-intercept capability of spread spectrum(SS) communication system,a new efficient M-ary SS communication scheme is proposed,which combines orthogonal SS and code phase shifting keying(CPSK) technique.In each branch of orthogonal channels,double M-ary biorthogonal SS modulation is adopted at first.Then every SS code is treated as a original code to adopt CPSK modulation,and the unattached pseudo noise(PN) code is chosen to achieve system synchronization.At the receiver,a circular correlator based on transform domain processing is employed to despread the received signals.The simulations show that,the proposed scheme is easy to achieve synchronization,and is effective in improving the bandwidth efficiency and anti-intercept capability.The proposed scheme has great application value in the field of satellite covert communications and data link communications.

direct sequence spread spectrum communication;M-ary spread spectrum;dual orthogonal spread spectrum;code phase shifting keying;circular correlation

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.07.014

劉躍宣，馬志強，曾輝，等.一種高效的混合M元擴頻通信方案[J].電訊技術，2016,56(7):794-798.[LIU Yuexuan，MA Zhiqiang，ZENG Hui，et al.An efficient hybrid M-ary spread spectrum communication scheme[J].Telecommunication Engineering,2016,56(7):794-798.]

2015-12-16；

2016-03-17 Received date:2015-12-16；Revised date：2016-03-17

TN914.4

A

1001-893X(2016)07-0794-05

**通信作者：yuexuanliu@163.com Corresponding author：yuexuanliu@163.com