超低频通信系统接收技术及仿真分析

盖明明　温东　郗海龙　姜旭升

摘要：超低频通信是大深度、远距离通信的主要手段。系统性能尤其是接收性能如何对通信的可靠性有重要影响，本文通过结合超低频通信系统和传输信道的特点，基于MATLAB软件对直接序列扩频技术和MSK调制、卷积码编译码进行仿真，较好地模拟了超低频通信系统，并在信道中存在高斯白噪声的情况下对系统误码率性能进行仿真分析，验证了直接序列扩频、MSK调制和卷积码编译码技术对超低频通信系统性能的影响。

关键词：超低频通信 直接序列扩频 MSK 卷积码

中图分类号：TN923 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）08-0029-02

与水下大深度航行的平台进行通信，在世界范围仍是个难题。目前，解决这个问题的方法是利用甚低频和超低频电磁波进行的无线电通信。该频段具有一定的穿透海水的能力但由于辐射效率低，往往需要较大的发射系统和天线阵。当水下平台运动时，由于受水下环境噪声和平台自身的噪声影响，信号增益较低。因此，水下平台接收长波信号的性能如何对信息的可靠性有十分重要的影响。本文首先论述了超低频通信系统和信道的特点，而后，对超低频通信系统技术进行分析；最后，对直接序列扩频和MSK、卷积码建模进行仿真。

1 超低频通信系统和信道的特点[2]

（1）超低频频段内的噪声主要是大气噪声和天线运动感应电磁噪声，在海水中，超低频电磁波能量按指数衰减（约0.3d B/m）传播，由于各种背景噪声混叠，大大降低了接收信号的信噪比。因而功率利用率高是超低频通信信道在选择编码和调制方式时应重点考虑的方面。

（2）发射系统的功率庞大，极易出现发射机和天线高压瞬变现象，为了避免此干扰现象发生，同时为避免系统尤其是发射系统信号受非线性影响，信号波形应具有连续且包络恒定的特点。

（3）超长波信道使用比较专一，极少出现邻道干扰的现象，传输比较稳定，可以采用相干解调的方式。

（4）由于超低频频段带宽很窄，系统除了考虑功率利用率高的同时，还应考虑系统应包含更多的信息量，具有较好的频带利用率。

超低频通信系统庞大，主要成本由发射系统决定。因而，提高接收机对超低频信号的接收能力有重要意义，除降低外界嗓声影响外，选择性能优良的编码调制技术尤为重要[2]。

2 超低频通信系统技术分析

在研究超低频接收信号功率极小的条件下可靠工作的接收机时，除应降低噪声影响外，还应采用更合理的编码调制技术，结合超低频信道特点，目前该频段选用的技术主要有直接序列扩频技术、MSK调制、解调技术和卷积码编译码。

2.1 直接序列扩频技术

超低频频段内大气噪声、海洋噪声很高，而超低频信号辐射效率极低，加之水下平台机动带来的运动噪声和运动感应电磁噪声，因而接收机接收的信号信噪比非常低。在信道容量一定的情况下，信噪比越低，抗干扰能力越差，通信的可靠性越低。由香农公式C=B*log2（1+S/N）可知，信噪比和带宽可以互换，也就是说可以通过增加信号带宽来换取通信可靠性的提高。

扩展频谱通信（Spread SpectrumCommuni—cation）简称为扩频通信[3][4]。即采用在发端增加扩频码，使信号所占的频宽远远大于实际所传信息所需带宽，在收端采用同样的扩频码进行相关解扩从而恢复出所传原始信息。在实际应用中，往往将直接序列扩频技术运用到超低频通信系统中，首先，直扩系统具有很高的处理增益，有较强的抗干扰能力。其次，直扩信号的功率谱密度低，具有隐蔽性和低截获概率，从而抗截获的能力强。第三，直扩伪随机序列的伪随机性和密钥量具有保密性等优点。

