劉家昊, 章小梅

(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū), 山東 青島 266041)

無線通信在實(shí)際應(yīng)用中存在各種干擾,為避免干擾所造成的誤碼影響,使用者通常采用糾錯(cuò)編碼擴(kuò)展信源符號(hào)集,通過增加冗余度從而降低誤碼率,但是這會(huì)導(dǎo)致信道帶寬增加.而網(wǎng)格編碼(TCM)技術(shù)將調(diào)制和編碼過程相結(jié)合,可在不增加帶寬與功率的情況下,提升誤碼性能,提高通信質(zhì)量.近年來,網(wǎng)格編碼技術(shù)發(fā)展迅速,與很多其他調(diào)制方法相結(jié)合形成了TCM-CPM技術(shù)、TCM-OFDM技術(shù),并在常規(guī)通信領(lǐng)域外得到擴(kuò)展與延伸,例如衛(wèi)星通信領(lǐng)域和多用戶檢測領(lǐng)域.

1 網(wǎng)格編碼調(diào)制的原理

TCM網(wǎng)格編碼調(diào)制是由Ungerboeck在1982年提出的一種將信道編碼與調(diào)制統(tǒng)一考慮的技術(shù)[1-3].它將kbit信息分為k1和k2兩部分,其中k1bit被編碼成nbit,k2bit未參與編碼.通過分集映射將nbit對(duì)應(yīng)的2n種組合對(duì)應(yīng)于信號(hào)星座中2n個(gè)信號(hào)子集,編碼所得nbit用來選擇信號(hào)子集,未編碼的k2bit選擇各信號(hào)子集中2k2個(gè)信號(hào)點(diǎn)中的一個(gè).TCM可以與mPSK或mQAM等多進(jìn)制調(diào)制方式相結(jié)合,以TCM-8PSK調(diào)制方式為例,4狀態(tài)(3,2,2)網(wǎng)格編碼器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1TCM-8PSK原理框圖
Fig.1BlockdiagramofTCM-8PSKprinciple

2 仿真模型建立

2.1 跳頻系統(tǒng)仿真模型

當(dāng)今電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,各類軍事訓(xùn)練任務(wù)中通信干擾力度也不斷加大,且美、俄等國針對(duì)其所裝備的坦克、戰(zhàn)機(jī)、無人機(jī)等也進(jìn)行了相關(guān)通信抗干擾研究[5-7].

本文結(jié)合某型對(duì)空超短波電臺(tái)的實(shí)際組成結(jié)構(gòu),并依據(jù)其技術(shù)體制和所采用的關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建了與實(shí)際裝備貼近的TCM-8PSK調(diào)制的跳頻系統(tǒng)仿真模型,如圖2所示.

圖2 TCM-8PSK調(diào)制方式下的跳頻系統(tǒng)仿真圖Fig.2 Simulation diagram of frequency hopping system in TCM-8PSK modulation mode

跳頻系統(tǒng)可分為6個(gè)模塊,分別為信源、編譯碼、調(diào)制解調(diào)、跳頻與解跳、信道和判決分析.其中信源模塊選用Simulink中的Continuous-Time VCO模塊來產(chǎn)生單一頻率的正弦波模擬發(fā)端的音頻信號(hào),頻率可設(shè)置為300～3 400 Hz之間的任意值;編譯碼模塊使用PCM編譯碼方式;信道模塊采用加性高斯白噪聲AWGN信道模塊來模擬接收機(jī)的內(nèi)部噪聲.下面對(duì)調(diào)制解調(diào)、跳頻與解跳及判決分析3個(gè)模塊進(jìn)行詳細(xì)說明.

1) 調(diào)制解調(diào)模塊.在本次的仿真模型中調(diào)制解調(diào)模塊采用的是TCM-8PSK模塊.具體結(jié)構(gòu)如圖3所示.信源信號(hào)通過約束長度分別為1、3,碼率為2/3的卷積編碼器進(jìn)入8移相鍵控調(diào)制器進(jìn)行映射與調(diào)制,經(jīng)過信道后進(jìn)行解調(diào)與映射.本模塊中使用Simulink模塊庫中Viterbi Decoder模塊進(jìn)行維特比軟判決譯碼,由于該模塊軟判決譯碼時(shí)所需輸入數(shù)據(jù)為0～7之間的整數(shù), 故搭建Zixitong模塊,此模塊功能為轉(zhuǎn)換信號(hào)使得Viterbi Decoder譯碼模塊能正常識(shí)別.

圖3 TCM-8PSK模塊Fig.3 TCM-8PSK module

2) 跳頻與解跳模塊.由于m序列相關(guān)性較好、序列數(shù)目多等特點(diǎn),因此,選擇其作為跳頻通信系統(tǒng)的載波信號(hào),偽隨機(jī)碼由PN序列模塊產(chǎn)生器來產(chǎn)生[8],信源信號(hào)經(jīng)調(diào)制后與PN序列產(chǎn)生器所產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼相乘完成跳頻功能.解跳模塊中直接使用跳頻模塊中所產(chǎn)生的跳頻信號(hào),再與接收信號(hào)相乘完成解跳功能.

