一種改進的預編碼跳碼擴頻通信技術

摘 要：為了提高現有預編碼跳碼直擴通信系統的抗干擾能力、通信保密性和反偵察能力，采用增加一個n級移位寄存器的方法，使跳碼圖案變換時間隨信號碼元跳變。通過研究分析，新系統在抗干擾、同步、反偵察以及保密性能等方面都有一定的改進。

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關鍵詞：預編碼跳碼; 自編碼跳碼; 抗干擾; 保密性

中圖分類號：

TN914.42-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2012)01-0023-04

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An improved spread spectrum communication technology of pre-encoded code-hopping

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WU Yong-bin1， FENG Guang-hua1， XU Qian2， WANG Hua-qiang3

(1.Chongqing Institute of Communications， Chongqing 400035， China; 2.PLA Unit of 77108， Chengdu 611233， China;

3.PLA Unit of 77266， Lincang 611233， China)

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Abstract：

To improve the anti-jamming ability， communication confidentiality and anti reconnaissance capability of existing pre-encoded code-hopping spread spectrum communication system， an added n level shift register method was used to transform the time of code-hopping with the signal element. Through the research and analysis， the new system is improved in some respects of anti-jamming， synchronization， anti reconnaissance and confidential performance.

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Keywords： pre-encoded code-hopping; self-encoded code-hopping; anti-jamming; confidentiality

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收稿日期：2011-09-21

0 引 言

直擴體制目前在軍民通信中已得到了廣泛的應用。隨著技術的深入與實踐運用，直擴體制尤其是直擴碼分體制(DS/CDMA)在軍事應用中遇到了一系列技術難題，如遠近效應，抗干擾能力與組網及用戶數量之間的矛盾難以兼顧等[1-3]。

根據直擴信號偵察接收機的機理與理論依據可以知道，無論輸入信噪比多低，在帶寬一定的情況下，總是能夠通過時間的積累檢測出輸出信噪比，從而檢測到直擴碼的存在甚至還原直擴碼。因此，如何進一步提高直擴反偵察能力是一個急需解決的問題。

跳碼通信是在直擴技術體制基礎上發展起來的一種新的擴譜技術。它以常規直擴為基礎，其直擴碼字是跳變的，因此也具備了部分類似跳頻系統的特征。根據目前的研究成果，跳碼的基本類型可以包括兩種，一種是預編碼直擴(Pre-encoded Spread Spectrum，PESS)的跳碼，簡稱預編碼跳碼，其基于預知碼集上的直擴碼偽隨機跳變;另一種是基于自編碼直擴(Self-encoded Spread Spectrum，SESS)的跳碼，簡稱為自編碼跳碼。

1 預編碼擴頻

1.1 預編碼擴頻原理

所謂預編碼跳碼通信，實際上是借用跳頻通信的原理來實現對固定碼型直擴體制的一種擴展，即選定M組直擴碼的直擴碼集(碼字表)，系統采用同一個載頻，并按照跳碼圖案在M組直擴碼上偽隨機地跳變[3-4]。在每一個瞬時，系統各用戶均同步地跳到同一組直擴碼上，對應于跳頻通信系統中的各要素，跳碼通信系統組成如圖1所示。

圖1 預編碼跳碼通信系統原理框圖

圖1中，在發射端，預編碼跳碼通信的關鍵部分是跳碼控制器。跳碼控制器產生跳碼圖案，跳碼圖案控制跳碼合成器隨機地產生不同的直擴碼組，并根據直擴進制數和各直擴碼字與信碼符號的對應關系，對信源數據d(t)進行直擴調制，再經過射頻調制形成跳碼信號。在接收端，經過下變頻得到中頻跳碼直擴調制信號，由跳碼同步單元完成對跳碼圖案的同步，通過直擴碼組及相應碼字與信碼符號的對應關系對收到的跳碼信號進行解跳、解擴、解調處理，最終可以恢復出所需的信碼。

1.2 預編碼擴頻性能分析

預編碼跳碼直擴借用了跳頻擴譜的原理和概念，是常規直擴調制的推廣。發射端的跳碼信號SCH(t)表達式與直擴信號表達式相近，設為：

SCH(t)=d(t)PNi(t)Acos(ω0t+φ)，

i=1，2，…，M

(1)

式中:PNi(t)為跳碼合成器的輸出(即直擴偽碼信號);A為載波幅度;ω0為信號載頻;φ為信號相位;M為直擴碼數量。

接收端的解跳解擴信號可表示為:

r′(t)=r(t)cos(ω0t)c′(t)

(2)

式中:r(t)=SCH(t)+n(t)+J(t)+SJ(t)為接收機接收的混合信號；SCH(t)，n(t)，J(t)，SJ(t)分別表示跳碼信號、噪聲、人為干擾和用戶間多址干擾;c′(t)為接收端的偽碼。

