双多进制正交扩频在HF低速通信中的应用

康弘俊，邓永洋，罗 磊

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

多进制正交扩频(M-ary Orthogonal Spread Spectrum)[1]系统是利用一个正交扩频序列传输lbM(M为进制数)比特信息的扩频系统。该系统较直接序列扩频系统有效地解决了传输带宽与处理增益之间的矛盾,并已经被应用于许多领域[2]。文献[3]提出了一种双多进制正交扩频系统(Dual M-ary Orthogonal Spread Spectrum)，将两路多进制正交扩频信号分别经I路和Q路同时传输，信息传输速率比传统的多进制正交扩频系统提高了1倍[4]。

短波（1.6～30 MHz）通信是历史最为久远的无线电通信。短波通信设备简单、激动灵活、成本低廉，可用较小的发射功率直接进行远距离通信。与卫星通信及有线通信相比，短波通信的电离层不易受到人为的破坏。因此，美国把短波信道作为战略、战术的主干线和二级线路。短波通信有时，特别是在战争中是唯一的通信手段[5-9]。美军标MIL-STD-188-110B[10]是美国及北约军用短波电台广泛采用的调制解调器（Modem）标准。

文中首先给出了双多进制正交扩频通信系统模型，然后简单介绍了美军标MIL-STD-188-110B的串行低速波形，并对其提出了改进，提出了一种基于双多进制正交扩频技术的低速波形。并对这两种波形在AWGN信道下进行了仿真。

1 双多进制正交系统模型

双正交多进制正交扩频系统发送调制端结构如图1所示。信源输出的比特经编码及交织后通过串/并变换分为2路比特数据分别从同一个正交扩频码集中选出一个码序列，与二进制扰码相乘构成直扩序列。这样，一个扩频符号可以携带Mk比特的数据信息，较传统的多进制正交扩频系统数据速率增加了1倍。

图1 双多进制正交通信系统模型

文中选用沃尔什-哈达码（Walsh-Hadamard）矩阵作为正交扩频码集。码集中的任一个Walsh序列满足条件，其中，“*”表示向量的共轭转置，为Kronecker符号。经过调制后得到的双多进制正交扩频信号可以表示为：

2 MIL-STD-188-110B简介

MIL-STD-188-110B（简称MS110B）是美国国防部制定的关于定频短波通信的调制解调器的标准。其采用MPSK/QAM调制的串行波形在3 kHz信号带宽上实现从75～12 800 b/s的数据通信。其中，75 b/s串行波形采用直接序列扩频调制及1/2码率的卷积码，其波形结构如图2所示。

图2 MS 110B串行75 b/s波形结构示意

前导部分用于同步捕获与波形速率指示；未知数据部分用于传输未知数据，采用4×4的沃尔什-哈达码矩阵作为正交扩频序列集，每个沃尔什-哈达码序列重复8次作为一个扩频码片，再采用符号率为2 400 Hz的BPSK调制为发射信号。

3 改进波形

改进波形结构与MS 110B串行75 b/s波形结构相同。波形最前端为前导序列（其功能与结构同MS 110B），后面紧跟采用双正交多进制扩频的扩频序列。文中采用8×8的沃尔什-哈达码矩阵作为正交扩频序列集，其中，选取沃尔什-哈达码矩阵前4个序列作为I路的扩频序列集，另4个序列作为Q路的扩频序列集。每个扩频序列重复8次得到长度为64的扩频码片，符号率为2 400 Hz，则此波形传输的编码比特速率为 150 b/s，采用 1/2码率的卷积码时其信息比特速率为75 b/s。

4 仿真结果及结论

图3给出了信息比特速率为75 b/s时的改进波形与MS 110B波形在AWGN信道（白噪声信道）与短波ITU-R Poor信道（差信道）下的BER性能对比。其中，两种波形的卷积码均采用软译码；采用文献[11]中的软信息生成算法产生软比特；短波ITU-R Poor信道采用文献[12]中的方式生成。

由图3可知，在BER=10-4时，在AWGN信道下改进波形要比MS 110B性能提升3 dB以上；在CCIR Poor信道下改进波形也优于 MS 110B波形1 dB左右。

图3 改进波形与MS 110B的性能对比

5 结语

文中在阐述双正交多进制扩频系统技术基本原理及分析MS110B定频低速波形的基础上，提出一种基于双正交多进制扩频技术的短波低速数据改进波形。并将改进波形与 MS110B定频低速波形在 AWGN信道及短波衰落信道下对比仿真。仿真结果表明，改进波形相对于 MS110B波形性能有较大提升。因此，双正交多进制扩频是在短波通信系统中具有实用价值的技术。

文中仅对MS110B的75 b/s速率的波形提出了改进，更高速率（如 150 b/s、300 b/s、600 b/s等）的波形能否使用双正交多进制扩频技术进行性能提升有待研究。

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