謝 玲
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所,四川 成都 610036)
擴(kuò)頻通信是指在傳輸中通過(guò)調(diào)整偽隨機(jī)編碼(擴(kuò)頻序列)擴(kuò)頻傳輸?shù)男畔?shù)據(jù),以實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展,同時(shí)接收機(jī)使用與加調(diào)一致的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解調(diào),從而恢復(fù)原始調(diào)制信息數(shù)據(jù)。
直接序列擴(kuò)頻(Direct Sequence,DS)、跳頻(Frequency Hopping,F(xiàn)H)和跳時(shí)(Time Hopping,TH)是擴(kuò)頻通信涵蓋的內(nèi)容。直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)(Direct Sequece Spread Spectrum,DS-SS)通常被稱(chēng)為直接的或可擴(kuò)展的序列系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中,發(fā)送的信息信號(hào)被用來(lái)復(fù)制高速的隨機(jī)定向,直接控制無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的某一特定部分,以擴(kuò)大傳輸信號(hào)的帶寬。偽隨機(jī)序列用于頻譜的擴(kuò)展,這里稱(chēng)為擴(kuò)展序列,是一種頻率擴(kuò)展技術(shù)。隨著社會(huì)的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是近20 年來(lái),低概率截獲(Low Probability of Intercept,LPI)信號(hào)檢測(cè)研究取得的巨大進(jìn)展[1],使得直接擴(kuò)頻的安全性和抗干擾能力越來(lái)越受到大家的關(guān)注。雖然跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng),但是帶寬的擴(kuò)大需要更大的帶寬,因此在跳躍時(shí)難以脫離,使得系統(tǒng)復(fù)雜化,使得網(wǎng)絡(luò)難以組織。因此,基于連續(xù)直接頻率的增益——雙碼的增益,重點(diǎn)介紹一種新的頻率增益方法,以改進(jìn)其抗干擾性,并加強(qiáng)其低頻和復(fù)雜系統(tǒng)中的信號(hào),從而增強(qiáng)其對(duì)通信系統(tǒng)的抗截獲和抗偵收性能。
雙碼擴(kuò)頻是在直接序列擴(kuò)頻的工作方式上,先后使用兩組不同的擴(kuò)頻碼。一般選用m 序列和Gold 序列。兩組擴(kuò)頻碼的碼字在長(zhǎng)度上沒(méi)有要求,以形成新的擴(kuò)頻系統(tǒng)[2]。在此擴(kuò)頻系統(tǒng)中,信號(hào)增益是兩組序列碼信號(hào)增益的乘積,因此新的擴(kuò)頻系統(tǒng)可以增強(qiáng)新的擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾的能力。
通過(guò)使用PSK 進(jìn)行調(diào)試,以驗(yàn)證雙碼擴(kuò)頻序列的增益。高頻通信系統(tǒng)通常會(huì)使用一種平衡的調(diào)制模式,節(jié)省發(fā)射能量,提高發(fā)射裝置的效率,限制載波的符號(hào)均衡,從而提高信號(hào)頻率增益。
直接序列擴(kuò)頻在調(diào)制初期要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號(hào)以偽隨機(jī)碼波形相乘(或以偽隨機(jī)序列的形式)的形式出現(xiàn),對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制使用形成的復(fù)合碼,然后由天線(xiàn)發(fā)射。接收機(jī)末端需要生成局部參考偽隨機(jī)數(shù)與應(yīng)答機(jī)中偽隨機(jī)數(shù)同步進(jìn)行接收信號(hào)的處理。這種相對(duì)的處理過(guò)程常被稱(chēng)為解擴(kuò)。調(diào)制后的信號(hào)被發(fā)送到接收機(jī),以解調(diào)和恢復(fù)傳輸?shù)男畔?。單碼直接序列擴(kuò)頻原理,如圖1 所示。
擴(kuò)頻序列通常選擇m 序列和Gold 復(fù)合序列。m序列復(fù)合擴(kuò)頻碼由兩個(gè)擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度和時(shí)鐘速度相同的m 序列對(duì)組成。其中,首選的m 序列對(duì)是m序列集中的m 序列對(duì),其互連函數(shù)的最大絕對(duì)值最接近或接近最小相關(guān)值。m 序列具有獨(dú)特的自聯(lián)屬性,但使用m 序列作為CDMA(多點(diǎn))通信的郵遞區(qū)號(hào)時(shí),主要問(wèn)題是m序列具有首選的互連屬性,可供多站點(diǎn)使用的地址數(shù)量很少。Gold 序列結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于操作,在工程中廣泛使用,具有強(qiáng)大的可探測(cè)性和保密性。
