跳频系统中基于伪随机映射的快速交织器

刘 飞，万佳君，李 峰

跳频系统中基于伪随机映射的快速交织器

刘 飞，万佳君，李 峰

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

为解决伪随机行列循环移位交织器在交织矩阵行数与列数不平衡时交织性能退化的问题，提出了一种基于伪随机映射的快速交织器，在伪随机循环移位之前对交织矩阵的行序进行映射置乱，从而改善交织的分散与混乱特性。数据分析与仿真结果表明，所提交织器在行列数不平衡时仍然具有较好的散乱特性，与随机交织器相当，并实现简单，支持快速交织与解交织操作，在使用Turbo码的跳频通信系统受到部分时段压制干扰时，误码性能可达到随机交织器水平，优于分组交织器和互质交织器等其他常规交织器，在40 %部分时段压制干扰下10e-5误码率时，较伪随机行列循环移位交织器能提升0.6 dB的抗干扰增益，适用于脉冲数与脉冲长度不平衡的跳频系统。

跳频通信；部分时段干扰；Turbo码；交织器；行序伪随机映射

0 引言

跳频通信是一种高抗干扰、易多址接入的通信方式，广泛应用于军事与民用通信领域[1-2]。在部分频带、时段干扰或信道衰落情况下，跳频通信的部分频点或时段信道特性恶化，导致连续的突发错误，严重影响通信性能。信道交织能够将连续的突发错误分散，结合信道编码可以对连续突发错误进行纠错[3-4]，是跳频通信抗干扰的重要手段之一。

当前常规的交织器有分组交织器（Block Interleaver，BI）、伪随机行列循环移位交织器（Pseudo-random Row-column Cyclic Shift Interleaver，PRCSI）、互质交织器（Relative Prime Interleaver，RPI）和随机交织器（Random Interleaver，RI）[5-7]等，其中RI性能最好，但交织过程不易工程实现，且需要存储大量的伪随机数据。此外，国内外还对其他类型交织器进行研究，文献[8-9]提出了基于线性同余的交织器设计方法，文献[10-11]基于遗传算法进行交织器的设计，文献[12-13]根据混沌映射进行交织器的设计，文献[14-17]分别设计出了基于算术映射、三维矩阵、序列和素数码的交织器。上述非常规类型的交织器均具有较好性能，但设计方法较为复杂；而常规的交织器中，PRCSI具有近似RI的性能，交织操作简单，需存储的伪随机数较少，易于工程实现，然而在交织矩阵行列数不平衡，即行数与列数相差较大时，其散乱性能退化，不利于跳频通信对抗干扰。本文基于交织矩阵行序的伪随机映射对PRCSI进行改进，提出了一种新的快速交织器方法（Fast Interleaver based on Pseudo-random Mapping， PMFI），既继承了PRCSI易于实现、计算快速的优点，又解决了PRCSI在交织矩阵行列数不平衡时性能退化问题｡

本文第1节描述了跳频通信系统模型及PRCSI的性能退化问题；第2节提出了PMFI方案及实现步骤；PMFI的散乱性能、计算量分析与干扰条件下的跳频通信系统性能仿真分别在第3节和第4节。

1 系统模型

1.1 跳频通信系统模型

跳频通信系统模型框图如图1所示，在发送端对数据进行信道编码和信道交织后，再进行组帧和调制形成多个信号脉冲，各脉冲经跳频模块上变频到不同的频点依次发射到信道；在接收端经同步和解跳后依次收到多个脉冲信号，再经解调、拆帧、解交织和信道解码获得数据。

在信道中由于干扰和信道衰落的存在，跳频通信信号容易发生连续突发错误。跳频通信系统对抗这些错误的能力不但取决于信道编码的纠检错能力，还主要取决于交织器的散乱特性。

图1 跳频通信系统模型框图

1.2 PRCSI及存在问题

图2 PRCSI的交织二维图

2 PMFI方案

2.1 PMFI方案描述

PMFI主要对PRCSI的缺点进行改进，解决PRCSI在交织矩阵行列数不平衡时交织性能退化的问题。

图3 PMFI的操作过程

2.2 PMFI方案实现

PMFI的解交织实现过程如下：

3 性能分析

3.1 分布特性分析

表1 PMFI、PRCSI和RI的计算量、所需时钟数量与伪随机数存储量

3.2 计算速度与存储量分析

在PMFI的实现中，所需的伪随机数存储量少，交织与解交织均仅包含写入与读取过程，不需要进行实际的循环移位操作，不涉及复杂的乘除运算，计算量小，计算速度快。PMFI、PRCSI和RI的计算量、所需时钟数量与伪随机数存储量如表1所示，PMFI的计算速度与PRCSI相同，所需的伪随机数存储量比RI少。

4 数据仿真

4.1 二维图特性

图4 PRCSI和RI的交织二维图对比

4.2 干扰条件下的误码性能

在常见的跳频通信系统中，跳频脉冲数一般小于各脉冲承载的数据符号长度。以脉冲数远小于脉冲承载数据符号长度的跳频系统为例，在部分时段全频段压制干扰条件下，对使用不同交织器跳频系统的抗干扰能力进行仿真。系统具备干扰检测与干扰删除功能；调制方式使用BPSK；信道编码采用码率为1/3的Turbo码；脉冲数为12，每个脉冲承载的编码后数据符号长度为200；交织器分别采用PMFI、BI、RPI、PRCSI、RI；分别施加40 %和50 %时段的脉冲式全频带压制干扰，干扰的频次率为每帧信号12次，干扰起始位置随机；每个信噪比条件下的仿真次数为20000次。

