用于散射信道的多业务异步复分接技术

韩燕杰　毛晶晶　李斐

【摘  要】为扩大散射信道传输容量和提高其传输效率，在多种时钟业务传输过程中，可采用多业务异步复分接技术。根据极低速散射通信系统的特点，在进行业务复分接时为了改善帧同步，论文提出使用Turbo码帧同步算法，该算法不需要插入任何导频符号，利用信道码字特征和译码的迭代信息辅助系统完成帧同步，提高了系统的帧同步精度及传输效率。

【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.

【关键词】异步复接;极低速;Turbo;帧同步

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

【中图分类号】TN911.22                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）03-0176-02

1 引言

散射通信具有抗毁、抗扰、抗截获、机动性好、适应各种复杂地形等优点，在军事无线通信领域发挥着举足轻重的作用。为了扩大散射信道传输容量和提高其传输效率，我们可以先将多种时钟业务合并成一路较高速率的信号进行传输，再将接收到的信号分离成同步的各支路低速信号，这种合并分离技术就是多业务复分接技术。采用多业务复分接技术，还可以解決在传输过程中的时钟抖动问题。

由于散射信道是一种时变多径信道，具有传输损耗大、信道衰落严重等特点，严重影响了传输的可靠性。因此，在采用多业务复分接技术时，需要通过应用控制帧同步、优化编码、码速调整等方式来提高系统复分接的性能。在极低速散射通信中，由于信道的传输速率特别低，为了提高带宽利用率，我们不再采用在帧结构中加入导频序列这种传统的帧同步算法。本文提出在复接模块中加入Turbo编码，在分接模块加入Turbo译码模块的方案，利用信道码字特征和译码的迭代信息辅助实现帧同步，在一定程度上实现了扩频，缓解了调制解调的压力。Turbo码是一种逼近香农限的编码，一些长的有限几何Turbo码的误码性能离香农限只有零点几分贝。在低信噪比的情况下，使用Turbo码帧同步可以提高系统的帧同步精度。

2 复分接技术

在对流层中不断产生大气湍流，使温度、气压和湿度产生随机变化，引起大气折射系数的变化，使各处介电常数也随机变化，当电磁波进入这种折射系数和介电常数不断变化的区域继而产生了散射。对流层散射传播具有传输距离远，不受核爆炸、太阳黑子、电离层扰动、激活等自然现象的影响等优点，在军事通信领域中占据不可或缺的地位。

为了应对突发情况，保证在复杂的信道中实现少量的关键信息的传输，提出了极低率散射通信。在散射通信中，极低速率通信是指信道传输速率在1kbps及其以下的通信系统，在现阶段的发展中我们可以将600bps话音与400bps的数据进行复接。600bps的话音在误码率Pe=10-3时，可以满足话音可懂。采用这种复分接技术就可以恶劣的环境下，实现数据和话音信息的有效传输。

在无线通信领域，根据复接的各支路信号时钟关系可以分为同步复接、异步复接和准同步复接。其中，同步复接是被复接的各个支路信号在时钟上必须是同步的;异步复接是被复接的各个支路码流时钟不是同一钟源;准同步复接是被复接的各个支路码流时钟是由不同的钟源提供。这些钟源在一定的容差范围内为标称相等，准同步复接和异步复接统称为异步复接，异步复接和准同步复接都要经过码速调整和相位调整，使得各支路数字信号调整为同步信号，然后进行同步复接。

在将多路低速业务进行复接时，由于各业务时钟是各自产生的，即使其标称速率相同，其瞬间速率也可能不同，几个低次群同步复接后的码流会产生重叠或错位，这样复接合成后的数字码流在接收端无法分接恢复成原来的低次群。因此，业务异步复接时其重点在于码速调整和码速恢复。码速调整技术就是将速率不同的低次群，调整成与复接时钟完全同步的数字信号，以便由复接单元把各个低次群复接成一个数字码流，码速调整可分为正码速调整、正/负码速调整和正/0/负码速调整技术。码速恢复在接收端分接器先将二次群码流进行分接，分接后各个支路码流分别写入各自的缓冲区，为了去掉发送端插入的脉冲，首先要通过标志信号检出电路检出标志信号，然后通过写入脉冲扣除电路扣除标志信号，扣除了标志信号后的支路码流的顺序与原来码流的顺序一样，但在时间间隔上是不均匀的，中间有空隙，从长时间来看其平均时间间隔与原支路码流时钟相同。因此，在接收端要恢复原支路码流，必须从接收码流提取时钟，脉冲间隔均匀化的任务由锁相环完成。