和常規直擴一樣，對于多種類型的非相關干擾，由于其與接收端的直擴碼不相關，經過解擴處理后，帶寬被展寬，干擾被抑制，其程度與碼長有關。對于相關干擾，由于跳碼組比常規直擴多了M組，且跳碼圖案具有較好的隨機性和非線性等特性，使相關干擾難以實施或者難以造成較大的影響。

2 自編碼擴頻

2.1 自編碼擴頻原理

美國學者Lim Nguyen在1999年提出了一種完全拋棄傳統PN碼，而利用前n 個信碼比特作為第 n+1個信碼的擴頻碼碼片來進行擴頻調制的新的擴頻技術——自編碼擴頻(SESS)[5-6]，其基本原理如圖2所示。

圖2 自編碼跳碼通信系統原理框圖

假設直擴碼長度為n，信息速率為1/T(碼元持續時間為T)，它們同時輸入到相乘器和ｎ級移位寄存器SR1。SR1的內容被信源數據更新，并以切換開關ｎ/T的速率依次切換輸出(即前ｎ個信息碼元符號值)，各抽頭輸出值就構成了當前信息碼元所需的直擴碼。直擴碼和信息序列相乘，就得到基帶擴頻信號。接收端再生自編碼擴頻序列的過程與發射端相似。

由圖2可知，在發射端，信碼一路輸入直擴調制，另一路輸入移位寄存器，形成直擴碼后對信碼進行直擴調制，得到基帶或中頻已擴信號，再經射頻調制和功率放大由天線輸出。在接收端，進行相反的處理就會得到解擴信號，不過這是在同步的基礎上才能實現的。

2.2 自編碼擴頻性能分析

由自編碼擴頻的原理及工作流程可知，其最大的優點是跳碼圖案和直擴碼直接受信碼控制，因而跳碼的碼集是不固定的，跳碼圖案可以說沒有重復周期。這樣就進一步提高了直擴通信的保密反偵察性能。

但是，要保證其實用性，還有許多問題需要從理論和工程上解決，例如收發跳碼圖案的同步問題，各直擴碼之間的相關性問題，誤碼傳播問題以及信碼不均衡問題等等。

3 改進型預編碼跳碼通信系統

3.1 新系統的組成

該系統在預編碼體系的基礎上，在跳碼控制器上增加一個移位寄存器，通過信息碼元控制跳碼碼組變換速率，實現變速跳碼，其系統組成如圖3所示[4-7]。

圖3 新系統組成框圖

由圖3中可知，在發射端，信碼一路輸入直擴調制，另一路輸入移位寄存器，形成一組控制碼后輸入跳碼控制器，并與之結合進行運算，使跳碼控制器輸出的控制信號速度隨控制碼大小線性或非線性變換；跳碼合成器在控制器的控制下偽隨機地產生不同的直擴碼組，并根據直擴進制數和各直擴碼字與信碼符號的對應關系，對信源數據d(t)進行直擴調制，得到基帶或中頻已擴信號，再經射頻調制和功率放大，由天線輸出。在接收端，進行相反的處理就會得到解擴信號，經過下變頻得到中頻跳碼直擴調制信號，由跳碼同步單元完成對跳碼圖案的同步，通過直擴碼組、碼元控制碼及相應碼字與信碼符號的對應關系對收到的跳碼信號進行解跳、解擴、解調處理，最終可以恢復出所需的信碼。

3.2 新系統性能分析

新系統在預編碼的基礎上增加了一個寄存器，主要功能是隨輸入數據改變跳碼組變換時間，即增加了一個變化量R(x1，x2，…，xn－1)(由前n-1位信碼通過線性或非線性算法得到)，使變量PNi(t)只隨時間變換變為PNi［R(x1，x2，…，xn－1)，t］，即隨信碼與時間共同改變。發射端的跳碼信號SCH(t)表達式可以改寫為：

SCH(t)=d(t)PNi［R(x1，x2，…，xn－1)，t］

Acos(ω0t+φ)， i=1，2，…，M

(3)

由式(3)與式(1)可知，新系統在原系統的基礎上增加了隨信碼符號改變直擴碼組的能力，即改變跳碼圖案的能力，使得系統反偵察等能力得到了很大的提高。下面即對這幾個主要性能進行簡要分析。

3.2.1 抗干擾能力

與預編碼跳碼通信系統類似，新系統遇到的人為干擾也主要分為相關干擾與非相關干擾兩大類。相關干擾主要是指利用與跳碼通信信號相關的干擾信號對跳碼通信進行的跟蹤干擾，其通常用在跳碼圖案規律、各跳碼字均與跳碼通信相一致的干擾信號中，并在基帶上施加相應的干擾調制信號；非相關干擾主要是指利用與跳碼信號不相關的干擾信號對跳碼通信進行的壓制干擾，一般采用寬帶噪聲干擾、部分頻帶噪聲干擾、單音與多音干擾、脈沖干擾等。

