短波低速数传系统扩频序列设计

周洪霞,于 潞,李洪烈,唐金元

(海军航空工程学院青岛分院,山东青岛266041)

0 引言

在军事通信中,扩频通信因其具有抗干扰、抗多径衰落以及抗侦察等优点得到广泛应用[1]。在信噪比较低,电磁干扰较严重的环境下,短波低速数据传输系统通过采用扩频技术,可以克服低信噪比的干扰,从而实现有效信息传输。

扩频序列的设计和选择是短波低速数传系统的关键技术之一,扩频序列性能的优劣在很大程度上决定了通信系统的多址干扰和符号间干扰的大小,从而直接影响到系统的性能[2-4]。因此,构造具有良好特性的扩频序列,是该文中短波低速数传系统完成扩频的关键。

1 短波低速数据传输系统原理

短波低速数据传输系统原理如图1所示[1-5]。系统发送端的原始数据由本地PN序列进行多进制扩频,由本地载波进行8PSK调制,然后经信道传输,接收端信息经解扩解调从而实现数据恢复。

图1 短波数传系统原理框图

该数传系统采用了(96,3)编码扩频,即八进制扩频,每条长为96的伪随机序列对应3比特二进制信息。

八进制扩频采用查表法实现,即预先产生8个伪随机序列,做成表格形式存储起来。二进制信息比特经串/并变换后,为3 bit一组,去选取与之对应的伪随机序列送出。八进制扩频实现原理如图2所示。

图2 八进制扩频实现框图

扩频序列的相关性直接影响数传系统的性能,8条长度为96的扩频序列的设计是本系统八进制扩频实现的关键。

2 扩频序列设计

扩频序列的设计标准[1,3,4,6]：

①扩频序列应具有良好的随机性。随机性是阻止非法使用者复制、预测序列的一种度量指标;

②扩频序列的数目要足够多。序列数目越多,允许改变扩频序列的范围也越大,从而更进一步提高了系统抗侦窃能力;

③扩频序列应具有平衡性。在直扩通信系统中,应用平衡的扩频序列可以增强系统的抗侦窃性能;

④扩频序列应具有良好的自相关特性和互相关特性,即自相关峰值尖锐,互相关值接近于零。自相关性和互相关性分别是造成符号间干扰和多址干扰的根源,扩频序列良好的相关性能极大地降低误码率。

该方案由于采用(N,k)编码,即共需2k条长为N的伪随机码作为扩频码,去表示k位信息的不同状态,因此要求用的伪随机码的条数要多,码距要大,相关特性要好。即要求这些伪随机码的自相关性 互相关性 部分相关特性要好,才能完成扩频信号的解扩或解码。常见的伪随机序列有Walsh序列和m序列。

2.1 walsh序列[3]

Walsh序列是一组完全正交的序列,它由哈达码矩阵衍生而来。哈达码矩阵简记为H矩阵,它是一种方阵,仅由元素+1和-1构成,而且各行(和列)是互相正交的。最低阶的矩阵是二阶的,即：

阶数为2的幂的高阶 H矩阵可以从下列递推关系推出：

式中,N=2m;

哈达码矩阵具有下列性质：

①HT=H,也就是说哈达码矩阵是对称矩阵,将哈达码矩阵的各行换成相应的各列,所得到的矩阵与原矩阵相同;

2.2 m序列[3]

m序列是最长线性移位寄存序列的简称,它是周期为N=2r-1的线性伪随机序列,r是移位寄存器阶数。m序列产生器结构如图 3所示。图中an-i(i=1,2,…,r)为移位寄存器中每位寄存器的状态;ci(i=0,1,2,…,r)为寄存器的反馈系数。不同的反馈的逻辑,即 ci(i=0,1,2,…,r)取不同的值,将产生不同的移位寄存序列。

图3 m序列反馈移位寄存器结构

m序列的性质有：

①均衡性,即在m序列的一个周期中,“1”和“0”的数目基本相等;

②长度为k的游程数目占游程总数的2-k,其中“+”游程和“-”游程各占一半;

③自相关函数近似于冲激函数 δ(t)的形状,可以表示为：

2.3 复合序列设计

结合Walsh和m序列的特点,该系统设计了一种新的性能优良的伪随机复合序列作为系统扩频序列。根据美军数据通信协议标准MIL-STD-188-110B,所构造的8条96位长的Walsh序列的映射如表1所示。

表1 Walsh序列的映射表格

m序列产生器的结构如图4所示,该文利用该产生器运算产生出长为96的m序列。

图4 m序列移位寄存器

在该数传系统中,为了取得性能优良的伪随机序列,结合walsh序列良好的同步正交性和数量多的优点,以及m序列良好随机性和相关性,将8条长度为96的Walsh序列与m序列模八加,构造出一组新的复合序列,作为系统的8条扩频序列。

3 相关性能仿真及分析[6,7]

图5给出了长度为96的Walsh序列的相关特性仿真。

图5 Walsh序列的相关特性仿真图

可以看出Walsh序列在同步时具有良好的正交性,但是当其处于非同步状态时,序列的相关性就变得比较差,即Walsh序列的自相关函数和互相关函数的旁瓣比较大,因此Walsh序列不能单独作为扩频序列来使用。

图6给出了长为96的m序列的相关特性仿真,可以看出,m序列自相关特性较好,旁瓣较小,可以弥补Walsh序列自相关特性较差的缺点。

图6 m序列的相关特性仿真图

图7给出了由Walsh序列与m序列组成新的复合序列的相关特性仿真。可以看出,这一组新的复合序列具有同步正交性,在非同步时的互相关和自相关性也优于Walsh序列,即该复合序列具有更强的抗干扰能力,因此更适合于军事通信。

图7 复合序列的相关特性仿真图

4 结束语

首先介绍了短波低速数传系统的模型,然后基于对walsh序列和m序列原理特性的研究,设计了一组新的复合序列,作为短波低速数据传输系统的扩频码。

仿真结果表明,该复合序列同步时相关性较好,弥补了walsh序列非同步时相关性较差的缺点。该研究对于提高短波低速数传系统的传输性能,实现该系统的军事应用具有重要意义。

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