雙碼擴(kuò)頻技術(shù)研究及應(yīng)用探討

謝 玲

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都 610036）

1 前言

擴(kuò)頻通信是指在傳輸中通過調(diào)整偽隨機(jī)編碼（擴(kuò)頻序列）擴(kuò)頻傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)頻譜擴(kuò)展，同時接收機(jī)使用與加調(diào)一致的擴(kuò)頻碼進(jìn)行解調(diào)，從而恢復(fù)原始調(diào)制信息數(shù)據(jù)。

直接序列擴(kuò)頻（Direct Sequence，DS）、跳頻（Frequency Hopping，F(xiàn)H）和跳時（Time Hopping，TH）是擴(kuò)頻通信涵蓋的內(nèi)容。直接序列擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)（Direct Sequece Spread Spectrum，DS-SS）通常被稱為直接的或可擴(kuò)展的序列系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，發(fā)送的信息信號被用來復(fù)制高速的隨機(jī)定向，直接控制無線電信號的某一特定部分，以擴(kuò)大傳輸信號的帶寬。偽隨機(jī)序列用于頻譜的擴(kuò)展，這里稱為擴(kuò)展序列，是一種頻率擴(kuò)展技術(shù)。隨著社會的進(jìn)步與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是近20 年來，低概率截獲（Low Probability of Intercept，LPI）信號檢測研究取得的巨大進(jìn)展［1］，使得直接擴(kuò)頻的安全性和抗干擾能力越來越受到大家的關(guān)注。雖然跳頻系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)，但是帶寬的擴(kuò)大需要更大的帶寬，因此在跳躍時難以脫離，使得系統(tǒng)復(fù)雜化，使得網(wǎng)絡(luò)難以組織。因此，基于連續(xù)直接頻率的增益——雙碼的增益，重點(diǎn)介紹一種新的頻率增益方法，以改進(jìn)其抗干擾性，并加強(qiáng)其低頻和復(fù)雜系統(tǒng)中的信號，從而增強(qiáng)其對通信系統(tǒng)的抗截獲和抗偵收性能。

2 雙碼擴(kuò)頻技術(shù)介紹

雙碼擴(kuò)頻是在直接序列擴(kuò)頻的工作方式上，先后使用兩組不同的擴(kuò)頻碼。一般選用m 序列和Gold 序列。兩組擴(kuò)頻碼的碼字在長度上沒有要求，以形成新的擴(kuò)頻系統(tǒng)［2］。在此擴(kuò)頻系統(tǒng)中，信號增益是兩組序列碼信號增益的乘積，因此新的擴(kuò)頻系統(tǒng)可以增強(qiáng)新的擴(kuò)頻系統(tǒng)抗干擾的能力。

2.1 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的基礎(chǔ)

通過使用PSK 進(jìn)行調(diào)試，以驗(yàn)證雙碼擴(kuò)頻序列的增益。高頻通信系統(tǒng)通常會使用一種平衡的調(diào)制模式，節(jié)省發(fā)射能量，提高發(fā)射裝置的效率，限制載波的符號均衡，從而提高信號頻率增益。

直接序列擴(kuò)頻在調(diào)制初期要發(fā)送的數(shù)據(jù)信號以偽隨機(jī)碼波形相乘（或以偽隨機(jī)序列的形式）的形式出現(xiàn)，對載波進(jìn)行調(diào)制使用形成的復(fù)合碼，然后由天線發(fā)射。接收機(jī)末端需要生成局部參考偽隨機(jī)數(shù)與應(yīng)答機(jī)中偽隨機(jī)數(shù)同步進(jìn)行接收信號的處理。這種相對的處理過程常被稱為解擴(kuò)。調(diào)制后的信號被發(fā)送到接收機(jī)，以解調(diào)和恢復(fù)傳輸?shù)男畔?。單碼直接序列擴(kuò)頻原理，如圖1 所示。

2.2 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的擴(kuò)頻碼序列

擴(kuò)頻序列通常選擇m 序列和Gold 復(fù)合序列。m序列復(fù)合擴(kuò)頻碼由兩個擴(kuò)頻碼長度和時鐘速度相同的m 序列對組成。其中，首選的m 序列對是m序列集中的m 序列對，其互連函數(shù)的最大絕對值最接近或接近最小相關(guān)值。m 序列具有獨(dú)特的自聯(lián)屬性，但使用m 序列作為CDMA（多點(diǎn)）通信的郵遞區(qū)號時，主要問題是m序列具有首選的互連屬性，可供多站點(diǎn)使用的地址數(shù)量很少。Gold 序列結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，在工程中廣泛使用，具有強(qiáng)大的可探測性和保密性。

2.3 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的建立

m 序列和Gold 序列之間的有機(jī)結(jié)合是基于序列的直接頻率，再加上m 序列和Gold 序列的直接頻率系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合m 序列和Gold 序列的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了用于PSK 調(diào)制的雙碼擴(kuò)展系統(tǒng)的原理模型，如圖2 所示。使用MATLAB 在Simulink［3］平臺下創(chuàng)建仿真模型，實(shí)現(xiàn)了2PSK 調(diào)制和解調(diào)過程。下面分別在理想和不理想的通道中運(yùn)行系統(tǒng)，并將操作模擬結(jié)果輸入顯示器，以分析基于顯示結(jié)果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性能。

