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        基于漢明方案的甚低頻通信系統(tǒng)仿真及性能分析

        2017-02-09 13:56:01施意楚娟孫雅琴

        施意++楚娟++孫雅琴

        摘要:甚低頻通信系統(tǒng)主要用于遠(yuǎn)距離通信,且傳輸質(zhì)量較為穩(wěn)定,但是在雷暴天氣下容易受大氣噪聲影響,大氣噪聲在甚低頻通信信道主要產(chǎn)生突發(fā)干擾,本文通過甚低頻通信系統(tǒng)采用漢明編碼糾錯(cuò)方案在大氣噪聲背景下傳輸?shù)姆抡婕胺治鲅芯块L波目標(biāo)指示系統(tǒng)提高糾錯(cuò)能力的可行性。通過對傳輸信息編碼是提高傳輸可靠信道的主要手段,針對傳輸信道的特性選擇合適的信道編碼方式提高糾檢錯(cuò)能力是需要研究的問題。

        關(guān)鍵詞:漢明編碼 通信系統(tǒng)仿真 甚低頻

        中圖分類號:TN914.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號:1007-9416(2016)11-0030-02

        1 引言

        甚低頻通信系統(tǒng)由于其傳輸?shù)姆€(wěn)定性及較遠(yuǎn)的傳輸距離,在遠(yuǎn)距離通信特別是遠(yuǎn)海通信成為重要的信息傳輸保障手段。甚低頻通信系統(tǒng)的傳輸信道不同于一般通信方式,其傳輸信道極易受大氣噪聲干擾。通過對傳輸信息編碼是提高傳輸可靠信道的主要手段,針對傳輸信道的特性選擇合適的信道編碼方式提高糾檢錯(cuò)能力是需要研究的問題。

        2 甚低頻通信系統(tǒng)的信道特性及模型

        在甚低頻頻段內(nèi),甚低頻通信系統(tǒng)傳輸性能受到大氣噪聲的強(qiáng)烈影響,該頻段噪聲的主要來源是與雷電現(xiàn)象相關(guān)的大電流脈沖,在特定地理位置上的噪聲被看作由所有雷暴區(qū),特別是強(qiáng)海洋雷暴區(qū)產(chǎn)生的噪聲輻射經(jīng)傳播后的疊加。

        2.1 大氣噪聲的模型

        大氣噪聲模型的主要目的是能夠準(zhǔn)確地預(yù)測工作在大氣噪聲中的長波目標(biāo)指示系統(tǒng)的性能,因此在對大氣噪聲建模時(shí),主要側(cè)重于它與真實(shí)噪聲在統(tǒng)計(jì)特性上的吻合。對大氣噪聲的測量數(shù)據(jù)指出,這種噪聲在低振幅部分具有高斯特性,在高振幅部分具有近似于指數(shù)正態(tài)分布的包絡(luò)。由于較高的振幅對任何通信系統(tǒng)的性能都具有較大的影響,因此模型側(cè)重于大氣噪聲的指數(shù)正態(tài)特性。用以下形式將大氣噪聲模擬為一個(gè)具有指數(shù)正態(tài)包絡(luò)的窄帶過程:

        (1)

        其中n(t)是一個(gè)實(shí)平穩(wěn)高斯過程,其均值為0,方差為σn2。A是一個(gè)常量(由噪聲功率估計(jì)確定),θ(t )是隨機(jī)相位過程,它獨(dú)立于高斯過程n(t )。對大氣噪聲瞬時(shí)頻率分布的測量結(jié)果表明,θ(t )與窄帶高斯噪聲的頻率分布相似,也就是說,即使大氣噪聲的包絡(luò)分布與高斯噪聲在大包絡(luò)值時(shí)相當(dāng)不同,但它們的相位和頻率分布卻十分類似。因此假定θ(t )具有類似于窄帶高斯過程的相位的特性。這意味著在任何給定的時(shí)刻t0,相位θ(t0 )為一個(gè)均勻分布于[0,2π]上的隨機(jī)變量,并且它獨(dú)立于包絡(luò)。

        大氣噪聲的指數(shù)正態(tài)窄帶噪聲模型由公式1給出。噪聲的包絡(luò)為

        E(t)=Aen(t) (2)

