跳頻系統中基于偽隨機映射的快速交織器

劉 飛，萬佳君，李 峰

跳頻系統中基于偽隨機映射的快速交織器

劉 飛，萬佳君，李 峰

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

為解決偽隨機行列循環移位交織器在交織矩陣行數與列數不平衡時交織性能退化的問題，提出了一種基于偽隨機映射的快速交織器，在偽隨機循環移位之前對交織矩陣的行序進行映射置亂，從而改善交織的分散與混亂特性。數據分析與仿真結果表明，所提交織器在行列數不平衡時仍然具有較好的散亂特性，與隨機交織器相當，并實現簡單，支持快速交織與解交織操作，在使用Turbo碼的跳頻通信系統受到部分時段壓制干擾時，誤碼性能可達到隨機交織器水平，優于分組交織器和互質交織器等其他常規交織器，在40 %部分時段壓制干擾下10e-5誤碼率時，較偽隨機行列循環移位交織器能提升0.6 dB的抗干擾增益，適用于脈沖數與脈沖長度不平衡的跳頻系統。

跳頻通信；部分時段干擾；Turbo碼；交織器；行序偽隨機映射

0 引言

跳頻通信是一種高抗干擾、易多址接入的通信方式，廣泛應用于軍事與民用通信領域[1-2]。在部分頻帶、時段干擾或信道衰落情況下，跳頻通信的部分頻點或時段信道特性惡化，導致連續的突發錯誤，嚴重影響通信性能。信道交織能夠將連續的突發錯誤分散，結合信道編碼可以對連續突發錯誤進行糾錯[3-4]，是跳頻通信抗干擾的重要手段之一。

當前常規的交織器有分組交織器（Block Interleaver，BI）、偽隨機行列循環移位交織器（Pseudo-random Row-column Cyclic Shift Interleaver，PRCSI）、互質交織器（Relative Prime Interleaver，RPI）和隨機交織器（Random Interleaver，RI）[5-7]等，其中RI性能最好，但交織過程不易工程實現，且需要存儲大量的偽隨機數據。此外，國內外還對其他類型交織器進行研究，文獻[8-9]提出了基于線性同余的交織器設計方法，文獻[10-11]基于遺傳算法進行交織器的設計，文獻[12-13]根據混沌映射進行交織器的設計，文獻[14-17]分別設計出了基于算術映射、三維矩陣、序列和素數碼的交織器。上述非常規類型的交織器均具有較好性能，但設計方法較為復雜；而常規的交織器中，PRCSI具有近似RI的性能，交織操作簡單，需存儲的偽隨機數較少，易于工程實現，然而在交織矩陣行列數不平衡，即行數與列數相差較大時，其散亂性能退化，不利于跳頻通信對抗干擾。本文基于交織矩陣行序的偽隨機映射對PRCSI進行改進，提出了一種新的快速交織器方法（Fast Interleaver based on Pseudo-random Mapping， PMFI），既繼承了PRCSI易于實現、計算快速的優點，又解決了PRCSI在交織矩陣行列數不平衡時性能退化問題?

本文第1節描述了跳頻通信系統模型及PRCSI的性能退化問題；第2節提出了PMFI方案及實現步驟；PMFI的散亂性能、計算量分析與干擾條件下的跳頻通信系統性能仿真分別在第3節和第4節。

1 系統模型

1.1 跳頻通信系統模型

跳頻通信系統模型框圖如圖1所示，在發送端對數據進行信道編碼和信道交織后，再進行組幀和調制形成多個信號脈沖，各脈沖經跳頻模塊上變頻到不同的頻點依次發射到信道；在接收端經同步和解跳后依次收到多個脈沖信號，再經解調、拆幀、解交織和信道解碼獲得數據。