調(diào)制數(shù)據(jù)第一步通過m 序列擴(kuò)頻，m 序列長度為N，后通過長度為M的Gold 擴(kuò)頻碼相乘得以擴(kuò)展。經(jīng)過兩次擴(kuò)頻的擴(kuò)頻信號通過PSK 調(diào)制后形成調(diào)制信號。接收過程與此相反。

3 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的信號增益分析

3.1 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的信號增益

擴(kuò)頻信號增益Gp反映了接收裝置在經(jīng)過擴(kuò)大的接收裝置處理后進(jìn)入接收裝置的干擾信號量的增益，相當(dāng)于使用擴(kuò)張技術(shù)的系統(tǒng)與不使用擴(kuò)張技術(shù)的系統(tǒng)的性能之間的差額，并反映出其擴(kuò)展設(shè)備的噪音水平的增益。系統(tǒng)統(tǒng)信號的增量大小決定了系統(tǒng)對干擾的抵抗力。

雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)使用兩組擴(kuò)展，其信號增量值是兩個擴(kuò)展組（n和m，分別為兩個擴(kuò)展組）的總和，而單個系統(tǒng)的信號增量值僅為n。此外，使用兩個揚(yáng)聲器充分利用了兩個揚(yáng)聲器的功能，從而使整個通信系統(tǒng)能夠從傳統(tǒng)的增強(qiáng)系統(tǒng)獲得更多信號，提高了對雙碼擴(kuò)頻故障的抵抗力。

3.2 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的SystemView 模型

如圖3 所示，根據(jù)安裝雙碼帶擴(kuò)展系統(tǒng)的理論框架，開發(fā)了系統(tǒng)虛擬電路模型。

3.3 加入高斯噪聲的2PSK 相干解調(diào)

白噪聲噪聲是概率密度函數(shù)服從高斯分布（即法線分布）的一種噪聲。在理想信道調(diào)制解調(diào)的基礎(chǔ)上，將高斯噪聲添加到調(diào)制信號中，并將高斯噪聲發(fā)生器（Gaussian Noise Generator）添加到模擬噪聲源下的模型中。噪聲模型、參數(shù)和波形分別如圖4、圖5 和圖6 所示。

如圖6 所示，從上到下看，第1 條軌道是信道解調(diào)理想形狀，第2 條和第3 條軌道是增益高斯噪聲的典型形狀，可以通過調(diào)整計(jì)數(shù)差異1～1 000來改變噪聲強(qiáng)度。在比較理想的信道輸出波形形狀時，可以看到不同程度的變形，且畸變隨噪聲方差的變化而變化，方差越小。

建立一個頻率倍增系統(tǒng)和直接序列頻率增益系統(tǒng)的模型。先在設(shè)計(jì)區(qū)運(yùn)行系統(tǒng)模擬器，以實(shí)時顯示所收到的每一個周期的最終值，即每一個流程的加密率。進(jìn)入分析窗口，繪制編碼誤差率曲線使用接收計(jì)算器，使雙碼擴(kuò)展帶的抗擾能力與傳統(tǒng)的直接序列擴(kuò)展帶相比較。圖7 比較了雙碼擴(kuò)頻與直序擴(kuò)頻的BER-SNR仿真曲線。

模擬結(jié)果顯示，雙碼頻擴(kuò)頻產(chǎn)生的高增益改善了系統(tǒng)在錯誤情況下的性能。可見，雙碼PSK 的性能優(yōu)于同類突發(fā)事件中直接PSK 的性能。

4 雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的應(yīng)用

雙碼帶擴(kuò)展系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗干擾性。例如，在原有特定的一次擴(kuò)頻碼作為幀同步碼的基礎(chǔ)上，利用雙碼擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)幀同步算法提升幀頭的抗干擾性能［4］。另外，雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)對擴(kuò)展頻譜使用了兩組擴(kuò)展頻譜擴(kuò)頻碼，非常適合創(chuàng)建隱蔽信道。秘密通道具有兩個非常重要的特征：一是秘密通道具有良好的隱蔽性和抗攔截性能；二是秘密通道與傳統(tǒng)通道之間的同步。隱蔽信道被擴(kuò)頻了兩次。雙碼擴(kuò)頻方法是將低速隱蔽信道乘以傳統(tǒng)直接傳播系統(tǒng)的隱蔽信道。當(dāng)隱蔽信道第一次傳播時，傳播率和信息速率的組合是不同的，只有在對常規(guī)信道的傳播進(jìn)行解碼后才能獲得隱蔽信道。在通信過程中，它可用于發(fā)送特殊服務(wù)或更改傳統(tǒng)信道信號參數(shù)。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的擴(kuò)頻相比，雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速度和抗擾動能力更高。因此，本文概述了雙碼擴(kuò)頻系統(tǒng)的一些邏輯原則，探討了這些原則在進(jìn)一步深入研究的雙碼擴(kuò)頻技術(shù)方面的應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的理論分析和性能模擬。