超低頻通信系統接收技術及仿真分析

蓋明明　溫東　郗海龍　姜旭升

摘要：超低頻通信是大深度、遠距離通信的主要手段。系統性能尤其是接收性能如何對通信的可靠性有重要影響，本文通過結合超低頻通信系統和傳輸信道的特點，基于MATLAB軟件對直接序列擴頻技術和MSK調制、卷積碼編譯碼進行仿真，較好地模擬了超低頻通信系統，并在信道中存在高斯白噪聲的情況下對系統誤碼率性能進行仿真分析，驗證了直接序列擴頻、MSK調制和卷積碼編譯碼技術對超低頻通信系統性能的影響。

關鍵詞：超低頻通信 直接序列擴頻 MSK 卷積碼

中圖分類號：TN923 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）08-0029-02

與水下大深度航行的平臺進行通信，在世界范圍仍是個難題。目前，解決這個問題的方法是利用甚低頻和超低頻電磁波進行的無線電通信。該頻段具有一定的穿透海水的能力但由于輻射效率低，往往需要較大的發射系統和天線陣。當水下平臺運動時，由于受水下環境噪聲和平臺自身的噪聲影響，信號增益較低。因此，水下平臺接收長波信號的性能如何對信息的可靠性有十分重要的影響。本文首先論述了超低頻通信系統和信道的特點，而后，對超低頻通信系統技術進行分析；最后，對直接序列擴頻和MSK、卷積碼建模進行仿真。

1 超低頻通信系統和信道的特點[2]

（1）超低頻頻段內的噪聲主要是大氣噪聲和天線運動感應電磁噪聲，在海水中，超低頻電磁波能量按指數衰減（約0.3d B/m）傳播，由于各種背景噪聲混疊，大大降低了接收信號的信噪比。因而功率利用率高是超低頻通信信道在選擇編碼和調制方式時應重點考慮的方面。

（2）發射系統的功率龐大，極易出現發射機和天線高壓瞬變現象，為了避免此干擾現象發生，同時為避免系統尤其是發射系統信號受非線性影響，信號波形應具有連續且包絡恒定的特點。

（3）超長波信道使用比較專一，極少出現鄰道干擾的現象，傳輸比較穩定，可以采用相干解調的方式。

（4）由于超低頻頻段帶寬很窄，系統除了考慮功率利用率高的同時，還應考慮系統應包含更多的信息量，具有較好的頻帶利用率。

超低頻通信系統龐大，主要成本由發射系統決定。因而，提高接收機對超低頻信號的接收能力有重要意義，除降低外界嗓聲影響外，選擇性能優良的編碼調制技術尤為重要[2]。

2 超低頻通信系統技術分析

在研究超低頻接收信號功率極小的條件下可靠工作的接收機時，除應降低噪聲影響外，還應采用更合理的編碼調制技術，結合超低頻信道特點，目前該頻段選用的技術主要有直接序列擴頻技術、MSK調制、解調技術和卷積碼編譯碼。

2.1 直接序列擴頻技術

超低頻頻段內大氣噪聲、海洋噪聲很高，而超低頻信號輻射效率極低，加之水下平臺機動帶來的運動噪聲和運動感應電磁噪聲，因而接收機接收的信號信噪比非常低。在信道容量一定的情況下，信噪比越低，抗干擾能力越差，通信的可靠性越低。由香農公式C=B*log2（1+S/N）可知，信噪比和帶寬可以互換，也就是說可以通過增加信號帶寬來換取通信可靠性的提高。

擴展頻譜通信（Spread SpectrumCommuni—cation）簡稱為擴頻通信[3][4]。即采用在發端增加擴頻碼，使信號所占的頻寬遠遠大于實際所傳信息所需帶寬，在收端采用同樣的擴頻碼進行相關解擴從而恢復出所傳原始信息。在實際應用中，往往將直接序列擴頻技術運用到超低頻通信系統中，首先，直擴系統具有很高的處理增益，有較強的抗干擾能力。其次，直擴信號的功率譜密度低，具有隱蔽性和低截獲概率，從而抗截獲的能力強。第三，直擴偽隨機序列的偽隨機性和密鑰量具有保密性等優點。

