TCM-8PSK调制对跳频系统抗干扰能力的影响

刘家昊, 章小梅

(海军航空大学 青岛校区, 山东 青岛 266041)

无线通信在实际应用中存在各种干扰,为避免干扰所造成的误码影响,使用者通常采用纠错编码扩展信源符号集,通过增加冗余度从而降低误码率,但是这会导致信道带宽增加.而网格编码(TCM)技术将调制和编码过程相结合,可在不增加带宽与功率的情况下,提升误码性能,提高通信质量.近年来,网格编码技术发展迅速,与很多其他调制方法相结合形成了TCM-CPM技术、TCM-OFDM技术,并在常规通信领域外得到扩展与延伸,例如卫星通信领域和多用户检测领域.

1 网格编码调制的原理

TCM网格编码调制是由Ungerboeck在1982年提出的一种将信道编码与调制统一考虑的技术[1-3].它将kbit信息分为k1和k2两部分,其中k1bit被编码成nbit,k2bit未参与编码.通过分集映射将nbit对应的2n种组合对应于信号星座中2n个信号子集,编码所得nbit用来选择信号子集,未编码的k2bit选择各信号子集中2k2个信号点中的一个.TCM可以与mPSK或mQAM等多进制调制方式相结合,以TCM-8PSK调制方式为例,4状态(3,2,2)网格编码器结构图如图1所示.

图1TCM-8PSK原理框图
Fig.1BlockdiagramofTCM-8PSKprinciple

2 仿真模型建立

2.1 跳频系统仿真模型

当今电磁环境日趋复杂,各类军事训练任务中通信干扰力度也不断加大,且美、俄等国针对其所装备的坦克、战机、无人机等也进行了相关通信抗干扰研究[5-7].

本文结合某型对空超短波电台的实际组成结构,并依据其技术体制和所采用的关键技术,构建了与实际装备贴近的TCM-8PSK调制的跳频系统仿真模型,如图2所示.

图2 TCM-8PSK调制方式下的跳频系统仿真图Fig.2 Simulation diagram of frequency hopping system in TCM-8PSK modulation mode

跳频系统可分为6个模块,分别为信源、编译码、调制解调、跳频与解跳、信道和判决分析.其中信源模块选用Simulink中的Continuous-Time VCO模块来产生单一频率的正弦波模拟发端的音频信号,频率可设置为300～3 400 Hz之间的任意值;编译码模块使用PCM编译码方式;信道模块采用加性高斯白噪声AWGN信道模块来模拟接收机的内部噪声.下面对调制解调、跳频与解跳及判决分析3个模块进行详细说明.

1) 调制解调模块.在本次的仿真模型中调制解调模块采用的是TCM-8PSK模块.具体结构如图3所示.信源信号通过约束长度分别为1、3,码率为2/3的卷积编码器进入8移相键控调制器进行映射与调制,经过信道后进行解调与映射.本模块中使用Simulink模块库中Viterbi Decoder模块进行维特比软判决译码,由于该模块软判决译码时所需输入数据为0～7之间的整数, 故搭建Zixitong模块,此模块功能为转换信号使得Viterbi Decoder译码模块能正常识别.

图3 TCM-8PSK模块Fig.3 TCM-8PSK module

2) 跳频与解跳模块.由于m序列相关性较好、序列数目多等特点,因此,选择其作为跳频通信系统的载波信号,伪随机码由PN序列模块产生器来产生[8],信源信号经调制后与PN序列产生器所产生的伪随机码相乘完成跳频功能.解跳模块中直接使用跳频模块中所产生的跳频信号,再与接收信号相乘完成解跳功能.

3) 判决分析模块.在本仿真模型中,采用2种判决分析方法来比较跳频系统的抗干扰能力,分别是误码率分析和波形失真度分析.误码率是衡量数据在规定时间内数据传输精确性的指标,定义为传输中的错误码元数与所传输的总码元数的比,也有将误码率定义为用来衡量误码出现的频率[9].误码率分析可利用Simulink中的Error Rate Calculation模块搭建,仿真图如图4a所示,Display模块用于统计数据的显示.

图4判决分析模块
Fig.4Decisionanalysismodule
(a)—误码统计分析模块; (b)—失真度分析模块.

2.2 干扰仿真模型

对于跳频通信系统,主要存在以下2种干扰方式,干扰同步系统以及干扰通信信息,这里主要考虑干扰通信信息,以下述3种典型干扰方式为例.

西部矿业股份有限公司是在2000年12月发起设立，2007年7月在上海证券交易所挂牌上市的大型矿业上市公司，总部设在青海省西宁市。公司注册资本23.83亿元，在全国拥有30多家控股公司和子(分)公司，主要业务是矿产资源综合开发利用，主要有铜、铅、锌、铁等有色金属和黑色金属的采选、冶炼、贸易等，分为矿山、冶炼、贸易、金融四大经营板块。截至2017年底，公司总资产322亿元，净资产115亿元，营业收入278亿元。

1) 多音干扰.实施多音干扰的前提是干扰方提前知道跳频通信载波的一部分频点,将干扰的功率集中到这些已知的频率点上进行干扰.对于多音干扰信号的生成,利用多个Sine Wave(正弦波发生器)模块来实现,仿真模型如图5a所示[10].不同频率的信号通过相加器进行组合,就可以产生多音干扰信号.

