一种基于前置解扩的短波3G-ALE 信号接收方案

叶永杰，位小记，肖乃稼

（1.中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江嘉兴，314033；2.嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴，314036）

0 引言

短波通信具有距离通信远，设备简单，抗摧毁性强、机动性高等特点，在军事、外交、航海等领域得到广泛应用。

自适应技术根据实时探测的结果，来自动完成设备参数的调整，以实现最佳通信效果[1]。伴随短波自适应通信技术的高速发展，许多新的通信协议标准被提出,其中以第三代自动链路建立(3G-ALE)技术为基础的第三代短波自适应通信，由于信道利用率高、链路建立速度快、网络容量大等特点，被广泛地应用在美军军用通信标准中[2]。

3G-ALE 采用呼叫信道与业务信道相分离的技术。它具体定义了5 种突发波形(BW0～BW4)用来实现系统的链路建立、信道探测、业务管理和数据传输。其中突发波形BW0专门用于数字通信链路的建立，突发波形BW1 用于完成业务管理、高速数据链路协议的拆链功能，突发波形BW2 用于高速数据的传输，突发波形BW3 用于低速数据的传输，突发波形BW4 用于低速数据链路协议的拆链。本文站在非合作通信接收的角度，针对突发波形BW0 进行分析与研究，提出了一种基于滑动FFT 的快速相关检测捕获技术、基于前置解扩的解调技术、Viterbi 译码算法的接收方案，有效地完成突发信号BW0 的接收。

1 信号模型

突发波形BW0 完成3G-ALE 链路的建立，传输链路建立过程中的信号。它包含了保护序列(TLC/AGC)、探测报头序列(PRE)和建链载荷数据序列(DATA)。

其中保护序列(TLC/AGC)用于通信接收端的自动增益控制，来保证探测序列输入时达到相应的平稳状态，该序列不需要复合伪随机序列，直接进行8PSK 调制；探测报头序列(PRE)用于实现信号的捕、波形识别与同步；建链载荷数据序列用于携带交互作业的协议比特信息，经过链路层的编码后，进行8PSK 调制。

突发波形BW0 产生的框图如图1 所示。

图1 突发波形BW0 产生框图

26 位的一串比特流数据构成完成的链路协议信息。协议中BW0 采用编码效率r=1/2、约束长度为m=7的(2,1,7)的卷积编码，携带的26 位协议信息经过卷积编码后输出52 位序列。突发波形BW0 采用4×13 的块交织编码，将信道造成的突发错误离散成随机错误，提高错误的检测纠正率。类似直接序列扩频，突发波形BW0 采用Walsh 正交扩频，降低通信对信噪比的要求，每4 位序列映射为一组64 符号的正交序列。Walsh 正交扩频调制器每取出4 位序列就映射为64 符号序列，经过扩频处理后，从块交织器输入的52 位序列映射为832 符号的扩频序列。采用256 符号长度的八进制伪随机扰码序列进行加扰。26 位链路协议信息经过链路层编码后变成832 符号的八进制载荷数据序列，按照协议标准其前后面分别添加相应的保护序列和探测报头序列，最后形成1472 个符号的BW0 序列，再进行8PSK调制发射出去。美军标MIL-STD-188-141B 中对编码器的结构、编码的方式及相应的固定序列均有明确规定[3]。

发射的突发波形BW0 信号可表示为：

其中fc为发射射频载波频率；b(t)为基带伪随机扰码信号；w(t)为基带正交扩频信号。

b(t)基带伪随机扰码信号表示为：

其中φ(t)表示为扰码序列映射的相位信息。

基带的正交扩频信号w(t)可表示为：

式中Wi(t−mNTb)是由4 比特信息Qi(m) 映射为64 符号长度的Walsh 正交扩频序列，N=64为正交扩频序列的符号长度，Tb为单位符号周期[4]。

理论上对突发波形BW0 信号进行相关解扩处理，获得的扩频处理增益为：

2 接收端关键技术

■2.1 检测捕获技术

根据突发波形BW0 特征的分析，它采用了伪随机序列作为保护序列(TLC)，而随机序列都具有尖锐的自相关特性。因此可以利用特征序列构建突发信号波形的模板，通过检测接收信号与本地模板的互相关特性实现BW0 的自动检测捕获。在实际信号接收中，考虑频差的影响，本文采用滑动FFT 相关算法完成信号的检测捕获[5]。

