潛艇高頻猝發通信技術研究及實現*

(1.92330部隊 青島 266102)(2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

潛艇高頻猝發通信技術研究及實現*

張永鑫1王杰英1李軍2

(1.92330部隊 青島 266102)(2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

在潛艇高頻通信中采用猝發通信技術和擴展頻譜通信技術相結合,可以有效抗干擾和抗截獲。首先提出了一種DS/QPSK高頻猝發通信系統,然后對快速同步算法、頻差估計、自適應均衡和卷積編譯碼等關鍵技術進行分析。得出高頻猝發通信技術是潛艇對岸基隱蔽通信的一種重要手段。

猝發通信;擴展頻譜;隱蔽通信

ClassNumberTN918

1 引言

潛艇具有非常好的隱蔽性,但是由于受自身裝備所限,潛艇在很長一段時期內都是獨立作戰,很難與其他兵力協同[1]。潛艇應該是海軍通信網絡中的一個節點,衛星通信系統的使用為潛艇對岸基隱蔽通信提供了一種主要的手段,但衛星通信系統成本高和易摧毀。高頻猝發通信技術作為潛艇對岸基隱蔽通信的重要手段一直存在,它的使用可以減少潛艇因通信被截獲、測向和干擾的概率。

在高頻猝發通信中,由于信道的數據傳輸率本來就不高,如果單純采用縮短猝發通信時間這種方法來降低被偵測定位的概率的話,數據傳輸上就不能滿足要求[2～3]。因此有必要對猝發通信的數據傳輸速率和隱蔽性進行研究,特別是采用猝發通信技術和直接序列擴頻技術相結合,能夠顯著提高通信系統的抗干擾和抗截獲能力。

2 高頻猝發通信系統

潛艇高頻猝發通信系統是將猝發通信技術和直接序列擴頻技術相結合,降低被截獲的概率和縮短猝發通信信號暴露的時間,有效提高系統的抗干擾和抗截獲能力[4～5]。根據潛艇對岸基隱蔽通信系統的要求,并結合高頻信道傳播特性,設計了一種DS/QPSK高頻猝發通信系統。考慮幀同步位和糾錯編碼,該系統可在0.5s內成功傳輸480bit的信息,信息傳輸速率為4800bps。

潛艇高頻猝發通信系統發送端的數據流中插入約十幾個符號的同步頭,接收端以它作為輔助數據來實現信息位置的確定和載波恢復等。同時發送端在采用偽隨機序列對數據進行擴頻,接收端使用自相關和互相關函數都比較好的正交M序列來完成碼元的同步,從而完成相關信息的解擴。由于QPSK調制技術抗干擾能力強,頻帶利用率高,實現較為容易,因此采用QPSK調制作為系統的信道調制方式。在發送每組有用數據之前,都要先發送約十幾個符號的同步頭,用來完成擴頻碼的識別、位同步和幀同步等功能。為了進一步提高系統的抗干擾能力,對信源信息進行1/2卷積編碼,接收端采用Viterbi譯碼。系統的基本組成如圖1所示。

圖1 高頻猝發通信系統組成框圖

3 關鍵技術

3.1 快速同步算法設計

在短時猝發式擴頻通信系統中,為提高擴頻增益,猝發信號被高速長擴頻序列擴頻調制后,在極短時間內以猝發形式被高速發送,對序列同步提出了更高的要求[2～3]。

系統采用Walsh碼加擾碼的方式來實現數據擴頻,擾碼選用自相關和互相關函數都比較好的M序列,在非同步時的互相關和自相關性也優于Walsh序列。接收端,將接收到的數據序列與發端擴頻碼相同的本地序列進行滑動相關,由于擴頻碼使用自相關和互相關函數都比較好的正交M序列,如果接收端沒有同步時,滑動相關輸出的峰值很小,當接收端完全同步時,滑動相關輸出的相關峰值就比較大。相關器輸出的相關峰最大值所對應的點即為同步點,由于相關峰出現最大值的點與數據比特是一一對應的,因此可以從相關峰值中獲得位同步脈沖信號。

在發送每幀數據前,都需要在數據前插入幀同步信息,用以完成數據的幀同步。幀同步碼組應該具有尖銳單峰特性的局部自相關函數,且尖銳單峰識別結構較為簡單,容易實現。選用如圖2的信號幀模式。其中a為16個32位的正交M序列與16個相位排列的相乘,16個相位排列為(-3π/4,-π/4,3π/4,π/4)的組合。而b序列為a序列的反碼,最后由b序列實現數據的幀同步。進行數據的幀同步時,對接收到的數據進行搜索,如果搜索到b序列,就認為數據達到幀同步,否則繼續進行搜索。