2.2 MSK調制、解調技術

MSK是一種特殊的改良的二進制頻移鍵控（2FSK）信號，它具有調制數最小、相位保持連續等特點[5]。MSK信號功率譜的主瓣所占的頻帶寬相比于其他調制方式更小，且功率譜旁瓣的下降更為迅速，信號功率主要在主瓣內。同時，由于MSK信號相位保持連續有效的減少了激勵時產生的高壓瞬變等現象，因此，MSK信號比較適合在超低頻通信系統中使用。

2.3 卷積碼編譯碼

在卷積碼的編碼過程中，當前碼組中的個檢驗元不僅與本組的個信息元有關，而且還與該時刻以前輸入到編碼器的信息有關[1]，同樣譯碼過程也具有記憶性，所以卷積碼具有很強的糾錯能力。因此，在存在突發雷電噪聲背景下的超低頻通信中卷積碼的糾錯能力表現突出。

3 仿真模型建立

對超低頻通信系統性能進行蒙特卡洛仿真，如圖1所示，可見超長波通信系統由信源、編碼器和信道組成。

編碼調制方式由系統中的信道特性確定。本仿真過程采用載頻fc =30Hz，移頻△f=8Hz，碼元速率Rb=1比特/秒。每個碼元內設置采樣點數為4，偽隨機碼元個數為20。

（1）直接序列擴頻是在發送端直接利用高碼率的擴頻碼序列去擴展信號的頻譜，而在接收端，用相同的擴頻碼序列去進行相應的解擴，把已擴頻信號還原成原始信號。

如圖1所示，輸入端的信號在調制之前首先和本地的偽隨機碼序列模2加（也可以乘法），這樣低速率的數據就轉化成和偽隨機碼序列一樣的高速率數據，高速率數據在本文采用MSK進行調制，調制完成后，將所得數據通過發射機進行發送，在接收端通過接收機收到的數據，首先經過解調得到原始信號擴展編碼后的數據，再將此數據進行解調，解調輸出的信號再和與發端一樣的偽隨機序列模2加。由于同樣的序列模2加兩次，相當于沒變化。即可恢復為信源發送的原始二進制數據。

MSK解調普遍采用相干解調方式，接收端的信號分別與兩個頻率的載波進行相乘運算，將得到的信號經過低通濾波器后分別進行“0”和“1”對應的基帶信號，經過抽樣、比較判決，最后得到所需的信息[2][5]。

（3）采用（2，1，3）卷積碼編碼器，移位寄存器，編碼狀態數有種，設置狀態1至狀態4分別用表示，編程時若用十進制表示每種狀態，則可記為。

4 系統運行結果分析

當設置每個符號采樣點數為8，載波頻率為30赫茲時，生成MSK調制后的波形。利用MATLAB工具箱對超低頻通信系統進行仿真，得到圖2輸出端與接收端波形比較，經過比較可發現，超低頻信號經過直接序列擴頻、MSK調制解調及信道卷積碼編譯碼后基本能夠不失真的恢復出源信號。

將信號轉化成頻域進行觀察分析，如圖3所示，圖（d）、圖（e）顯示的載波頻率為30Hz，與實際系統相符。通過對比信號頻譜圖（a）與圖（g）可見，經過系統后，接收端恢復的信號與發端信號頻譜基本一致，再次驗證了系統的可靠性。

基于程序經過MATLAB仿真，通過更改仿真的信噪比，分別得到擴頻通信系統的誤碼率，據此可以繪制擴頻通信系統仿真的BER曲線，并與理論值作比較得到超低頻通信系統的BER性能，如圖4所示，圖4表明仿真實現與采用式得到的理論值趨勢一致、有較好的一致性。

5 結語

通過對MSK信號的調制解調及直擴原理的深入分析研究，在MATLAB仿真環境下，完成了超低頻通信系統的設計和仿真，并對系統中仿真結果進行分析和展示，驗證了直接序列擴頻、MSK調制和卷積碼編譯碼技術在超低頻接收系統中的抗干擾能力和可靠性。

參考文獻

[1]劉翠海，溫東，姜波，李詮娜.無線電通信系統仿真及軍事應用[M].國防工業出版社，2013.

[2]徐新生.超長波信號的接收與處理[M].軍事通信技術，1995.

[3]李江波，索麗敏，尚廷義.擴頻通信系統及MATLAB仿真[M].科技論壇，2009.

[4]曾一凡，李暉.擴頻通信原理[M].北京：機械工業出版社，2005.

[5]施意，張爽，張昕.大氣噪聲對甚低頻通信系統干擾仿真分析[M].通信技術，2013.