假设接收的信号为r(t)：

其中，fc表示接收端的载波频率，θ1表示接收端的载波相位,c(t)表示信息的码元序列，接收的信号为r(k)：

假设本地载波为fo，则本地序列表示为，用本地序列与接收共轭相乘得到：

∇f=fc-f0收发双方存在的频差，∇θ=θ1−θ0为固定相差。当本地序列与接收序列相同时即m=k，c(k)c*(m)=1时，对Z(k)做FFT 变换出现明显的单音谱峰，通过检测谱峰出现的起始时刻就可以完成信号检测与捕获。同时，通过谱峰位置计算可以完成的载频的粗估计。为了提高载频频率的估计精度，采用文献[6]中基于频谱内插的高精度载频估计算法完成载频的精估计。在实际信号接收中，为了提高信号检测的正确率，本文中采用恒虚警检测技术来消除固定判决门限对检测的影响。具体的基于滑动FFT 的检测捕获实现框图见图2。

图2 滑动FFT 相关检测捕获算法流程

根据接收到真实突发波形BW0 信号，利用滑动FFT 相关检测捕获算法完成突发波形特征的检测，当信号捕获后，有明显的相关峰。图3 为基于滑动FFT 的突发波形BW0 的检测捕获。

图3 基于滑动FFT 的突发波形BW0 检测捕获

■2.2 位同步方法

捕获到探测报头的初始位置，仅仅是完成定时的粗同步，可以判断出码元的初始位置，但无法精确地判断码元的最佳采样点位置，会造成后端的解扩解调模块无法有效工作。因此通过对粗同步点前后一个码元时宽的多个采样点(TR/Ts)进行滑动FFT 相关运算，获取相关峰最大值的时刻得到位同步的值，每次滑动的最小间隔为1/Ts，Ts为采样间隔，TR为码元周期。

■2.3 前置解扩式解调方法

3G-ALE 信息解调根据解扩处理的时机分为两类。一类是先进行8PSK 码元解调，再对信息码元做解扩处理，实现信息的恢复，称为后置解扩式解调算法[7]。这类方法由于先进行8PSK 信号码元解调，相当于对宽带扩频信号进行处理，无法充分利用解扩的处理增益。在低信噪比下环境中，3G-ALE 信号的信息解调正确率较低。另外一类算法是避开了信号码元解调，在基带信号上直接进行相关解扩，称为前置解扩式解调算法，这一类算法可获取扩频处理增益，因此能够有效地提高链路信息解调正确率。

根据3G-ALE 标准协议中已知的伪随机扰码序列，进行8PSK 调制生成基带的扰码信号 b(t)，对接收的基带信号r(t)做解扰处理如下：

式中τ表示同步误差。根据标准协议中已知的Walsh序列，8PSK 调制生成16 种对应的基带本地信号，然后对接收的64 符号长度的基带信号s(t)，做16 次相关运算，通过相关运值的大数判决完成相关解扩，从而完成链路信息的解调[8]。m次相关解扩处理得到的第i个相关值为：

式中U(t)为宽度NTB的矩形窗函数。

■2.4 截尾卷积码译码

Viterbi 译码是基于卷积网格图的最大似然译码算法，它分为硬判决和软判决两种，由于软判决的输入级数较高，故软判决的译码性能较高。为了提高系统误码性能，本文利用解扩得到的比特软值，采用有效的环绕Viterbi 译码算法完成译码[9]。环绕Viterbi 译码算法的核心就是采用迭代处理，以提高路径的判决依据，最终选择出首尾状态相同约束条件下具有最小的分子度量的路径[10]。解扩软比特值与环绕Viterbi 译码算法(WAVA)的结合体现在译码算法的分支度量计算方面。该算法不仅仅比硬判决的Viterbi 译码算法性能要好，而且还能有效克服了最大似然算法运算量大的缺点。具体的译码过程参考文献[11]。

3 接收方案的实现

对接收信号进行数字下变频，提取基带IQ 信号数据，首先利用TLC 序列构建本地特征波形，在FPGA 中采用基于滑动FFT 的相关检测技术，完成突发波形BW0 检测与捕获，同时完成信号载频高精度估计与位同步，并将同步后的IQ 基带打包送给后端的CPU 处理模块。在CPU 处理模块中，首先将3G-ALE 基带截获信号进行解扰码运算，采用基于前置解扩的解调算法获得比特值，在通过解交织和纠错译码等算法处理，实现将得到的比特值恢复为26bits 链路协议信息。具体实现的处理框图如图4 所示。

图4 突发波形BW0 的接收处理框图

4 结论

短波突发波形BW0 在3G-ALE 系统中用来实现链路的建立，对整个通信系统起着关键作用。本文从信号接收的角度出发，研究了3G-ALE 协议中BW0 信号模型，提出一种基于前置解扩的短波3G-ALE 信号接收方案。该接收方案采用了基于滑动FFT 快速相关检测捕获技术、前置解扩式解调技术、Viterbi 译码等技术。该算法实现简单，性能良好，在信号处理平台上完成了相关算法的实现，信号接收实验证明，当信噪比不低于-12dB 时，可以有效地完成突发波形BW0 的接收，恢复出协议数据单元。此外该方案对3G-ALE信号干扰效果的评估也有一定的参考价值。