張 亙，陽 睿，楊恩蘋，牛吉凌

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引言

短波通信主要依靠電離層反射，傳輸特性受時間、空間以及環(huán)境等因素影響，可通頻段狹窄。隨著環(huán)境污染帶來的影響，噪聲和各類干擾愈發(fā)嚴重，可通鏈路的選取極為困難[1]。因此，為了提升短波的通信效率，提升短波通信吞吐量，對短波自動鏈路建立發(fā)展的需求更加迫切，同時對寬帶通信能力提出了更高的要求[2]。

2017 年12 月，美國國防部發(fā)布了中高頻無線電系統(tǒng)互通性能標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-188-141D[3]，提出了支持信號帶寬自適應(yīng)的ALE 機制，即通過在最大48 kHz 信號帶寬接收，實現(xiàn)帶內(nèi)信道質(zhì)量、干擾分析和實時傳輸帶寬選擇，構(gòu)建滿足多種信號帶寬傳輸要求的帶寬自適應(yīng)ALE 機制。

本文首先給出了雙多進制正交擴頻系統(tǒng)模型和一種低復(fù)雜度的求解軟信息的解擴算法，后簡單介紹美軍標(biāo)MIL-STD-188-141D 的物理層ALE 標(biāo)準(zhǔn)波形，提出了一種基于雙多進制正交擴頻技術(shù)的改進波形，最后仿真分析了改進波形與標(biāo)準(zhǔn)波形的性能。

1 雙多進制正交擴頻原理

1.1 擴頻與調(diào)制

在傳統(tǒng)的多進制正交擴頻調(diào)制中，信源輸出的比特經(jīng)信道編碼和交織后按n比特一組，從一個正交擴頻碼集合（碼片個數(shù)為M=2n）中選取一個碼序列并與擾碼序列相乘，結(jié)果作為直擴序列進行調(diào)制發(fā)送。它的其等效低通包絡(luò)為：

其中，P為信號功率，W為正交Walsh 擴頻碼集合，rl為擴頻碼的擾碼序列，gT(t)為碼片波形。

為了提高數(shù)據(jù)傳輸速率，即將交織輸出的比特按2n比特一組映射成I、Q 兩路擴頻碼符號，并從兩個不同的正交擴頻碼集合中分別選出對應(yīng)的碼序列，再經(jīng)加擾后輸出具有I、Q 兩路的擴頻碼序列。該方式即為雙多進制正交擴頻[4-5]，原理如圖1 所示。

圖1 雙多進制正交擴頻調(diào)制流程

該系統(tǒng)輸出的復(fù)包絡(luò)等效低通形式可表示為：

其中，WI、WQ為兩個正交Walsh 擴頻碼集合。通過擴頻調(diào)制后，呈現(xiàn)的星座圖與QPSK星座圖一致。

相比傳統(tǒng)的多進制正交擴頻系統(tǒng)中一個擴頻符號承載n比特的信息，雙多進制正交擴頻系統(tǒng)中一個相同長度的復(fù)擴頻符號承載了2n個比特信息。在系統(tǒng)帶寬不變的情況下，雙多進制正交擴頻具有更好的頻譜效率，頻帶利用率提升了1 倍。

2.2 低復(fù)雜度的雙多進制正交解擴與解調(diào)

通信系統(tǒng)中，常常采用軟入軟出的信道編碼與擴頻通信相結(jié)合的方式，解決硬判決解調(diào)導(dǎo)致編碼性能增益有限的問題，同時大大提升通信系統(tǒng)的性能。

雙多進制正交擴頻系統(tǒng)中軟信息的求解方法需要借鑒傳統(tǒng)多進制正交擴頻匹配相關(guān)的方法。同時，考慮到如果將I、Q 兩路看作兩個獨立的多進制正交擴頻調(diào)制進行軟信息求解時，由于該復(fù)合信號的兩路擴頻信號已不再獨立，會產(chǎn)生一定的性能損失，因而需要對兩路信號進行聯(lián)合檢測相關(guān)與軟信息計算。然而，聯(lián)合求解將帶來指數(shù)級（M2）的運算量增長。

因此，為了降低接收端解擴的運算量，本文考慮先分別計算I、Q 兩路相關(guān)值，從中分別選取L個最大的相關(guān)值，然后聯(lián)合兩路檢測計算L2個相關(guān)值。這樣大大降低了聯(lián)合檢測的運算量，計算復(fù)雜度僅為L2+2M（L<

圖2 低復(fù)雜度的雙多進制正交解擴和軟信息求解流程

軟信息的具體計算方法如下：假設(shè)接收信號理想符號同步，令sI,k與sQ,k分別表示接收符號采樣值yn與對應(yīng)I、Q 兩路正交擴頻集的第k個擴頻序列的相關(guān)值，即：