3) 判決分析模塊.在本仿真模型中,采用2種判決分析方法來比較跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力,分別是誤碼率分析和波形失真度分析.誤碼率是衡量數(shù)據(jù)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸精確性的指標(biāo),定義為傳輸中的錯(cuò)誤碼元數(shù)與所傳輸?shù)目偞a元數(shù)的比,也有將誤碼率定義為用來衡量誤碼出現(xiàn)的頻率[9].誤碼率分析可利用Simulink中的Error Rate Calculation模塊搭建,仿真圖如圖4a所示,Display模塊用于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的顯示.

圖4判決分析模塊
Fig.4Decisionanalysismodule
(a)—誤碼統(tǒng)計(jì)分析模塊; (b)—失真度分析模塊.

2.2 干擾仿真模型

對(duì)于跳頻通信系統(tǒng),主要存在以下2種干擾方式,干擾同步系統(tǒng)以及干擾通信信息,這里主要考慮干擾通信信息,以下述3種典型干擾方式為例.

西部礦業(yè)股份有限公司是在2000年12月發(fā)起設(shè)立，2007年7月在上海證券交易所掛牌上市的大型礦業(yè)上市公司，總部設(shè)在青海省西寧市。公司注冊(cè)資本23.83億元，在全國擁有30多家控股公司和子(分)公司，主要業(yè)務(wù)是礦產(chǎn)資源綜合開發(fā)利用，主要有銅、鉛、鋅、鐵等有色金屬和黑色金屬的采選、冶煉、貿(mào)易等，分為礦山、冶煉、貿(mào)易、金融四大經(jīng)營板塊。截至2017年底，公司總資產(chǎn)322億元，凈資產(chǎn)115億元，營業(yè)收入278億元。

1) 多音干擾.實(shí)施多音干擾的前提是干擾方提前知道跳頻通信載波的一部分頻點(diǎn),將干擾的功率集中到這些已知的頻率點(diǎn)上進(jìn)行干擾.對(duì)于多音干擾信號(hào)的生成,利用多個(gè)Sine Wave(正弦波發(fā)生器)模塊來實(shí)現(xiàn),仿真模型如圖5a所示[10].不同頻率的信號(hào)通過相加器進(jìn)行組合,就可以產(chǎn)生多音干擾信號(hào).

2) 窄帶干擾.窄帶干擾信號(hào)指所占帶寬遠(yuǎn)小于信號(hào)帶寬的干擾信號(hào)[11],仿真模型見圖5b.結(jié)合該電臺(tái)的實(shí)際組成結(jié)構(gòu),設(shè)置模擬濾波器的通帶邊緣頻率范圍為108～150 MHz.

3) 跟蹤干擾.跳頻信號(hào)的跟蹤干擾,是指干擾信號(hào)能“跟蹤”跳頻信號(hào)頻率跳變的一種干擾方式[12].跟蹤干擾要想達(dá)到理想的效果,必須滿足2個(gè)條件:一是干擾信號(hào)與跳頻載波頻率的變化規(guī)律必須一致,二是干擾信號(hào)要在載波跳變到下一頻點(diǎn)之前進(jìn)入收信機(jī).因此在建立跟蹤式干擾仿真模型時(shí),采用的頻率合成器與跳頻載波發(fā)生器中的一致.另外,由于電子設(shè)備對(duì)信號(hào)的分析和處理需要花費(fèi)一定的時(shí)間,所以在頻率合成器后面加入一個(gè)延時(shí)器,以模擬電子設(shè)備的處理時(shí)間.仿真模型見圖5c.

圖5 干擾模型Fig.5 Interference module(a)—多音干擾模型; (b)—窄帶干擾模型; (c)—跟蹤干擾模型.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 3種干擾對(duì)TCM-8PSK系統(tǒng)的影響程度

為了分析3種干擾對(duì)TCM-8PSK系統(tǒng)的影響,在話音信號(hào)頻率(300～3 400 Hz)范圍內(nèi)選取10個(gè)頻率點(diǎn),并在各干擾方式中選取一定強(qiáng)度的干擾變量,對(duì)未加干擾及加3種干擾情況下系統(tǒng)進(jìn)行仿真,且輸出滿足失真度5%要求,仿真結(jié)果記錄如表1～表4所示.

通過變換頻率,可以看到隨頻率調(diào)整,TCM-8PSK系統(tǒng)誤碼率的大小與被傳輸信號(hào)的頻率大致成線性關(guān)系,誤碼率隨頻率的增大而增大.不同干擾情況下該系統(tǒng)的誤碼率變化情況不同,這里使用相關(guān)系數(shù)法作為比較判斷2個(gè)變量線性關(guān)系的方法,相關(guān)系數(shù)可以判定變量線性相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱[13],如果是線性相關(guān),當(dāng)相關(guān)系數(shù)等于1時(shí),說明變量之間的關(guān)系完全是線性關(guān)系,若相關(guān)系數(shù)等于0,表明變量之間無內(nèi)在關(guān)系[14].可用式(1)表示.

