(1.92330部隊 青島 266102)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

潛艇高頻猝發(fā)通信技術(shù)研究及實現(xiàn)*

張永鑫1王杰英1李軍2

(1.92330部隊 青島 266102)(2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

在潛艇高頻通信中采用猝發(fā)通信技術(shù)和擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)相結(jié)合,可以有效抗干擾和抗截獲。首先提出了一種DS/QPSK高頻猝發(fā)通信系統(tǒng),然后對快速同步算法、頻差估計、自適應(yīng)均衡和卷積編譯碼等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。得出高頻猝發(fā)通信技術(shù)是潛艇對岸基隱蔽通信的一種重要手段。

猝發(fā)通信;擴(kuò)展頻譜;隱蔽通信

ClassNumberTN918

1 引言

潛艇具有非常好的隱蔽性,但是由于受自身裝備所限,潛艇在很長一段時期內(nèi)都是獨(dú)立作戰(zhàn),很難與其他兵力協(xié)同[1]。潛艇應(yīng)該是海軍通信網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn),衛(wèi)星通信系統(tǒng)的使用為潛艇對岸基隱蔽通信提供了一種主要的手段,但衛(wèi)星通信系統(tǒng)成本高和易摧毀。高頻猝發(fā)通信技術(shù)作為潛艇對岸基隱蔽通信的重要手段一直存在,它的使用可以減少潛艇因通信被截獲、測向和干擾的概率。

在高頻猝發(fā)通信中,由于信道的數(shù)據(jù)傳輸率本來就不高,如果單純采用縮短猝發(fā)通信時間這種方法來降低被偵測定位的概率的話,數(shù)據(jù)傳輸上就不能滿足要求[2～3]。因此有必要對猝發(fā)通信的數(shù)據(jù)傳輸速率和隱蔽性進(jìn)行研究,特別是采用猝發(fā)通信技術(shù)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合,能夠顯著提高通信系統(tǒng)的抗干擾和抗截獲能力。

2 高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)

潛艇高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)是將猝發(fā)通信技術(shù)和直接序列擴(kuò)頻技術(shù)相結(jié)合,降低被截獲的概率和縮短猝發(fā)通信信號暴露的時間,有效提高系統(tǒng)的抗干擾和抗截獲能力[4～5]。根據(jù)潛艇對岸基隱蔽通信系統(tǒng)的要求,并結(jié)合高頻信道傳播特性,設(shè)計了一種DS/QPSK高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)?？紤]幀同步位和糾錯編碼,該系統(tǒng)可在0.5s內(nèi)成功傳輸480bit的信息,信息傳輸速率為4800bps。

潛艇高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)發(fā)送端的數(shù)據(jù)流中插入約十幾個符號的同步頭,接收端以它作為輔助數(shù)據(jù)來實現(xiàn)信息位置的確定和載波恢復(fù)等。同時發(fā)送端在采用偽隨機(jī)序列對數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)頻,接收端使用自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)都比較好的正交M序列來完成碼元的同步,從而完成相關(guān)信息的解擴(kuò)。由于QPSK調(diào)制技術(shù)抗干擾能力強(qiáng),頻帶利用率高,實現(xiàn)較為容易,因此采用QPSK調(diào)制作為系統(tǒng)的信道調(diào)制方式。在發(fā)送每組有用數(shù)據(jù)之前,都要先發(fā)送約十幾個符號的同步頭,用來完成擴(kuò)頻碼的識別、位同步和幀同步等功能。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對信源信息進(jìn)行1/2卷積編碼,接收端采用Viterbi譯碼。系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。

圖1 高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)組成框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 快速同步算法設(shè)計

在短時猝發(fā)式擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中,為提高擴(kuò)頻增益,猝發(fā)信號被高速長擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻調(diào)制后,在極短時間內(nèi)以猝發(fā)形式被高速發(fā)送,對序列同步提出了更高的要求[2～3]。

系統(tǒng)采用Walsh碼加擾碼的方式來實現(xiàn)數(shù)據(jù)擴(kuò)頻,擾碼選用自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)都比較好的M序列,在非同步時的互相關(guān)和自相關(guān)性也優(yōu)于Walsh序列。接收端,將接收到的數(shù)據(jù)序列與發(fā)端擴(kuò)頻碼相同的本地序列進(jìn)行滑動相關(guān),由于擴(kuò)頻碼使用自相關(guān)和互相關(guān)函數(shù)都比較好的正交M序列,如果接收端沒有同步時,滑動相關(guān)輸出的峰值很小,當(dāng)接收端完全同步時,滑動相關(guān)輸出的相關(guān)峰值就比較大。相關(guān)器輸出的相關(guān)峰最大值所對應(yīng)的點(diǎn)即為同步點(diǎn),由于相關(guān)峰出現(xiàn)最大值的點(diǎn)與數(shù)據(jù)比特是一一對應(yīng)的,因此可以從相關(guān)峰值中獲得位同步脈沖信號。

在發(fā)送每幀數(shù)據(jù)前,都需要在數(shù)據(jù)前插入幀同步信息,用以完成數(shù)據(jù)的幀同步。幀同步碼組應(yīng)該具有尖銳單峰特性的局部自相關(guān)函數(shù),且尖銳單峰識別結(jié)構(gòu)較為簡單,容易實現(xiàn)。選用如圖2的信號幀模式。其中a為16個32位的正交M序列與16個相位排列的相乘,16個相位排列為(-3π/4,-π/4,3π/4,π/4)的組合。而b序列為a序列的反碼,最后由b序列實現(xiàn)數(shù)據(jù)的幀同步。進(jìn)行數(shù)據(jù)的幀同步時,對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索,如果搜索到b序列,就認(rèn)為數(shù)據(jù)達(dá)到幀同步,否則繼續(xù)進(jìn)行搜索。