        考慮包絡(luò)的平均電壓和rms電壓。平均電壓為

        (3)

        rms包絡(luò)電壓為

        (4)

        定義電壓偏差Vd為

        (5)

        對Vd的認(rèn)識(shí)給出了σn2的值,而Vd的值在國際無線電咨詢委員會(huì)(CCIR)報(bào)告中被估計(jì)出。

        2.2 甚低頻通信系統(tǒng)信道仿真模型

        如果把每一個(gè)雷電當(dāng)作一個(gè)發(fā)射機(jī),對于長波目標(biāo)指示系統(tǒng)接收終端而言,大氣噪聲就是若干個(gè)處于世界不同位置和時(shí)間的發(fā)射機(jī)所發(fā)信號的總和。而發(fā)射機(jī)的發(fā)射時(shí)間、地理位置都是隨機(jī)的。因此,在仿真中長波目標(biāo)指示系統(tǒng)的信道干擾可看作是由背景噪聲和脈沖噪聲相加得到

        (6)

        式中,是總噪聲,可看作是兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)過程之和;是背景噪聲,可看作方差為σ02 的高斯隨機(jī)過程;是脈沖部分,為低密度散彈噪聲過程。仿真模型如圖1所示。

        2.3 漢明編碼糾錯(cuò)方案

        漢明碼是1950年由漢明首先構(gòu)造,用以糾正單個(gè)錯(cuò)誤的線性分組碼。仿真采用的是(7,4)漢明編碼,最小碼距為m=n-k=7-4=3,其糾錯(cuò)能力為1。在系統(tǒng)中將目標(biāo)指示信息每4個(gè)信息碼編為7個(gè)信息碼,通過后三位監(jiān)督位檢測傳輸是否發(fā)生錯(cuò)誤,若錯(cuò)誤不多于1個(gè)則可糾錯(cuò)。

        編碼生成矩陣為

        (7)

        譯碼過程就是確定錯(cuò)誤圖樣的過程,在接收端,(7,4)漢明碼存在27=128種可能的錯(cuò)誤圖樣。而校正子S則有8種圖樣,通過公式S=r·HT計(jì)算后可得到24=16個(gè)錯(cuò)誤圖樣,最后從這16個(gè)圖樣中選取碼重最小的圖樣。糾錯(cuò)后的輸出碼序列為

        Y=r+e (8)

        式中:Y為糾錯(cuò)輸出碼序列,r為可能含有錯(cuò)誤碼的接收序列,e為16種錯(cuò)誤圖樣中碼重最小的圖樣。

        3 仿真結(jié)果及分析

        仿真中分別采用Vd=1、5、10的大氣噪聲對長波目標(biāo)指示系統(tǒng)進(jìn)行干擾,通過對比漢明編碼與非漢明編碼的誤碼率分析漢明編碼對長波目標(biāo)指示系統(tǒng)性能的影響。如圖2所示。

        圖2(a)為高斯白噪聲背景下的長波目標(biāo)指示系統(tǒng)仿真誤碼率曲線圖,圖2(b)、(c)、(d)分別為V=1、5、10時(shí)的長波目標(biāo)指示系統(tǒng)仿真誤碼率曲線圖。由圖2分析可知當(dāng)V=1、V=5時(shí),采用漢明編碼的長波目標(biāo)指示系統(tǒng)能在8dB信噪比以下夠有效的降低誤碼率到10-6,滿足系統(tǒng)實(shí)際需求。當(dāng)V=10時(shí),要使系統(tǒng)誤碼率降至10-6,信噪比需要8dB以上,超過了現(xiàn)有發(fā)射臺(tái)的最大功率,而8dB以下的信噪比系統(tǒng)誤碼率無法滿足目標(biāo)指示信息傳遞的最低需求,影響了接收效果。

        4 結(jié)語

        通過仿真實(shí)現(xiàn)甚低頻通信系統(tǒng)系統(tǒng)采用漢明編碼糾錯(cuò)方案在一般強(qiáng)度大氣噪聲下引起的突發(fā)錯(cuò)誤的糾錯(cuò),但是在極端天氣下無法滿足現(xiàn)有傳輸需求,要想提高傳輸性能需要進(jìn)一步改進(jìn)編碼技術(shù)或硬件條件。

        參考文獻(xiàn)

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