短波低速數傳系統擴頻序列設計

周洪霞,于 潞,李洪烈,唐金元

(海軍航空工程學院青島分院,山東青島266041)

0 引言

在軍事通信中,擴頻通信因其具有抗干擾、抗多徑衰落以及抗偵察等優點得到廣泛應用[1]。在信噪比較低,電磁干擾較嚴重的環境下,短波低速數據傳輸系統通過采用擴頻技術,可以克服低信噪比的干擾,從而實現有效信息傳輸。

擴頻序列的設計和選擇是短波低速數傳系統的關鍵技術之一,擴頻序列性能的優劣在很大程度上決定了通信系統的多址干擾和符號間干擾的大小,從而直接影響到系統的性能[2-4]。因此,構造具有良好特性的擴頻序列,是該文中短波低速數傳系統完成擴頻的關鍵。

1 短波低速數據傳輸系統原理

短波低速數據傳輸系統原理如圖1所示[1-5]。系統發送端的原始數據由本地PN序列進行多進制擴頻,由本地載波進行8PSK調制,然后經信道傳輸,接收端信息經解擴解調從而實現數據恢復。

圖1 短波數傳系統原理框圖

該數傳系統采用了(96,3)編碼擴頻,即八進制擴頻,每條長為96的偽隨機序列對應3比特二進制信息。

八進制擴頻采用查表法實現,即預先產生8個偽隨機序列,做成表格形式存儲起來。二進制信息比特經串/并變換后,為3 bit一組,去選取與之對應的偽隨機序列送出。八進制擴頻實現原理如圖2所示。

圖2 八進制擴頻實現框圖

擴頻序列的相關性直接影響數傳系統的性能,8條長度為96的擴頻序列的設計是本系統八進制擴頻實現的關鍵。

2 擴頻序列設計

擴頻序列的設計標準[1,3,4,6]：

①擴頻序列應具有良好的隨機性。隨機性是阻止非法使用者復制、預測序列的一種度量指標;

②擴頻序列的數目要足夠多。序列數目越多,允許改變擴頻序列的范圍也越大,從而更進一步提高了系統抗偵竊能力;

③擴頻序列應具有平衡性。在直擴通信系統中,應用平衡的擴頻序列可以增強系統的抗偵竊性能;

④擴頻序列應具有良好的自相關特性和互相關特性,即自相關峰值尖銳,互相關值接近于零。自相關性和互相關性分別是造成符號間干擾和多址干擾的根源,擴頻序列良好的相關性能極大地降低誤碼率。

該方案由于采用(N,k)編碼,即共需2k條長為N的偽隨機碼作為擴頻碼,去表示k位信息的不同狀態,因此要求用的偽隨機碼的條數要多,碼距要大,相關特性要好。即要求這些偽隨機碼的自相關性 互相關性 部分相關特性要好,才能完成擴頻信號的解擴或解碼。常見的偽隨機序列有Walsh序列和m序列。

2.1 walsh序列[3]

Walsh序列是一組完全正交的序列,它由哈達碼矩陣衍生而來。哈達碼矩陣簡記為H矩陣,它是一種方陣,僅由元素+1和-1構成,而且各行(和列)是互相正交的。最低階的矩陣是二階的,即：

階數為2的冪的高階 H矩陣可以從下列遞推關系推出：

式中,N=2m;

哈達碼矩陣具有下列性質：

①HT=H,也就是說哈達碼矩陣是對稱矩陣,將哈達碼矩陣的各行換成相應的各列,所得到的矩陣與原矩陣相同;

2.2 m序列[3]

m序列是最長線性移位寄存序列的簡稱,它是周期為N=2r-1的線性偽隨機序列,r是移位寄存器階數。m序列產生器結構如圖 3所示。圖中an-i(i=1,2,…,r)為移位寄存器中每位寄存器的狀態;ci(i=0,1,2,…,r)為寄存器的反饋系數。不同的反饋的邏輯,即 ci(i=0,1,2,…,r)取不同的值,將產生不同的移位寄存序列。

圖3 m序列反饋移位寄存器結構

m序列的性質有：

①均衡性,即在m序列的一個周期中,“1”和“0”的數目基本相等;

②長度為k的游程數目占游程總數的2-k,其中“+”游程和“-”游程各占一半;

③自相關函數近似于沖激函數 δ(t)的形狀,可以表示為：

2.3 復合序列設計

結合Walsh和m序列的特點,該系統設計了一種新的性能優良的偽隨機復合序列作為系統擴頻序列。根據美軍數據通信協議標準MIL-STD-188-110B,所構造的8條96位長的Walsh序列的映射如表1所示。

表1 Walsh序列的映射表格

m序列產生器的結構如圖4所示,該文利用該產生器運算產生出長為96的m序列。

圖4 m序列移位寄存器

在該數傳系統中,為了取得性能優良的偽隨機序列,結合walsh序列良好的同步正交性和數量多的優點,以及m序列良好隨機性和相關性,將8條長度為96的Walsh序列與m序列模八加,構造出一組新的復合序列,作為系統的8條擴頻序列。

3 相關性能仿真及分析[6,7]

圖5給出了長度為96的Walsh序列的相關特性仿真。

圖5 Walsh序列的相關特性仿真圖

可以看出Walsh序列在同步時具有良好的正交性,但是當其處于非同步狀態時,序列的相關性就變得比較差,即Walsh序列的自相關函數和互相關函數的旁瓣比較大,因此Walsh序列不能單獨作為擴頻序列來使用。

圖6給出了長為96的m序列的相關特性仿真,可以看出,m序列自相關特性較好,旁瓣較小,可以彌補Walsh序列自相關特性較差的缺點。

圖6 m序列的相關特性仿真圖

圖7給出了由Walsh序列與m序列組成新的復合序列的相關特性仿真。可以看出,這一組新的復合序列具有同步正交性,在非同步時的互相關和自相關性也優于Walsh序列,即該復合序列具有更強的抗干擾能力,因此更適合于軍事通信。

圖7 復合序列的相關特性仿真圖

4 結束語

首先介紹了短波低速數傳系統的模型,然后基于對walsh序列和m序列原理特性的研究,設計了一組新的復合序列,作為短波低速數據傳輸系統的擴頻碼。

仿真結果表明,該復合序列同步時相關性較好,彌補了walsh序列非同步時相關性較差的缺點。該研究對于提高短波低速數傳系統的傳輸性能,實現該系統的軍事應用具有重要意義。

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