表1 TCM-8PSK系統(tǒng)誤碼率數(shù)據(jù)Table 1 Error rate data of TCM-8PSK system

表2 窄帶干擾(方差為1時(shí))情況下系統(tǒng)誤碼率數(shù)據(jù)Table 2 System error rate data in the case of narrowband interference (when variance is 1)

表3 多音干擾(振幅為0.1時(shí))情況下系統(tǒng)誤碼率數(shù)據(jù)Table 3 System error rate data in the case of multi-tone interference (when amplitude is 0.1)

表4 跟蹤干擾(平均值為3時(shí))情況下系統(tǒng)誤碼率數(shù)據(jù)Table 4 System error rate data in the case of tracking interference (when mean value is 3)

表5 跟蹤干擾情況下系統(tǒng)誤碼率、幅值數(shù)據(jù)(t=0.000 01,平均值為3)Table 5 System error rate and magnitude data in the case of tracking interference (when the average value is 3, t=0.000 01)

表6 校正后跟蹤干擾情況下系統(tǒng)誤碼率、幅值數(shù)據(jù)(t=0.000 01,平均值為3)Table 6 System error rate and magnitude data after correction in the case of tracking interference (when the average value is 3, t=0.000 01)

(1)

其中,Cov(X,Y)為X與Y的協(xié)方差,Var[X]為X的方差,Var[Y]為Y的方差.

分別將3種干擾情況與TCM-8PSK系統(tǒng)的誤碼率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,可知窄帶干擾、多音干擾、跟蹤式干擾的誤碼率數(shù)據(jù)與TCM-8PSK系統(tǒng)的誤碼率數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)分別為0.985 188 693、0.990 130 029、0.962 039 296,可知該系統(tǒng)受跟蹤干擾影響最強(qiáng),受窄帶干擾影響次之,受多音干擾影響最弱.

3.2 幅頻特性對(duì)TCM-8PSK系統(tǒng)抗干擾性能的影響

本文只考慮對(duì)系統(tǒng)影響最強(qiáng)的跟蹤干擾.設(shè)置跟蹤干擾的時(shí)延t為0.000 01,平均值為3.在話音信號(hào)頻率(300～3 400 Hz)范圍內(nèi)選取22個(gè)頻率點(diǎn),且輸出滿足失真度5%要求,記錄仿真結(jié)果.選取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示.

系統(tǒng)幅頻在兩端頻率處衰落過快,可在系統(tǒng)中增加一均衡模擬LC濾波器[15]對(duì)兩端進(jìn)行補(bǔ)償,彌補(bǔ)幅頻衰落.均衡模擬補(bǔ)償電路如圖6所示(原系統(tǒng)電阻為R0,電容C容抗為XC,電感L的感抗為XL),通過調(diào)整R1、R2、C與L的值得出系統(tǒng)電路的輸出為

其中:VIN、VOUT分別代表校正前后信號(hào)波形振幅;F(z)代表所要設(shè)計(jì)的LC校正電路.

圖6 LC校正電路Fig.6 LC correction circuit

校正后系統(tǒng)仿真結(jié)果記錄見表6.

可得二者幅頻特性曲線圖,如圖7所示.

圖7 幅頻特性曲線圖Fig.7 Curve of amplitude-frequency characteristics

此時(shí)幅頻特性得到一定修正,由于補(bǔ)償區(qū)域僅為兩端頻率,分別計(jì)算補(bǔ)償區(qū)域原系統(tǒng)與校正后系統(tǒng)誤碼率相關(guān)系數(shù)即可,400～700 Hz頻段相關(guān)系數(shù)分別為0.790 580 741、0.949 772 153, 2 800～3 600 Hz頻段相關(guān)系數(shù)分別為0.962 013 687、0.984 357 982.可知隨著幅頻特性的校正,系統(tǒng)誤碼性能較原系統(tǒng)有了一定改善.

4 結(jié) 語

在給定仿真條件下,通過改變輸入端信源頻率,得到未加干擾及加3種干擾情況下系統(tǒng)誤碼率數(shù)據(jù),利用相關(guān)系數(shù)計(jì)算,分別得出窄帶干擾、多音干擾、跟蹤式干擾對(duì)TCM-8PSK系統(tǒng)誤碼率數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù),從而可知該系統(tǒng)受3種干擾的影響程度大小,即表明系統(tǒng)抗多音干擾能力最強(qiáng),抗窄帶干擾能力次之,抗跟蹤干擾能力最弱;并通過分析系統(tǒng)幅頻特性曲線,在跟蹤干擾情況下,比較原系統(tǒng)與校正后系統(tǒng)的誤碼性能,可知隨著幅頻特性得到補(bǔ)償,系統(tǒng)抗跟蹤干擾性能有一定提高.