圖2 信號的幀結構

3.2 頻差估計技術

由于短波信道存在多普勒頻移和電波傳播的時延,而且系統本身也會產生頻率漂移,因此在收發端就會產生頻差。系統中存在頻率偏差會降低擴頻系統的性能,嚴重時將導致系統無法進行相關解擴,直接影響信息的恢復。因此,在接收端必須進行頻差估計。

當接收系統捕獲到報頭之后,將接收序列與本地序列對應依次相乘,并對其作相關FFT變換,這就相當于在不同的頻點上對頻差進行了不同的補償,其中對頻差補償最好的頻點得到的相關值應該是最大的,所以該頻點應在頻差處會出現明顯的譜峰。又由于信道中存在多普勒頻移、傳播時延和頻率漂移等影響,所以相關FFT頻譜中有可能出現比較高的副峰,干擾嚴重時甚至還會出現副峰高于主峰的情況。因此,在設計中采用的頻差估計基于滑動相關FFT和二次曲線擬合的方法來實現,有效地排除多徑的干擾,消除可能出現比較高的副峰[6]。如圖3所示。

圖3 頻差估計組成框圖

3.3 自適應均衡技術

短波信道具有多徑、衰落和時變特性,并且可用的實際信道的頻帶有限,使接收到的信號容易存在嚴重的碼間干擾(ISI),采用自適應均衡器能夠很好的適應變化的信道,消除碼間干擾[7～8]。由于短波突發通信的特點是信號發送時間較短,使用的訓練序列也較短。在突發期間內,可以近似認為信道特性不變或者慢變化,這就降低了均衡器對信道的跟蹤能力的要求。

在發送每幀數據前是內容已知的幀同步碼組,用于初始化自適應均衡器,保證在有用信息到來之前,自適應均衡器能夠很好地收斂。同步之后的數據序列由8個數據幀組成,每個數據幀采用32個未知符號加16個已知符號的結構。每幀中內容已知的幀同步碼組可用于周期性的初始化自適應均衡器,保證自適應均衡器能夠更好地適應變化的信道。如圖4所示。

圖4 傳輸數據結構圖

3.4 卷積編碼和Viterbi譯碼

系統中采用了其它通信系統常用的(2,1,7)卷積編碼,約束長度為N=7,生成多項式為(171,133)8。Viterbi譯碼器主要由分支度量模塊、加比選模塊、溢出控制模塊和幸存路徑存儲模塊等組成,其設計的組成框圖如圖5所示。Viterbi譯碼器接收到的正交兩路軟判決數據,首先送入分支度量模塊中計算出各狀態所有分支度量,然后將結果送給后面的加比選模塊,對進入每一個狀態的所有分支度量進行計算,得出兩條輸入路徑的路徑度量后比較,選出幸存路徑的路徑度量值最大的保存在路徑度量存儲器中,并送出各狀態路徑轉移的信息給后面的幸存路徑存儲模塊,幸存路徑存儲模塊根據加比選模塊輸出的路徑轉移信息進行回溯譯碼,并最終輸出譯碼結果[3,9～10]。

圖5 Viterbi譯碼器組成框圖

4 結語

通過對潛艇高頻猝發通信系統技術的研究,特別是對快速同步算法設計、頻差估計技術、自適應均衡技術和卷積編譯碼等關鍵技術的分析,提出了采用猝發通信技術和擴展頻譜通信技術相結合潛艇高頻猝發通信系統。該系統可以有效抗干擾、抗偵聽,抗截獲,若在惡劣干擾環境下通信,可提供安全可靠通信鏈路。一定程度上解決了潛艇戰略地位與隱蔽通信水平不對稱的矛盾,具有十分重要的意義。

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ResearchandRealizationofHigh-frequencyBurstingCommunicationsTechnologyforSubmarines

ZHANG Yongxin1WANG Jieying1LI Jun2

(1. No. 92330 Troops of PLA, Qingdao 266102)(2. No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

Bursting communication technique and extending spectrum are adopted in submarine high-frequency communication, in order to effectively realize anti-jamming and anti-interception. DS/QPSK high-frequency bursting communications system is proposed, and analysis on key-techniques like signal synchronization, frequency difference estimation, self-adaptable balancing and convolution and decoding are conducted. Hence, high-frequency bursting communication technology constitutes an indispensable part of submarine-to-shore secret communication.

burst signal, extending spectrum, secret communication

2013年11月5日,

:2013年12月25日

張永鑫,男,高級工程師,研究方向:無線通信。王杰英,男,高級工程師,研究方向:無線通信。李軍,男,助理工程師,研究方向:無線通信。

TN918DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.005