(1) 抗非相關干擾能力

對于新型跳碼通信系統，干擾方對系統中M個正交的碼字實施非相關干擾，由于各碼字均在同一個頻率和帶寬內工作，不管跳碼速率高低，也不管是哪組直擴碼，每一個碼字的受擾情況都是一樣的，因此，系統將失去跳碼的處理增益，但是直擴處理增益還在。設直擴碼長為n，那么不管是二進制還是多進制直擴，此時跳碼系統中抗非相關干擾的處理增益為直擴增益，即：

GCS=GCH=GDS=n

(4)

由式(4)可知，新型跳碼通信系統抗的非相關干擾性能與預編碼跳碼通信系統和固定碼型直擴系統相同，變速跳碼對抗非相關干擾沒有貢獻。

(2) 抗相關干擾能力

在預編碼跳碼通信系統中，不僅具有針對非相關干擾的直擴處理增益，還具有對相關干擾的跳碼處理增益。

假設干擾方采用一個或者幾個與跳碼碼集相同的直擴碼進行相關干擾，在不能實時破譯跳碼圖案的條件下，僅能對相同或近似直擴碼的跳碼信號駐留期間的跳碼信號形成相關干擾，而對于其他直擴碼相當于收到非相關干擾，擴譜處理增益還在，因此，總的處理增益為:

GCH=(M－j)n， 1≤j≤M

(5)

式中:M為跳碼集中可用的直擴碼個數；j為被相關干擾個數；n為直擴碼長度；M－j為跳碼增益。

在新型跳碼系統中，即使干擾方采用一個或者幾個與跳碼碼集相同的直擴碼進行相關干擾時，由于跳碼圖案隨碼元改變，變換時間不再固定，造成了干擾信號難以長時間與信號同步，使得部分相關干擾變成了非相關干擾。設改變率為α，則新系統的總處理增益為:

GCS=［M－(1－α)j］n=(M－j)n+αjn，

1≤j≤M， 0≤α≤1

(6)

由式(5)與式(6)可以看出，改進后跳碼系統的處理增益提高了，抗相關干擾能力也相應增強了。

3.2.2 跳碼同步能力

和預編碼跳碼系統一樣，新系統的同步過程可分為兩個階段，初始同步階段和數據傳輸階段。同步的重點在初始同步階段，初始同步包括跳碼圖案同步、直擴碼捕獲和跟蹤三個部分。新系統增加了一組n級移位寄存器，改變了跳碼組變換速度，相當于改變了跳碼圖案，其跳碼圖案中碼組與時間的關系如圖4所示。圖4中Pi表示第i組直擴碼，共有M組。

圖4 兩種系統跳碼圖案形成的碼字-時間關系比較

由圖4可以看出，新系統的跳碼組在不定時地進行跳變，且最短時間不低于原系統固定的跳變時間，即跳碼變換時間大于等于原系統，可以理解為部分放寬了直擴碼組改變時間，從而使得新系統對同步的要求不會比原系統高。

3.2.3 反偵察、保密能力

根據直擴信號偵察接收機的機理與理論依據，可得到下列表達式[8-10]：

(S/N0)o=(S/N0)2i#8226;T#8226;W

(7)

式中:(S/N0)o和(S/N0)i分別表示偵察接收機的輸出和輸入信噪比；T表示觀察時間；W表示直擴信號帶寬。式(7)說明，在時間的積累下，偵查機能夠檢測到直擴碼的存在以及所需的直擴碼。如果能夠破壞或者干擾時間積累的機理，就可以大大增強系統的反偵察能力。跳碼圖案的不定時變換，使得偵察系統對直擴碼估計的時效性減弱，從而增加了系統的反偵察、抗截獲能力。而新增的n級移位寄存器本身就可以看成是一組編碼、解碼器，相當于給信號在傳輸過程中進行了一次加密、解密，因此也有效增強了系統的保密性。

4 結 語

本文首先介紹了跳碼通信，然后分析了預編碼通信和自編碼通信，并提出了一種新的預編碼跳碼系統的實現方法。對新系統的基本性能進行了分析，可以看出新系統在抗干擾、同步、反偵察以及保密性能等方面都有一定的改進。

參 考 文 獻

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作者簡介：

吳永彬 男，1984年出生，研究生。主要研究方向為軍事通信學。

鳳光華 男，1965年出生，教授，碩士研究生導師。從事科研和教學工作多年，獲多個科技進步二、三等獎，發表學術論文若干篇，并編著多部教材。

徐 謙 男，1983年出生，學士，77108部隊連長。

王華強 男，1985年出生，學士，77266部隊副連長。