在极低速散射通信中，由于话音和数据的钟源存在一定的偏差，因此，为异步复接技术。在实际工程经验中，采用锁相环技术将复接时钟同步于外部10MHz高稳时钟源，为复接提供高稳钟定时功能。一般我们可以通过以下方式提高复分接的性能：增大帧头长度，保证其在一定时间内不指示失步;增大其容错能力，在一定范围内纠正错误信息;保证平均帧同步保持时间远大于信道的衰落时间。在极低速散射通信中，不能一味通过增大帧头的长度的办法提高帧同步的精度，因此，在复分接中采用了Turbo这种高效的编码方式，既增大了其容错能力，同时，在复接的帧结构中不加入帧头，帧结构全部是有效信息，提高了其传输效率。

3 系统模型

结合极低速散射通信的特点，在复接的帧结构中没有帧头信息，因此，本文提出在复分接中采用Turbo码帧同步的方案，利用信道码字的特性和译码信息的迭代信息判断帧同步位置，从而增加分接鲁棒性。

复分接系统由复接器和分接器组成。复接器是由发定时、调整、复接和Turbo编码等模块组成，分接器是由同步、定时、分接、恢复单元和Turbo译码、Turbo同步模块组成。定时单元为整个系统提供统一的基准时间信号，我们可以采用高稳定度的外部时钟进行推动。分接器的定时单元只能由接收到的时钟来推动，借助同步单元的控制，产生分接设备所需要的各定时信号，这就使得分接器的基准时间和复接器的基准时间保持正确的相位关系。为了保证在散射通信中数据传输的可靠性，实现数据的正确接收，必须进行幀同步，使得接收端正确找到帧的起始和终止位置。

在传统的帧同步算法中，在帧结构中加入导频序列，其与接收到的数据进行相关运算，通过与设定的门限值进行比较，从而确定帧头起始位置。该算法在低信噪比下性能显著降低。在极低速散射通信中，为综合传输时延和系统性能，在复接模块中加入Turbo编码，在译码模块中加入Turbo码帧同步模块，利用信道编码码字的相关特征等实现帧同步。

4 Turbo码帧同步算法

为了同时满足降低算法复杂度和提高帧同步精度的需求，Turbo码帧同步算法使用Turbo译码的迭代信息确定帧同步位置。

Turbo编码器通过单输入双输出的循环递归卷积编码。在子编码器中加入交织器，最大限度地打乱原始数据的顺序，降低数据序列的相关性。交织器采用伪随机交织器，使得交织后的序列随机性尽可能大，提高系统的纠错能力。但随着编码长度增长，编码性能提升，需要的编码和译码时间更长，对系统的时延造成一定的损失。

使用码速率比较低的Turbo，在编码器中按照一定的规则删余矩阵，删除一定位数的校验位，从而获得更高码速Turbo，提高系统的使用率。本方案中采用了码速为1/3的Turbo，采用删余矩阵使其变成码速为1/2，将编码后的数据增加64bit的帧头。

解调后的数据，通过Turbo译码前数据与编码后加入的帧头卷积，通过硬判决，将相关系数与判决门限作比较，得到编码块帧头，提升了系统的同步性能。解交织是交织的逆过程。Turbo译码采用软输入软输出译码器，将接收到的原始数据和行译码的软输出数据作为列译码器的软输出，为节省资源，控制软输入软输出迭代译码循环次数，达到性能与资源的最佳配合。

5 结论

为了保证散射信道的传输多样性和传输容量，在系统中采用复分接技术，并对其中关键技术码速调整和帧同步做了详细的说明。同时，为了适应散射信道的极低速传输应用，采用了基于Turbo码的帧同步算法。该算法在复接帧结构中不使用帧头，提高了信道的传输效率。在Turbo编解码中通过加入交织器、解交织和软输入软输出帧译码等，提高了传统的复分接鲁棒性。

【参考文献】

【1】Lee D U，Kim H，Jones C R，et al.Pilotless Frame Synchronization for LDPC-Coded Transmission Systems[J].IEEE Transactions on Signal Processing，2008，56（7）：2865-2874.

【2】Shu Lin，Daniel J.Costello.差错控制编码[M].北京：机械工业出版社，2007.