图5 使用不同交织器的跳频通信系统抗部分时段干扰性能对比

在受到40 %时段压制干扰情况下，误码率性能仿真结果如图5（a）所示；在受到50 %时段的全频带压制干扰情况下，误码率性能仿真结果如图5（b）所示。可以看出，使用PMFI时系统在干扰条件下的误码率性能可达到RI水平，普遍优于BI、RPI和PRCSI，在40%时段压制干扰下10e-5误码率时，解调性能较PRCSI提升0.6 dB以上；在50 %时段压制干扰下10e-5误码率时，解调性能较PRCSI提升1.2 dB以上。

5 结论

针对PRCSI的缺陷进行改进，提出了PMFI方案，具有散乱特性好、运算量小、计算速度快和存储伪随机数少等优点，解决了PRCSI在交织矩阵行数与列数不平衡时散乱特性退化问题，并且抗部分时段压制干扰性能优良，可达到RI水平，优于BI、RPI和PRCSI等常规类型的交织器，在40%部分时段全频带压制干扰下10e-5误码率时解调性能较PRCSI提升0.6 dB以上，适用于脉冲数与脉冲长度不平衡的跳频系统。

[1] 樊昌信，曹丽娜. 通信原理[M]. 6版. 北京：国防工业出版社，2006：244-249.

[2] 杨光，周经纶，罗鹏程. JTIDS数据链在部分频带干扰下的性能分析[J]. 国防科技大学学报，2010，32（1）：122-126.

[3] 杜洋，董彬虹，唐鹏，等. 一种新的部分频带噪声干扰模型下的FH/MFSK系统性能分析[J]. 电子与信息学报，2015，37（3）：721-726. doi: 10.11999/JEIT140708.

[4] 王新梅，肖国镇. 纠错码—原理与方法[M]. 修订版. 西安：西安电子科技大学出版社，2001：519-523.

[5] 牛玉峰，庄奕琪，李振荣，等. 交织编码对蓝牙抗干扰性能改善的研究[J]. 西安电子科技大学学报，2013，40（3）：109-114. doi:10.3969/j.issn.1001-2400.2013.3.016.

[6] PETAR P, LJUPCO K and ALEKSANDAR R. Design of flexible length S-random interleaver for turbo codes[J]. IEEE Commun Lett，2004，8（7）：461-463.

[7] 白宝明，马啸，王新梅. 随机交织器的设计与实现[J]. 通信学报，2000，21（6）：6-11.

[8] 罗智峰，王启新，丘水生. 基于线性同余的IDMA交织器设计及分析[J]. 电子学报，2010，38（2）：489-492.

[9] PENG Tao，YI Xiaoxin，XU Kun, et al. Linear congruential interleaves design for IDMA system[C]. Proceedings of 2011 IEEE 13th International Conference on Communication Technology. Jinan，2011：220-222.

[10] TAN Y，SUN H， ZHOU H B. Interleaver design method for turbo codes based on genetic algorithm[J]. Wuhan University Journal of Natural Sciences，2004，9（3）:323-326.

[11] 周建国，郝士琦，刘加林，等. 大气激光通信中基于遗传算法的交织器设计[J]. 中国激光，2013，40（6）：219-224.

[12] ESCRIBANO F J and TARABLE A. Interleaver design for parallel concatenated chaos-based coded modulations [J]. IEEE Commun Lett，2013，17（5）：834-837.

[13] 许兆，王珂，李卓，等. 基于T-Chaotic映射的保奇偶对称交织器设计[J]. 吉林大学学报工学版，2010， 40（1）：260-264.

[14] 刘东华，唐朝京. 算术映射交织器设计的改进[J]. 国防科技大学学报，2002，24（1）：49-53.

[15] 李小玮，韦岗. 基于三维矩阵的Turbo码交织器设计[J]. 电子与信息学报，2005，27（6）：888-891.

[16] 瞿俊杰，陈咏恩. 基于m序列的Turbo码交织器[J]. 同济大学学报：自然科学版，2004，32（1）：104-106.

[17] 卢继华，黄承飞，李祥明. 一种用于自适应跳频系统的新型交织方法[J]. 哈尔滨工业大学学报，2013，45（1）：118-123.

[18] GUAN Lei, LI Zan, HAO Benjian, et al. Cognitive frequency hopping sequences[J]. Chinese Journal of Electronics. 2016，25（1）：185-191.

Fast Interleaver Based on Pseudo-Random Mapping in FH System

LIU Fei, WAN Jiajun, LI Feng

To overcome the problem of interleaving performance deterioration in the pseudo-random row-column cyclic shift interleaver with unbalance between the number of rows and columns of interleaving matrix, a fast interleaver based on pseudo-random mapping is proposed, in which the discreteness and chaotic is improved by scrambling the row number of interleaving matrix before pseudo-random row-column cyclic shifting. The simple implementation, fast calculation and the same excellent performance as the random interleaver of PMFI is shown in theoretical analysis and simulation results. In FH System used Turbo codes under the condition of partial-time noise jamming, PMFI outperforms the common interleaver such as block interleaver, relative prime interleaver et al on bit error rate performance, and improves the anti-jamming gain about 0.6 dB than PRCSI at BER of 10e-5 under the condition of 40% PTNJ. The proposed PMFI could be applied to FH system with unbalance between pulses number and pulse length.

FH Communication; PTNJ; Turbo Codes; Interleaver; Row Number Pseudo-Random Mapping

TN914.41

A

1674-7976-(2021)-03-199-06

2021-03-09。刘飞（1976.01-），吉林省吉林市人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为跳频通信。