用于散射信道的多業(yè)務(wù)異步復(fù)分接技術(shù)

韓燕杰　毛晶晶　李斐

【摘? 要】為擴(kuò)大散射信道傳輸容量和提高其傳輸效率，在多種時(shí)鐘業(yè)務(wù)傳輸過(guò)程中，可采用多業(yè)務(wù)異步復(fù)分接技術(shù)。根據(jù)極低速散射通信系統(tǒng)的特點(diǎn)，在進(jìn)行業(yè)務(wù)復(fù)分接時(shí)為了改善幀同步，論文提出使用Turbo碼幀同步算法，該算法不需要插入任何導(dǎo)頻符號(hào)，利用信道碼字特征和譯碼的迭代信息輔助系統(tǒng)完成幀同步，提高了系統(tǒng)的幀同步精度及傳輸效率。

【Abstract】In order to expand the transmission capacity and improve the transmission efficiency of the scattering channel， the multi-service asynchronous multiplexing and demultiplexing technology can be used during the service transmission with multiple clocks. According to the characteristics of ultra-low rate scattering communication system， in order to improve frame synchronization in the process of carrying out service multiplexing and demultiplexing， the paper proposes to use Turbo code frame synchronization algorithm， which does not need to insert any pilot symbols and uses the channel code word characteristics and iterative information of decoding to assist the system to complete frame synchronization， so as to improve the frame synchronization accuracy and transmission efficiency of the system.

【關(guān)鍵詞】異步復(fù)接;極低速;Turbo;幀同步

【Keywords】asynchronous multiplexing; ultra-low rate; Turbo; frame synchronization

【中圖分類號(hào)】TN911.22? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）03-0176-02

1 引言

散射通信具有抗毀、抗擾、抗截獲、機(jī)動(dòng)性好、適應(yīng)各種復(fù)雜地形等優(yōu)點(diǎn)，在軍事無(wú)線通信領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。為了擴(kuò)大散射信道傳輸容量和提高其傳輸效率，我們可以先將多種時(shí)鐘業(yè)務(wù)合并成一路較高速率的信號(hào)進(jìn)行傳輸，再將接收到的信號(hào)分離成同步的各支路低速信號(hào)，這種合并分離技術(shù)就是多業(yè)務(wù)復(fù)分接技術(shù)。采用多業(yè)務(wù)復(fù)分接技術(shù)，還可以解決在傳輸過(guò)程中的時(shí)鐘抖動(dòng)問(wèn)題。

由于散射信道是一種時(shí)變多徑信道，具有傳輸損耗大、信道衰落嚴(yán)重等特點(diǎn)，嚴(yán)重影響了傳輸?shù)目煽啃?。因此，在采用多業(yè)務(wù)復(fù)分接技術(shù)時(shí)，需要通過(guò)應(yīng)用控制幀同步、優(yōu)化編碼、碼速調(diào)整等方式來(lái)提高系統(tǒng)復(fù)分接的性能。在極低速散射通信中，由于信道的傳輸速率特別低，為了提高帶寬利用率，我們不再采用在幀結(jié)構(gòu)中加入導(dǎo)頻序列這種傳統(tǒng)的幀同步算法。本文提出在復(fù)接模塊中加入Turbo編碼，在分接模塊加入Turbo譯碼模塊的方案，利用信道碼字特征和譯碼的迭代信息輔助實(shí)現(xiàn)幀同步，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻，緩解了調(diào)制解調(diào)的壓力。Turbo碼是一種逼近香農(nóng)限的編碼，一些長(zhǎng)的有限幾何Turbo碼的誤碼性能離香農(nóng)限只有零點(diǎn)幾分貝。在低信噪比的情況下，使用Turbo碼幀同步可以提高系統(tǒng)的幀同步精度。

2 復(fù)分接技術(shù)

在對(duì)流層中不斷產(chǎn)生大氣湍流，使溫度、氣壓和濕度產(chǎn)生隨機(jī)變化，引起大氣折射系數(shù)的變化，使各處介電常數(shù)也隨機(jī)變化，當(dāng)電磁波進(jìn)入這種折射系數(shù)和介電常數(shù)不斷變化的區(qū)域繼而產(chǎn)生了散射。對(duì)流層散射傳播具有傳輸距離遠(yuǎn)，不受核爆炸、太陽(yáng)黑子、電離層擾動(dòng)、激活等自然現(xiàn)象的影響等優(yōu)點(diǎn)，在軍事通信領(lǐng)域中占據(jù)不可或缺的地位。