2.2 MSK调制、解调技术

MSK是一种特殊的改良的二进制频移键控（2FSK）信号，它具有调制数最小、相位保持连续等特点[5]。MSK信号功率谱的主瓣所占的频带宽相比于其他调制方式更小，且功率谱旁瓣的下降更为迅速，信号功率主要在主瓣内。同时，由于MSK信号相位保持连续有效的减少了激励时产生的高压瞬变等现象，因此，MSK信号比较适合在超低频通信系统中使用。

2.3 卷积码编译码

在卷积码的编码过程中，当前码组中的个检验元不仅与本组的个信息元有关，而且还与该时刻以前输入到编码器的信息有关[1]，同样译码过程也具有记忆性，所以卷积码具有很强的纠错能力。因此，在存在突发雷电噪声背景下的超低频通信中卷积码的纠错能力表现突出。

3 仿真模型建立

对超低频通信系统性能进行蒙特卡洛仿真，如图1所示，可见超长波通信系统由信源、编码器和信道组成。

编码调制方式由系统中的信道特性确定。本仿真过程采用载频fc =30Hz，移频△f=8Hz，码元速率Rb=1比特/秒。每个码元内设置采样点数为4，伪随机码元个数为20。

（1）直接序列扩频是在发送端直接利用高码率的扩频码序列去扩展信号的频谱，而在接收端，用相同的扩频码序列去进行相应的解扩，把已扩频信号还原成原始信号。

如图1所示，输入端的信号在调制之前首先和本地的伪随机码序列模2加（也可以乘法），这样低速率的数据就转化成和伪随机码序列一样的高速率数据，高速率数据在本文采用MSK进行调制，调制完成后，将所得数据通过发射机进行发送，在接收端通过接收机收到的数据，首先经过解调得到原始信号扩展编码后的数据，再将此数据进行解调，解调输出的信号再和与发端一样的伪随机序列模2加。由于同样的序列模2加两次，相当于没变化。即可恢复为信源发送的原始二进制数据。

MSK解调普遍采用相干解调方式，接收端的信号分别与两个频率的载波进行相乘运算，将得到的信号经过低通滤波器后分别进行“0”和“1”对应的基带信号，经过抽样、比较判决，最后得到所需的信息[2][5]。

（3）采用（2，1，3）卷积码编码器，移位寄存器，编码状态数有种，设置状态1至状态4分别用表示，编程时若用十进制表示每种状态，则可记为。

4 系统运行结果分析

当设置每个符号采样点数为8，载波频率为30赫兹时，生成MSK调制后的波形。利用MATLAB工具箱对超低频通信系统进行仿真，得到图2输出端与接收端波形比较，经过比较可发现，超低频信号经过直接序列扩频、MSK调制解调及信道卷积码编译码后基本能够不失真的恢复出源信号。

将信号转化成频域进行观察分析，如图3所示，图（d）、图（e）显示的载波频率为30Hz，与实际系统相符。通过对比信号频谱图（a）与图（g）可见，经过系统后，接收端恢复的信号与发端信号频谱基本一致，再次验证了系统的可靠性。

基于程序经过MATLAB仿真，通过更改仿真的信噪比，分别得到扩频通信系统的误码率，据此可以绘制扩频通信系统仿真的BER曲线，并与理论值作比较得到超低频通信系统的BER性能，如图4所示，图4表明仿真实现与采用式得到的理论值趋势一致、有较好的一致性。

5 结语

通过对MSK信号的调制解调及直扩原理的深入分析研究，在MATLAB仿真环境下，完成了超低频通信系统的设计和仿真，并对系统中仿真结果进行分析和展示，验证了直接序列扩频、MSK调制和卷积码编译码技术在超低频接收系统中的抗干扰能力和可靠性。

参考文献

[1]刘翠海，温东，姜波，李诠娜.无线电通信系统仿真及军事应用[M].国防工业出版社，2013.

[2]徐新生.超长波信号的接收与处理[M].军事通信技术，1995.

[3]李江波，索丽敏，尚廷义.扩频通信系统及MATLAB仿真[M].科技论坛，2009.

[4]曾一凡，李晖.扩频通信原理[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]施意，张爽，张昕.大气噪声对甚低频通信系统干扰仿真分析[M].通信技术，2013.