m 序列和Gold 序列之間的有機(jī)結(jié)合是基于序列的直接頻率,再加上m 序列和Gold 序列的直接頻率系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合m 序列和Gold 序列的優(yōu)勢(shì),設(shè)計(jì)了用于PSK 調(diào)制的雙碼擴(kuò)展系統(tǒng)的原理模型,如圖2 所示。使用MATLAB 在Simulink[3]平臺(tái)下創(chuàng)建仿真模型,實(shí)現(xiàn)了2PSK 調(diào)制和解調(diào)過(guò)程。下面分別在理想和不理想的通道中運(yùn)行系統(tǒng),并將操作模擬結(jié)果輸入顯示器,以分析基于顯示結(jié)果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。
調(diào)制數(shù)據(jù)第一步通過(guò)m 序列擴(kuò)頻,m 序列長(zhǎng)度為N,后通過(guò)長(zhǎng)度為M的Gold 擴(kuò)頻碼相乘得以擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)兩次擴(kuò)頻的擴(kuò)頻信號(hào)通過(guò)PSK 調(diào)制后形成調(diào)制信號(hào)。接收過(guò)程與此相反。
擴(kuò)頻信號(hào)增益Gp反映了接收裝置在經(jīng)過(guò)擴(kuò)大的接收裝置處理后進(jìn)入接收裝置的干擾信號(hào)量的增益,相當(dāng)于使用擴(kuò)張技術(shù)的系統(tǒng)與不使用擴(kuò)張技術(shù)的系統(tǒng)的性能之間的差額,并反映出其擴(kuò)展設(shè)備的噪音水平的增益。系統(tǒng)統(tǒng)信號(hào)的增量大小決定了系統(tǒng)對(duì)干擾的抵抗力。
雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)使用兩組擴(kuò)展,其信號(hào)增量值是兩個(gè)擴(kuò)展組(n和m,分別為兩個(gè)擴(kuò)展組)的總和,而單個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)增量值僅為n。此外,使用兩個(gè)揚(yáng)聲器充分利用了兩個(gè)揚(yáng)聲器的功能,從而使整個(gè)通信系統(tǒng)能夠從傳統(tǒng)的增強(qiáng)系統(tǒng)獲得更多信號(hào),提高了對(duì)雙碼擴(kuò)頻故障的抵抗力。
如圖3 所示,根據(jù)安裝雙碼帶擴(kuò)展系統(tǒng)的理論框架,開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)虛擬電路模型。
白噪聲噪聲是概率密度函數(shù)服從高斯分布(即法線(xiàn)分布)的一種噪聲。在理想信道調(diào)制解調(diào)的基礎(chǔ)上,將高斯噪聲添加到調(diào)制信號(hào)中,并將高斯噪聲發(fā)生器(Gaussian Noise Generator)添加到模擬噪聲源下的模型中。噪聲模型、參數(shù)和波形分別如圖4、圖5 和圖6 所示。
如圖6 所示,從上到下看,第1 條軌道是信道解調(diào)理想形狀,第2 條和第3 條軌道是增益高斯噪聲的典型形狀,可以通過(guò)調(diào)整計(jì)數(shù)差異1~1 000來(lái)改變?cè)肼晱?qiáng)度。在比較理想的信道輸出波形形狀時(shí),可以看到不同程度的變形,且畸變隨噪聲方差的變化而變化,方差越小。
建立一個(gè)頻率倍增系統(tǒng)和直接序列頻率增益系統(tǒng)的模型。先在設(shè)計(jì)區(qū)運(yùn)行系統(tǒng)模擬器,以實(shí)時(shí)顯示所收到的每一個(gè)周期的最終值,即每一個(gè)流程的加密率。進(jìn)入分析窗口,繪制編碼誤差率曲線(xiàn)使用接收計(jì)算器,使雙碼擴(kuò)展帶的抗擾能力與傳統(tǒng)的直接序列擴(kuò)展帶相比較。圖7 比較了雙碼擴(kuò)頻與直序擴(kuò)頻的BER-SNR仿真曲線(xiàn)。
模擬結(jié)果顯示,雙碼頻擴(kuò)頻產(chǎn)生的高增益改善了系統(tǒng)在錯(cuò)誤情況下的性能??梢?jiàn),雙碼PSK 的性能優(yōu)于同類(lèi)突發(fā)事件中直接PSK 的性能。
雙碼帶擴(kuò)展系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾性。例如,在原有特定的一次擴(kuò)頻碼作為幀同步碼的基礎(chǔ)上,利用雙碼擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)幀同步算法提升幀頭的抗干擾性能[4]。另外,雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)展頻譜使用了兩組擴(kuò)展頻譜擴(kuò)頻碼,非常適合創(chuàng)建隱蔽信道。秘密通道具有兩個(gè)非常重要的特征:一是秘密通道具有良好的隱蔽性和抗攔截性能;二是秘密通道與傳統(tǒng)通道之間的同步。隱蔽信道被擴(kuò)頻了兩次。雙碼擴(kuò)頻方法是將低速隱蔽信道乘以傳統(tǒng)直接傳播系統(tǒng)的隱蔽信道。當(dāng)隱蔽信道第一次傳播時(shí),傳播率和信息速率的組合是不同的,只有在對(duì)常規(guī)信道的傳播進(jìn)行解碼后才能獲得隱蔽信道。在通信過(guò)程中,它可用于發(fā)送特殊服務(wù)或更改傳統(tǒng)信道信號(hào)參數(shù)。
與傳統(tǒng)的擴(kuò)頻相比,雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和抗擾動(dòng)能力更高。因此,本文概述了雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的一些邏輯原則,探討了這些原則在進(jìn)一步深入研究的雙碼擴(kuò)頻技術(shù)方面的應(yīng)用,還需要進(jìn)一步的理論分析和性能模擬。