在信道中由于干擾和信道衰落的存在，跳頻通信信號容易發生連續突發錯誤。跳頻通信系統對抗這些錯誤的能力不但取決于信道編碼的糾檢錯能力，還主要取決于交織器的散亂特性。

圖1 跳頻通信系統模型框圖

1.2 PRCSI及存在問題

圖2 PRCSI的交織二維圖

2 PMFI方案

2.1 PMFI方案描述

PMFI主要對PRCSI的缺點進行改進，解決PRCSI在交織矩陣行列數不平衡時交織性能退化的問題。

圖3 PMFI的操作過程

2.2 PMFI方案實現

PMFI的解交織實現過程如下：

3 性能分析

3.1 分布特性分析

表1 PMFI、PRCSI和RI的計算量、所需時鐘數量與偽隨機數存儲量

3.2 計算速度與存儲量分析

在PMFI的實現中，所需的偽隨機數存儲量少，交織與解交織均僅包含寫入與讀取過程，不需要進行實際的循環移位操作，不涉及復雜的乘除運算，計算量小，計算速度快。PMFI、PRCSI和RI的計算量、所需時鐘數量與偽隨機數存儲量如表1所示，PMFI的計算速度與PRCSI相同，所需的偽隨機數存儲量比RI少。

4 數據仿真

4.1 二維圖特性

圖4 PRCSI和RI的交織二維圖對比

4.2 干擾條件下的誤碼性能

在常見的跳頻通信系統中，跳頻脈沖數一般小于各脈沖承載的數據符號長度。以脈沖數遠小于脈沖承載數據符號長度的跳頻系統為例，在部分時段全頻段壓制干擾條件下，對使用不同交織器跳頻系統的抗干擾能力進行仿真。系統具備干擾檢測與干擾刪除功能；調制方式使用BPSK；信道編碼采用碼率為1/3的Turbo碼；脈沖數為12，每個脈沖承載的編碼后數據符號長度為200；交織器分別采用PMFI、BI、RPI、PRCSI、RI；分別施加40 %和50 %時段的脈沖式全頻帶壓制干擾，干擾的頻次率為每幀信號12次，干擾起始位置隨機；每個信噪比條件下的仿真次數為20000次。

圖5 使用不同交織器的跳頻通信系統抗部分時段干擾性能對比

在受到40 %時段壓制干擾情況下，誤碼率性能仿真結果如圖5（a）所示；在受到50 %時段的全頻帶壓制干擾情況下，誤碼率性能仿真結果如圖5（b）所示。可以看出，使用PMFI時系統在干擾條件下的誤碼率性能可達到RI水平，普遍優于BI、RPI和PRCSI，在40%時段壓制干擾下10e-5誤碼率時，解調性能較PRCSI提升0.6 dB以上；在50 %時段壓制干擾下10e-5誤碼率時，解調性能較PRCSI提升1.2 dB以上。

5 結論

針對PRCSI的缺陷進行改進，提出了PMFI方案，具有散亂特性好、運算量小、計算速度快和存儲偽隨機數少等優點，解決了PRCSI在交織矩陣行數與列數不平衡時散亂特性退化問題，并且抗部分時段壓制干擾性能優良，可達到RI水平，優于BI、RPI和PRCSI等常規類型的交織器，在40%部分時段全頻帶壓制干擾下10e-5誤碼率時解調性能較PRCSI提升0.6 dB以上，適用于脈沖數與脈沖長度不平衡的跳頻系統。

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Fast Interleaver Based on Pseudo-Random Mapping in FH System

LIU Fei, WAN Jiajun, LI Feng

To overcome the problem of interleaving performance deterioration in the pseudo-random row-column cyclic shift interleaver with unbalance between the number of rows and columns of interleaving matrix, a fast interleaver based on pseudo-random mapping is proposed, in which the discreteness and chaotic is improved by scrambling the row number of interleaving matrix before pseudo-random row-column cyclic shifting. The simple implementation, fast calculation and the same excellent performance as the random interleaver of PMFI is shown in theoretical analysis and simulation results. In FH System used Turbo codes under the condition of partial-time noise jamming, PMFI outperforms the common interleaver such as block interleaver, relative prime interleaver et al on bit error rate performance, and improves the anti-jamming gain about 0.6 dB than PRCSI at BER of 10e-5 under the condition of 40% PTNJ. The proposed PMFI could be applied to FH system with unbalance between pulses number and pulse length.

FH Communication; PTNJ; Turbo Codes; Interleaver; Row Number Pseudo-Random Mapping

TN914.41

A

1674-7976-(2021)-03-199-06

2021-03-09。劉飛（1976.01-），吉林省吉林市人，碩士研究生，高級工程師，主要研究方向為跳頻通信。