圖2 信號的幀結(jié)構(gòu)

3.2 頻差估計技術(shù)

由于短波信道存在多普勒頻移和電波傳播的時延,而且系統(tǒng)本身也會產(chǎn)生頻率漂移,因此在收發(fā)端就會產(chǎn)生頻差。系統(tǒng)中存在頻率偏差會降低擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能,嚴(yán)重時將導(dǎo)致系統(tǒng)無法進(jìn)行相關(guān)解擴(kuò),直接影響信息的恢復(fù)。因此,在接收端必須進(jìn)行頻差估計。

當(dāng)接收系統(tǒng)捕獲到報頭之后,將接收序列與本地序列對應(yīng)依次相乘,并對其作相關(guān)FFT變換,這就相當(dāng)于在不同的頻點(diǎn)上對頻差進(jìn)行了不同的補(bǔ)償,其中對頻差補(bǔ)償最好的頻點(diǎn)得到的相關(guān)值應(yīng)該是最大的,所以該頻點(diǎn)應(yīng)在頻差處會出現(xiàn)明顯的譜峰。又由于信道中存在多普勒頻移、傳播時延和頻率漂移等影響,所以相關(guān)FFT頻譜中有可能出現(xiàn)比較高的副峰,干擾嚴(yán)重時甚至還會出現(xiàn)副峰高于主峰的情況。因此,在設(shè)計中采用的頻差估計基于滑動相關(guān)FFT和二次曲線擬合的方法來實現(xiàn),有效地排除多徑的干擾,消除可能出現(xiàn)比較高的副峰[6]。如圖3所示。

圖3 頻差估計組成框圖

3.3 自適應(yīng)均衡技術(shù)

短波信道具有多徑、衰落和時變特性,并且可用的實際信道的頻帶有限,使接收到的信號容易存在嚴(yán)重的碼間干擾(ISI),采用自適應(yīng)均衡器能夠很好的適應(yīng)變化的信道,消除碼間干擾[7～8]。由于短波突發(fā)通信的特點(diǎn)是信號發(fā)送時間較短,使用的訓(xùn)練序列也較短。在突發(fā)期間內(nèi),可以近似認(rèn)為信道特性不變或者慢變化,這就降低了均衡器對信道的跟蹤能力的要求。

在發(fā)送每幀數(shù)據(jù)前是內(nèi)容已知的幀同步碼組,用于初始化自適應(yīng)均衡器,保證在有用信息到來之前,自適應(yīng)均衡器能夠很好地收斂。同步之后的數(shù)據(jù)序列由8個數(shù)據(jù)幀組成,每個數(shù)據(jù)幀采用32個未知符號加16個已知符號的結(jié)構(gòu)。每幀中內(nèi)容已知的幀同步碼組可用于周期性的初始化自適應(yīng)均衡器,保證自適應(yīng)均衡器能夠更好地適應(yīng)變化的信道。如圖4所示。

圖4 傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

3.4 卷積編碼和Viterbi譯碼

系統(tǒng)中采用了其它通信系統(tǒng)常用的(2,1,7)卷積編碼,約束長度為N=7,生成多項式為(171,133)8。Viterbi譯碼器主要由分支度量模塊、加比選模塊、溢出控制模塊和幸存路徑存儲模塊等組成,其設(shè)計的組成框圖如圖5所示。Viterbi譯碼器接收到的正交兩路軟判決數(shù)據(jù),首先送入分支度量模塊中計算出各狀態(tài)所有分支度量,然后將結(jié)果送給后面的加比選模塊,對進(jìn)入每一個狀態(tài)的所有分支度量進(jìn)行計算,得出兩條輸入路徑的路徑度量后比較,選出幸存路徑的路徑度量值最大的保存在路徑度量存儲器中,并送出各狀態(tài)路徑轉(zhuǎn)移的信息給后面的幸存路徑存儲模塊,幸存路徑存儲模塊根據(jù)加比選模塊輸出的路徑轉(zhuǎn)移信息進(jìn)行回溯譯碼,并最終輸出譯碼結(jié)果[3,9～10]。

圖5 Viterbi譯碼器組成框圖

4 結(jié)語

通過對潛艇高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)技術(shù)的研究,特別是對快速同步算法設(shè)計、頻差估計技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)和卷積編譯碼等關(guān)鍵技術(shù)的分析,提出了采用猝發(fā)通信技術(shù)和擴(kuò)展頻譜通信技術(shù)相結(jié)合潛艇高頻猝發(fā)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以有效抗干擾、抗偵聽,抗截獲,若在惡劣干擾環(huán)境下通信,可提供安全可靠通信鏈路。一定程度上解決了潛艇戰(zhàn)略地位與隱蔽通信水平不對稱的矛盾,具有十分重要的意義。

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ResearchandRealizationofHigh-frequencyBurstingCommunicationsTechnologyforSubmarines

ZHANG Yongxin1WANG Jieying1LI Jun2

(1. No. 92330 Troops of PLA, Qingdao 266102)(2. No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

Bursting communication technique and extending spectrum are adopted in submarine high-frequency communication, in order to effectively realize anti-jamming and anti-interception. DS/QPSK high-frequency bursting communications system is proposed, and analysis on key-techniques like signal synchronization, frequency difference estimation, self-adaptable balancing and convolution and decoding are conducted. Hence, high-frequency bursting communication technology constitutes an indispensable part of submarine-to-shore secret communication.

burst signal, extending spectrum, secret communication

2013年11月5日,

:2013年12月25日

張永鑫,男,高級工程師,研究方向:無線通信。王杰英,男,高級工程師,研究方向:無線通信。李軍,男,助理工程師,研究方向:無線通信。

TN918DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.005