為了應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，保證在復(fù)雜的信道中實(shí)現(xiàn)少量的關(guān)鍵信息的傳輸，提出了極低率散射通信。在散射通信中，極低速率通信是指信道傳輸速率在1kbps及其以下的通信系統(tǒng)，在現(xiàn)階段的發(fā)展中我們可以將600bps話音與400bps的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接。600bps的話音在誤碼率Pe=10-3時(shí)，可以滿足話音可懂。采用這種復(fù)分接技術(shù)就可以惡劣的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音信息的有效傳輸。

在無(wú)線通信領(lǐng)域，根據(jù)復(fù)接的各支路信號(hào)時(shí)鐘關(guān)系可以分為同步復(fù)接、異步復(fù)接和準(zhǔn)同步復(fù)接。其中，同步復(fù)接是被復(fù)接的各個(gè)支路信號(hào)在時(shí)鐘上必須是同步的;異步復(fù)接是被復(fù)接的各個(gè)支路碼流時(shí)鐘不是同一鐘源;準(zhǔn)同步復(fù)接是被復(fù)接的各個(gè)支路碼流時(shí)鐘是由不同的鐘源提供。這些鐘源在一定的容差范圍內(nèi)為標(biāo)稱相等，準(zhǔn)同步復(fù)接和異步復(fù)接統(tǒng)稱為異步復(fù)接，異步復(fù)接和準(zhǔn)同步復(fù)接都要經(jīng)過(guò)碼速調(diào)整和相位調(diào)整，使得各支路數(shù)字信號(hào)調(diào)整為同步信號(hào)，然后進(jìn)行同步復(fù)接。

在將多路低速業(yè)務(wù)進(jìn)行復(fù)接時(shí)，由于各業(yè)務(wù)時(shí)鐘是各自產(chǎn)生的，即使其標(biāo)稱速率相同，其瞬間速率也可能不同，幾個(gè)低次群同步復(fù)接后的碼流會(huì)產(chǎn)生重疊或錯(cuò)位，這樣復(fù)接合成后的數(shù)字碼流在接收端無(wú)法分接恢復(fù)成原來(lái)的低次群。因此，業(yè)務(wù)異步復(fù)接時(shí)其重點(diǎn)在于碼速調(diào)整和碼速恢復(fù)。碼速調(diào)整技術(shù)就是將速率不同的低次群，調(diào)整成與復(fù)接時(shí)鐘完全同步的數(shù)字信號(hào)，以便由復(fù)接單元把各個(gè)低次群復(fù)接成一個(gè)數(shù)字碼流，碼速調(diào)整可分為正碼速調(diào)整、正/負(fù)碼速調(diào)整和正/0/負(fù)碼速調(diào)整技術(shù)。碼速恢復(fù)在接收端分接器先將二次群碼流進(jìn)行分接，分接后各個(gè)支路碼流分別寫入各自的緩沖區(qū)，為了去掉發(fā)送端插入的脈沖，首先要通過(guò)標(biāo)志信號(hào)檢出電路檢出標(biāo)志信號(hào)，然后通過(guò)寫入脈沖扣除電路扣除標(biāo)志信號(hào)，扣除了標(biāo)志信號(hào)后的支路碼流的順序與原來(lái)碼流的順序一樣，但在時(shí)間間隔上是不均勻的，中間有空隙，從長(zhǎng)時(shí)間來(lái)看其平均時(shí)間間隔與原支路碼流時(shí)鐘相同。因此，在接收端要恢復(fù)原支路碼流，必須從接收碼流提取時(shí)鐘，脈沖間隔均勻化的任務(wù)由鎖相環(huán)完成。

在極低速散射通信中，由于話音和數(shù)據(jù)的鐘源存在一定的偏差，因此，為異步復(fù)接技術(shù)。在實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，采用鎖相環(huán)技術(shù)將復(fù)接時(shí)鐘同步于外部10MHz高穩(wěn)時(shí)鐘源，為復(fù)接提供高穩(wěn)鐘定時(shí)功能。一般我們可以通過(guò)以下方式提高復(fù)分接的性能：增大幀頭長(zhǎng)度，保證其在一定時(shí)間內(nèi)不指示失步;增大其容錯(cuò)能力，在一定范圍內(nèi)糾正錯(cuò)誤信息;保證平均幀同步保持時(shí)間遠(yuǎn)大于信道的衰落時(shí)間。在極低速散射通信中，不能一味通過(guò)增大幀頭的長(zhǎng)度的辦法提高幀同步的精度，因此，在復(fù)分接中采用了Turbo這種高效的編碼方式，既增大了其容錯(cuò)能力，同時(shí)，在復(fù)接的幀結(jié)構(gòu)中不加入幀頭，幀結(jié)構(gòu)全部是有效信息，提高了其傳輸效率。

