基于双多进制正交扩频的短波ALE 波形研究*

2020-12-23杨恩蘋牛吉凌

通信技术 2020年10期

张亘，阳睿，杨恩蘋，牛吉凌

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川成都 610041）

0 引言

短波通信主要依靠电离层反射，传输特性受时间、空间以及环境等因素影响，可通频段狭窄。随着环境污染带来的影响，噪声和各类干扰愈发严重，可通链路的选取极为困难[1]。因此，为了提升短波的通信效率，提升短波通信吞吐量，对短波自动链路建立发展的需求更加迫切，同时对宽带通信能力提出了更高的要求[2]。

2017 年12 月，美国国防部发布了中高频无线电系统互通性能标准MIL-STD-188-141D[3]，提出了支持信号带宽自适应的ALE 机制，即通过在最大48 kHz 信号带宽接收，实现带内信道质量、干扰分析和实时传输带宽选择，构建满足多种信号带宽传输要求的带宽自适应ALE 机制。

本文首先给出了双多进制正交扩频系统模型和一种低复杂度的求解软信息的解扩算法，后简单介绍美军标MIL-STD-188-141D 的物理层ALE 标准波形，提出了一种基于双多进制正交扩频技术的改进波形，最后仿真分析了改进波形与标准波形的性能。

1 双多进制正交扩频原理

1.1 扩频与调制

在传统的多进制正交扩频调制中，信源输出的比特经信道编码和交织后按n比特一组，从一个正交扩频码集合（码片个数为M=2n）中选取一个码序列并与扰码序列相乘，结果作为直扩序列进行调制发送。它的其等效低通包络为：

其中，P为信号功率，W为正交Walsh 扩频码集合，rl为扩频码的扰码序列，gT(t)为码片波形。

为了提高数据传输速率，即将交织输出的比特按2n比特一组映射成I、Q 两路扩频码符号，并从两个不同的正交扩频码集合中分别选出对应的码序列，再经加扰后输出具有I、Q 两路的扩频码序列。该方式即为双多进制正交扩频[4-5]，原理如图1 所示。

图1 双多进制正交扩频调制流程

该系统输出的复包络等效低通形式可表示为：

其中，WI、WQ为两个正交Walsh 扩频码集合。通过扩频调制后，呈现的星座图与QPSK星座图一致。

相比传统的多进制正交扩频系统中一个扩频符号承载n比特的信息，双多进制正交扩频系统中一个相同长度的复扩频符号承载了2n个比特信息。在系统带宽不变的情况下，双多进制正交扩频具有更好的频谱效率，频带利用率提升了1 倍。

2.2 低复杂度的双多进制正交解扩与解调

通信系统中，常常采用软入软出的信道编码与扩频通信相结合的方式，解决硬判决解调导致编码性能增益有限的问题，同时大大提升通信系统的性能。

双多进制正交扩频系统中软信息的求解方法需要借鉴传统多进制正交扩频匹配相关的方法。同时，考虑到如果将I、Q 两路看作两个独立的多进制正交扩频调制进行软信息求解时，由于该复合信号的两路扩频信号已不再独立，会产生一定的性能损失，因而需要对两路信号进行联合检测相关与软信息计算。然而，联合求解将带来指数级（M2）的运算量增长。

因此，为了降低接收端解扩的运算量，本文考虑先分别计算I、Q 两路相关值，从中分别选取L个最大的相关值，然后联合两路检测计算L2个相关值。这样大大降低了联合检测的运算量，计算复杂度仅为L2+2M（L<

图2 低复杂度的双多进制正交解扩和软信息求解流程

软信息的具体计算方法如下：假设接收信号理想符号同步，令sI,k与sQ,k分别表示接收符号采样值yn与对应I、Q 两路正交扩频集的第k个扩频序列的相关值，即：

其中0 ≤k≤M-1，对上述相关值求模平方得到EI,k、EQ,k：

其次，从I、Q两路的EI,k、EQ,k中分别选出最大的L个对应的相关值sI,0,sI,1,…,sI,L-1和sQ,0,sQ,1,…,sQ,L-1，计算出联合检测的相关值的模平方，即：

软信息的求解方法采用最大后验概率的方法，即计算0、1 比特对应的最大似然概率，此时第k比特的软信息值为：

2 MIL-STD-188-141D 简介

MIL-STD-188-141D 为美国国防部制定的第四代短波自动链路建立（Automatic Link Establish，ALE）标准。该标准在附录G 中规定了ALE 波形的调制解调器标准，包括快速ALE 波形（下文简称“快速波形”）和稳健ALE 波形（下文简称“稳健波形”）。其中，快速波形用于高信噪比环境下的快速建链，而稳健波形用于恶劣环境下的稳健建链。ALE 波形用于在短波信道上传输固定大小协议的数据帧，支持信道质量评估、选择性呼叫、链路带宽协商以及数据与文本消息的传输等功能。

因此，ALE 波形的误码性能对于整个系统至关重要，对其误码率、误帧率的提升能够提升系统的通信效率，提升短波链路的可通率。

3 改进ALE 波形

MIL-STD-188-141D 规定的ALE 标准波形采用常规的串行单载波调制体制，快速波形采用BPSK的调制方式，稳健波形采用传统正交扩频调制。

改进的波形对信号采用双多进制正交扩频调制，接收端采用低复杂度的双多进制正交解扩和软信息求解方法。为了保证信源长度和传输时长不变，提高改进波形的信道编码码率。标准波形和改进波形的调制参数如表1 所示。

4 仿真分析

为了评估改进波形通信性能，对MIL-STD-188-141D标准波形与改进波形进行了计算机仿真。其中，编码采用卷积码，信道为AWGN 信道，采用理想同步与符号定时。统计波形的误码率和帧正确率（每帧传输正确率）性能，仿真结果如图3 和图4 所示。

表1 141D 标准波形和改进波形的调制参数

图3 141D 标准波形与改进波形的误码率

图4 141D 标准波形与改进波形的帧正确率

由图3可以看出，在AWGN信道下，改进的波形相比标准波形在误码率为10-4时提升约0.5dB。

由图4 可知，改进的稳健波形在-12 dB、-11 dB时将帧正确率由9%、55%分别提升到68%、96%，改进的快速波形在-2 dB、-1 dB 时将帧正确率由3%、37%分别提升到79%、92%。对于MIL-STD-188-141D 的ALE 波形，携带的是96 bit 固定长度的数据帧。接收端需要整帧无误码的解调，该有效载荷才能通过逻辑链路层协议的CRC 校验，进而上报正确信令消息。因而，帧正确率的提升会大大提升整个通信系统性能。

通过引入双多进制正交扩频调制，将标准波形的通信门限提升了1～2 dB，接收端采用低复杂度的解扩与解调算法，其复杂度和运算量相较于传统多进制正交扩频或PSK 调制并未显著提升。