2) 窄带干扰.窄带干扰信号指所占带宽远小于信号带宽的干扰信号[11],仿真模型见图5b.结合该电台的实际组成结构,设置模拟滤波器的通带边缘频率范围为108～150 MHz.

3) 跟踪干扰.跳频信号的跟踪干扰,是指干扰信号能“跟踪”跳频信号频率跳变的一种干扰方式[12].跟踪干扰要想达到理想的效果,必须满足2个条件:一是干扰信号与跳频载波频率的变化规律必须一致,二是干扰信号要在载波跳变到下一频点之前进入收信机.因此在建立跟踪式干扰仿真模型时,采用的频率合成器与跳频载波发生器中的一致.另外,由于电子设备对信号的分析和处理需要花费一定的时间,所以在频率合成器后面加入一个延时器,以模拟电子设备的处理时间.仿真模型见图5c.

图5 干扰模型Fig.5 Interference module(a)—多音干扰模型; (b)—窄带干扰模型; (c)—跟踪干扰模型.

3 仿真结果分析

3.1 3种干扰对TCM-8PSK系统的影响程度

为了分析3种干扰对TCM-8PSK系统的影响,在话音信号频率(300～3 400 Hz)范围内选取10个频率点,并在各干扰方式中选取一定强度的干扰变量,对未加干扰及加3种干扰情况下系统进行仿真,且输出满足失真度5%要求,仿真结果记录如表1～表4所示.

通过变换频率,可以看到随频率调整,TCM-8PSK系统误码率的大小与被传输信号的频率大致成线性关系,误码率随频率的增大而增大.不同干扰情况下该系统的误码率变化情况不同,这里使用相关系数法作为比较判断2个变量线性关系的方法,相关系数可以判定变量线性相关关系的强弱[13],如果是线性相关,当相关系数等于1时,说明变量之间的关系完全是线性关系,若相关系数等于0,表明变量之间无内在关系[14].可用式(1)表示.

表1 TCM-8PSK系统误码率数据Table 1 Error rate data of TCM-8PSK system

表2 窄带干扰(方差为1时)情况下系统误码率数据Table 2 System error rate data in the case of narrowband interference (when variance is 1)

表3 多音干扰(振幅为0.1时)情况下系统误码率数据Table 3 System error rate data in the case of multi-tone interference (when amplitude is 0.1)

表4 跟踪干扰(平均值为3时)情况下系统误码率数据Table 4 System error rate data in the case of tracking interference (when mean value is 3)

表5 跟踪干扰情况下系统误码率、幅值数据(t=0.000 01,平均值为3)Table 5 System error rate and magnitude data in the case of tracking interference (when the average value is 3, t=0.000 01)

表6 校正后跟踪干扰情况下系统误码率、幅值数据(t=0.000 01,平均值为3)Table 6 System error rate and magnitude data after correction in the case of tracking interference (when the average value is 3, t=0.000 01)

(1)

其中,Cov(X,Y)为X与Y的协方差,Var[X]为X的方差,Var[Y]为Y的方差.

分别将3种干扰情况与TCM-8PSK系统的误码率数据进行对比,可知窄带干扰、多音干扰、跟踪式干扰的误码率数据与TCM-8PSK系统的误码率数据相关系数分别为0.985 188 693、0.990 130 029、0.962 039 296,可知该系统受跟踪干扰影响最强,受窄带干扰影响次之,受多音干扰影响最弱.

3.2 幅频特性对TCM-8PSK系统抗干扰性能的影响

本文只考虑对系统影响最强的跟踪干扰.设置跟踪干扰的时延t为0.000 01,平均值为3.在话音信号频率(300～3 400 Hz)范围内选取22个频率点,且输出满足失真度5%要求,记录仿真结果.选取其中部分数据如表5所示.

系统幅频在两端频率处衰落过快,可在系统中增加一均衡模拟LC滤波器[15]对两端进行补偿,弥补幅频衰落.均衡模拟补偿电路如图6所示(原系统电阻为R0,电容C容抗为XC,电感L的感抗为XL),通过调整R1、R2、C与L的值得出系统电路的输出为

其中:VIN、VOUT分别代表校正前后信号波形振幅;F(z)代表所要设计的LC校正电路.

图6 LC校正电路Fig.6 LC correction circuit

校正后系统仿真结果记录见表6.

可得二者幅频特性曲线图,如图7所示.

图7 幅频特性曲线图Fig.7 Curve of amplitude-frequency characteristics

此时幅频特性得到一定修正,由于补偿区域仅为两端频率,分别计算补偿区域原系统与校正后系统误码率相关系数即可,400～700 Hz频段相关系数分别为0.790 580 741、0.949 772 153, 2 800～3 600 Hz频段相关系数分别为0.962 013 687、0.984 357 982.可知随着幅频特性的校正,系统误码性能较原系统有了一定改善.

4 结 语

在给定仿真条件下,通过改变输入端信源频率,得到未加干扰及加3种干扰情况下系统误码率数据,利用相关系数计算,分别得出窄带干扰、多音干扰、跟踪式干扰对TCM-8PSK系统误码率数据的相关系数,从而可知该系统受3种干扰的影响程度大小,即表明系统抗多音干扰能力最强,抗窄带干扰能力次之,抗跟踪干扰能力最弱;并通过分析系统幅频特性曲线,在跟踪干扰情况下,比较原系统与校正后系统的误码性能,可知随着幅频特性得到补偿,系统抗跟踪干扰性能有一定提高.