3 系統(tǒng)模型

結(jié)合極低速散射通信的特點(diǎn)，在復(fù)接的幀結(jié)構(gòu)中沒(méi)有幀頭信息，因此，本文提出在復(fù)分接中采用Turbo碼幀同步的方案，利用信道碼字的特性和譯碼信息的迭代信息判斷幀同步位置，從而增加分接魯棒性。

復(fù)分接系統(tǒng)由復(fù)接器和分接器組成。復(fù)接器是由發(fā)定時(shí)、調(diào)整、復(fù)接和Turbo編碼等模塊組成，分接器是由同步、定時(shí)、分接、恢復(fù)單元和Turbo譯碼、Turbo同步模塊組成。定時(shí)單元為整個(gè)系統(tǒng)提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)，我們可以采用高穩(wěn)定度的外部時(shí)鐘進(jìn)行推動(dòng)。分接器的定時(shí)單元只能由接收到的時(shí)鐘來(lái)推動(dòng)，借助同步單元的控制，產(chǎn)生分接設(shè)備所需要的各定時(shí)信號(hào)，這就使得分接器的基準(zhǔn)時(shí)間和復(fù)接器的基準(zhǔn)時(shí)間保持正確的相位關(guān)系。為了保證在散射通信中數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑢?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正確接收，必須進(jìn)行幀同步，使得接收端正確找到幀的起始和終止位置。

在傳統(tǒng)的幀同步算法中，在幀結(jié)構(gòu)中加入導(dǎo)頻序列，其與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，通過(guò)與設(shè)定的門限值進(jìn)行比較，從而確定幀頭起始位置。該算法在低信噪比下性能顯著降低。在極低速散射通信中，為綜合傳輸時(shí)延和系統(tǒng)性能，在復(fù)接模塊中加入Turbo編碼，在譯碼模塊中加入Turbo碼幀同步模塊，利用信道編碼碼字的相關(guān)特征等實(shí)現(xiàn)幀同步。

4 Turbo碼幀同步算法

為了同時(shí)滿足降低算法復(fù)雜度和提高幀同步精度的需求，Turbo碼幀同步算法使用Turbo譯碼的迭代信息確定幀同步位置。

Turbo編碼器通過(guò)單輸入雙輸出的循環(huán)遞歸卷積編碼。在子編碼器中加入交織器，最大限度地打亂原始數(shù)據(jù)的順序，降低數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性。交織器采用偽隨機(jī)交織器，使得交織后的序列隨機(jī)性盡可能大，提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力。但隨著編碼長(zhǎng)度增長(zhǎng)，編碼性能提升，需要的編碼和譯碼時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)系統(tǒng)的時(shí)延造成一定的損失。

使用碼速率比較低的Turbo，在編碼器中按照一定的規(guī)則刪余矩陣，刪除一定位數(shù)的校驗(yàn)位，從而獲得更高碼速Turbo，提高系統(tǒng)的使用率。本方案中采用了碼速為1/3的Turbo，采用刪余矩陣使其變成碼速為1/2，將編碼后的數(shù)據(jù)增加64bit的幀頭。

解調(diào)后的數(shù)據(jù)，通過(guò)Turbo譯碼前數(shù)據(jù)與編碼后加入的幀頭卷積，通過(guò)硬判決，將相關(guān)系數(shù)與判決門限作比較，得到編碼塊幀頭，提升了系統(tǒng)的同步性能。解交織是交織的逆過(guò)程。Turbo譯碼采用軟輸入軟輸出譯碼器，將接收到的原始數(shù)據(jù)和行譯碼的軟輸出數(shù)據(jù)作為列譯碼器的軟輸出，為節(jié)省資源，控制軟輸入軟輸出迭代譯碼循環(huán)次數(shù)，達(dá)到性能與資源的最佳配合。

5 結(jié)論

為了保證散射信道的傳輸多樣性和傳輸容量，在系統(tǒng)中采用復(fù)分接技術(shù)，并對(duì)其中關(guān)鍵技術(shù)碼速調(diào)整和幀同步做了詳細(xì)的說(shuō)明。同時(shí)，為了適應(yīng)散射信道的極低速傳輸應(yīng)用，采用了基于Turbo碼的幀同步算法。該算法在復(fù)接幀結(jié)構(gòu)中不使用幀頭，提高了信道的傳輸效率。在Turbo編解碼中通過(guò)加入交織器、解交織和軟輸入軟輸出幀譯碼等，提高了傳統(tǒng)的復(fù)分接魯棒性。

【參考文獻(xiàn)】

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