双码扩频技术研究及应用探讨

2020-12-16谢玲

电声技术 2020年7期

谢玲

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

1 前言

扩频通信是指在传输中通过调整伪随机编码（扩频序列）扩频传输的信息数据，以实现频谱扩展，同时接收机使用与加调一致的扩频码进行解调，从而恢复原始调制信息数据。

直接序列扩频（Direct Sequence，DS）、跳频（Frequency Hopping，FH）和跳时（Time Hopping，TH）是扩频通信涵盖的内容。直接序列扩展频谱系统（Direct Sequece Spread Spectrum，DS-SS）通常被称为直接的或可扩展的序列系统。在这种系统中，发送的信息信号被用来复制高速的随机定向，直接控制无线电信号的某一特定部分，以扩大传输信号的带宽。伪随机序列用于频谱的扩展，这里称为扩展序列，是一种频率扩展技术。随着社会的进步与科学技术的发展，特别是近20 年来，低概率截获（Low Probability of Intercept，LPI）信号检测研究取得的巨大进展［1］，使得直接扩频的安全性和抗干扰能力越来越受到大家的关注。虽然跳频系统的抗干扰能力强，但是带宽的扩大需要更大的带宽，因此在跳跃时难以脱离，使得系统复杂化，使得网络难以组织。因此，基于连续直接频率的增益——双码的增益，重点介绍一种新的频率增益方法，以改进其抗干扰性，并加强其低频和复杂系统中的信号，从而增强其对通信系统的抗截获和抗侦收性能。

2 双码扩频技术介绍

双码扩频是在直接序列扩频的工作方式上，先后使用两组不同的扩频码。一般选用m 序列和Gold 序列。两组扩频码的码字在长度上没有要求，以形成新的扩频系统［2］。在此扩频系统中，信号增益是两组序列码信号增益的乘积，因此新的扩频系统可以增强新的扩频系统抗干扰的能力。

2.1 双码扩频系统的基础

通过使用PSK 进行调试，以验证双码扩频序列的增益。高频通信系统通常会使用一种平衡的调制模式，节省发射能量，提高发射装置的效率，限制载波的符号均衡，从而提高信号频率增益。

直接序列扩频在调制初期要发送的数据信号以伪随机码波形相乘（或以伪随机序列的形式）的形式出现，对载波进行调制使用形成的复合码，然后由天线发射。接收机末端需要生成局部参考伪随机数与应答机中伪随机数同步进行接收信号的处理。这种相对的处理过程常被称为解扩。调制后的信号被发送到接收机，以解调和恢复传输的信息。单码直接序列扩频原理，如图1 所示。

2.2 双码扩频系统的扩频码序列

扩频序列通常选择m 序列和Gold 复合序列。m序列复合扩频码由两个扩频码长度和时钟速度相同的m 序列对组成。其中，首选的m 序列对是m序列集中的m 序列对，其互连函数的最大绝对值最接近或接近最小相关值。m 序列具有独特的自联属性，但使用m 序列作为CDMA（多点）通信的邮递区号时，主要问题是m序列具有首选的互连属性，可供多站点使用的地址数量很少。Gold 序列结构简单，易于操作，在工程中广泛使用，具有强大的可探测性和保密性。

2.3 双码扩频系统的建立

m 序列和Gold 序列之间的有机结合是基于序列的直接频率，再加上m 序列和Gold 序列的直接频率系统的优点。结合m 序列和Gold 序列的优势，设计了用于PSK 调制的双码扩展系统的原理模型，如图2 所示。使用MATLAB 在Simulink［3］平台下创建仿真模型，实现了2PSK 调制和解调过程。下面分别在理想和不理想的通道中运行系统，并将操作模拟结果输入显示器，以分析基于显示结果设计的系统性能。

调制数据第一步通过m 序列扩频，m 序列长度为N，后通过长度为M的Gold 扩频码相乘得以扩展。经过两次扩频的扩频信号通过PSK 调制后形成调制信号。接收过程与此相反。

3 双码扩频系统的信号增益分析

3.1 双码扩频系统的信号增益

扩频信号增益Gp反映了接收装置在经过扩大的接收装置处理后进入接收装置的干扰信号量的增益，相当于使用扩张技术的系统与不使用扩张技术的系统的性能之间的差额，并反映出其扩展设备的噪音水平的增益。系统统信号的增量大小决定了系统对干扰的抵抗力。

双码扩频系统使用两组扩展，其信号增量值是两个扩展组（n和m，分别为两个扩展组）的总和，而单个系统的信号增量值仅为n。此外，使用两个扬声器充分利用了两个扬声器的功能，从而使整个通信系统能够从传统的增强系统获得更多信号，提高了对双码扩频故障的抵抗力。

3.2 双码扩频系统的SystemView 模型

如图3 所示，根据安装双码带扩展系统的理论框架，开发了系统虚拟电路模型。

3.3 加入高斯噪声的2PSK 相干解调

白噪声噪声是概率密度函数服从高斯分布（即法线分布）的一种噪声。在理想信道调制解调的基础上，将高斯噪声添加到调制信号中，并将高斯噪声发生器（Gaussian Noise Generator）添加到模拟噪声源下的模型中。噪声模型、参数和波形分别如图4、图5 和图6 所示。

如图6 所示，从上到下看，第1 条轨道是信道解调理想形状，第2 条和第3 条轨道是增益高斯噪声的典型形状，可以通过调整计数差异1～1 000来改变噪声强度。在比较理想的信道输出波形形状时，可以看到不同程度的变形，且畸变随噪声方差的变化而变化，方差越小。

建立一个频率倍增系统和直接序列频率增益系统的模型。先在设计区运行系统模拟器，以实时显示所收到的每一个周期的最终值，即每一个流程的加密率。进入分析窗口，绘制编码误差率曲线使用接收计算器，使双码扩展带的抗扰能力与传统的直接序列扩展带相比较。图7 比较了双码扩频与直序扩频的BER-SNR仿真曲线。

模拟结果显示，双码频扩频产生的高增益改善了系统在错误情况下的性能。可见，双码PSK 的性能优于同类突发事件中直接PSK 的性能。

4 双码扩频系统的应用

双码带扩展系统具有更强的抗干扰性。例如，在原有特定的一次扩频码作为帧同步码的基础上，利用双码扩频技术实现帧同步算法提升帧头的抗干扰性能［4］。另外，双码扩频系统对扩展频谱使用了两组扩展频谱扩频码，非常适合创建隐蔽信道。秘密通道具有两个非常重要的特征：一是秘密通道具有良好的隐蔽性和抗拦截性能；二是秘密通道与传统通道之间的同步。隐蔽信道被扩频了两次。双码扩频方法是将低速隐蔽信道乘以传统直接传播系统的隐蔽信道。当隐蔽信道第一次传播时，传播率和信息速率的组合是不同的，只有在对常规信道的传播进行解码后才能获得隐蔽信道。在通信过程中，它可用于发送特殊服务或更改传统信道信号参数。