其中0 ≤k≤M-1，對上述相關(guān)值求模平方得到EI,k、EQ,k：

其次，從I、Q兩路的EI,k、EQ,k中分別選出最大的L個對應(yīng)的相關(guān)值sI,0,sI,1,…,sI,L-1和sQ,0,sQ,1,…,sQ,L-1，計算出聯(lián)合檢測的相關(guān)值的模平方，即：

軟信息的求解方法采用最大后驗概率的方法，即計算0、1 比特對應(yīng)的最大似然概率，此時第k比特的軟信息值為：

2 MIL-STD-188-141D 簡介

MIL-STD-188-141D 為美國國防部制定的第四代短波自動鏈路建立（Automatic Link Establish，ALE）標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)在附錄G 中規(guī)定了ALE 波形的調(diào)制解調(diào)器標(biāo)準(zhǔn)，包括快速ALE 波形（下文簡稱“快速波形”）和穩(wěn)健ALE 波形（下文簡稱“穩(wěn)健波形”）。其中，快速波形用于高信噪比環(huán)境下的快速建鏈，而穩(wěn)健波形用于惡劣環(huán)境下的穩(wěn)健建鏈。ALE 波形用于在短波信道上傳輸固定大小協(xié)議的數(shù)據(jù)幀，支持信道質(zhì)量評估、選擇性呼叫、鏈路帶寬協(xié)商以及數(shù)據(jù)與文本消息的傳輸?shù)裙δ堋?/p>

因此，ALE 波形的誤碼性能對于整個系統(tǒng)至關(guān)重要，對其誤碼率、誤幀率的提升能夠提升系統(tǒng)的通信效率，提升短波鏈路的可通率。

3 改進ALE 波形

MIL-STD-188-141D 規(guī)定的ALE 標(biāo)準(zhǔn)波形采用常規(guī)的串行單載波調(diào)制體制，快速波形采用BPSK的調(diào)制方式，穩(wěn)健波形采用傳統(tǒng)正交擴頻調(diào)制。

改進的波形對信號采用雙多進制正交擴頻調(diào)制，接收端采用低復(fù)雜度的雙多進制正交解擴和軟信息求解方法。為了保證信源長度和傳輸時長不變，提高改進波形的信道編碼碼率。標(biāo)準(zhǔn)波形和改進波形的調(diào)制參數(shù)如表1 所示。

4 仿真分析

為了評估改進波形通信性能，對MIL-STD-188-141D標(biāo)準(zhǔn)波形與改進波形進行了計算機仿真。其中，編碼采用卷積碼，信道為AWGN 信道，采用理想同步與符號定時。統(tǒng)計波形的誤碼率和幀正確率（每幀傳輸正確率）性能，仿真結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

表1 141D 標(biāo)準(zhǔn)波形和改進波形的調(diào)制參數(shù)

圖3 141D 標(biāo)準(zhǔn)波形與改進波形的誤碼率

圖4 141D 標(biāo)準(zhǔn)波形與改進波形的幀正確率

由圖3可以看出，在AWGN信道下，改進的波形相比標(biāo)準(zhǔn)波形在誤碼率為10-4時提升約0.5dB。

由圖4 可知，改進的穩(wěn)健波形在-12 dB、-11 dB時將幀正確率由9%、55%分別提升到68%、96%，改進的快速波形在-2 dB、-1 dB 時將幀正確率由3%、37%分別提升到79%、92%。對于MIL-STD-188-141D 的ALE 波形，攜帶的是96 bit 固定長度的數(shù)據(jù)幀。接收端需要整幀無誤碼的解調(diào)，該有效載荷才能通過邏輯鏈路層協(xié)議的CRC 校驗，進而上報正確信令消息。因而，幀正確率的提升會大大提升整個通信系統(tǒng)性能。

通過引入雙多進制正交擴頻調(diào)制，將標(biāo)準(zhǔn)波形的通信門限提升了1～2 dB，接收端采用低復(fù)雜度的解擴與解調(diào)算法，其復(fù)雜度和運算量相較于傳統(tǒng)多進制正交擴頻或PSK 調(diào)制并未顯著提升。

5 結(jié)語

文中提出了基于雙多進制正交擴頻技術(shù)的改進ALE 波形。仿真結(jié)果表明，改進波形相對于標(biāo)準(zhǔn)波形通信門限有明顯提升，增強了系統(tǒng)的魯棒性，同時低復(fù)雜度的軟信息求解方法并未顯著增加接收端的復(fù)雜度和運算量。