結合RS糾錯編碼和Walsh變換的軟擴頻技術

唐大宇

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

結合RS糾錯編碼和Walsh變換的軟擴頻技術

唐大宇

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

為了解決實際工程中信號被干擾的問題,增強糾檢錯能力,并提高保密性,提出了一種結合了RS糾錯編碼和Walsh變換的軟擴頻技術。通過對RS糾錯編碼產生和利用Walsh函數與復合碼技術的Walsh變換方法的研究,以及和一般直擴頻的比較,利用Matlab仿真闡述了軟擴頻技術的優(yōu)勢,并介紹了這種軟擴頻技術在實際工程中的應用。

軟擴頻;RS糾錯編碼;Walsh變換;復合碼

1 引 言

擴頻技術在現代數據通信中有著廣泛的應用。擴頻一般分為直接序列擴頻和跳頻兩種,而軟擴頻是一種基于直接序列擴頻、結合編碼技術衍變而來的擴頻技術,因為其具有的高保密性和強抗干擾能力[1],被越來越多地應用在信號處理等實際工程中。

一般的直擴系統的實現是將信息碼與偽隨機碼進行模2加來獲得擴展后的序列,但是,軟擴頻是不一樣的,軟擴頻一般采用編碼的方法來完成頻譜的擴展,即用幾位信息碼元對應一條偽隨機碼。軟擴頻的實質是(N,k)編碼,是用序列長度為N的偽隨機序列與k比特的數據編碼一一對應,是從信息空間向偽隨機編碼空間的映射,兩個空間都是2k維的有限元空間,信息空間的元素與偽隨機碼空間的元素一一對應。與一般直擴系統不同,其擴頻增益比較小,且不為整數,偽隨機碼空間的2k個長為N的偽隨機碼是正交的,因此,軟擴頻又可稱為正交擴頻。

軟擴頻因為結合了編碼,所以軟擴頻的方法非常多,本文介紹一種結合了RS糾錯編碼[2]和Walsh變換[3]的軟擴頻技術。本文從 RS糾錯編碼和Walsh變換的基本原理出發(fā),深入分析其變換過程,并使用一種采用復合碼技術的改善Walsh變換,來提高這種軟擴頻技術的性能。

2 RS糾錯編碼

RS糾錯編碼是一類糾錯能力很強的多進制BCH碼,不但可以糾正隨機錯誤、突發(fā)錯誤以及二者的組合,而且可以用來構造其他碼類。在RS(n,k)碼中,輸入信號分為 k·m 比特一組,每組包括k個符號,每個符號由m比特組成。一個糾t個符號錯誤的 RS碼有如下參數:碼長(n符號或nm比特);信息段(k符號或km比特);監(jiān)督段(n-k=2t符號或m(n-k)比特);最小碼距(d=2t+1符號或m(2t+1)比特)。

域在RS編碼中起著重要的作用,每個符號都可以看成是域中的一個元素,RS編碼的運算都是定義在域中,域GF(2m)有 2m個符號,設 2m=q,GF(2m)=[0,α0,α1…αq-2],下面構建一個 m 為 4的伽羅華域;設m=4,本原多項式p(x)=x4+x+1,因為 α為p(x)的根,可以得到 α4+α+1=0,即α4=α+1,由此可得域中的元素如表1所示。

表1 伽羅華域Table 1 Galois Field

RS碼的生成多項式為

式中,αi為伽羅華域GF(2m)中的一個元素。假設一種RS(15,9)編碼,即輸入信號為 9位,每位4 bit,變換后為15位,糾錯能力為3位,生成多項式為

從二進制碼的角度來看,這是一個(60,36)碼,經過編碼后生成6位RS糾錯碼,和9位的輸入信號組合成一個15位的信號。編碼采用公式:

其中,G為生成矩陣,表示為

RS糾錯編碼由于采用了m進制,所以它是多進制調制時的自然和方便的編碼手段。因為RS碼能夠糾正t個m位二進制碼,所以適合在衰落信道使用,以克服突發(fā)性差錯。

3 Walsh變換

式中,sgn為符號函數,對于sgn[x],當 x>0時,值為+1,而當 x<0時,值為-1;k、j取值0或1是由序數k的二進制碼來決定,即:

3.1 普通的 Walsh變換

Walsh函數在通信中也稱為Walsh碼,它是美國數學家Walsh于1923年提出的一類完備的正交函數系,其最大的特點是每個函數僅取+1、-1兩個值,比較適合用來表達和處理數字信息[4],因而在信號處理、圖像處理、通信及計算機等眾多領域得到了廣泛的應用。

Walsh函數系一般可以分為3類,即Walsh序的Walsh函數系、Paley序的Walsh函數系和Hadamard序的Walsh函數系。這3類函數的區(qū)別在于它們各個函數出現的編號不同。這3種序的本質是一樣的,它們之間可以通過變換矩陣相互轉換。在此僅給出Walsh序的Walsh函數。所謂Walsh函數系是指下列函數系:

Walsh函數系的所有函數的周期都是1,并且函數的取值在單位區(qū)間[0,1)上均非零,因此稱Walsh函數系為全局函數。由上述定義可以得出Walsh函數前16個Walsh函數的值:

如果把其中的1取為1,-1取為0,則可以得到如表2所示的一種按順序排列的Walsh函數表。

表2 Walsh函數Table 2 Walsh Functions

在Walsh變換時,將m個信息比特作為一個調制符號,選用一個M(=2m)個正交碼中的一個進行變換,一個擴頻序列傳輸m比特信息,提高了傳輸效率。當擴頻增益相同時,Walsh碼變換系統帶寬只需傳統直接序列擴頻系統帶寬的1/m,特別適合帶寬有嚴格限制的環(huán)境。

通過Walsh變換,增加了信號的數據位長度,使得信號的抗噪性得到了提高,而且由于Walsh的相關性,使得變換后的信號具有一定的容錯能力。通過一個仿真,可以了解Walsh變換的作用。仿真采用MSK調制方式,一個4 bit的數據在信噪比為8 dB時,不能正確解碼,加入Walsh變換后,在有一定的錯碼存在的情況下可以通過相關來得到正確的原碼。假設原碼為1101,根據表2,得到變換后的碼為1010010101011010。

首先建立一個無軟擴頻的模型,如圖1所示,信噪比為8 dB。

圖1 無軟擴頻模型Fig.1 No-soft-spectrum-spreading model

圖2為無軟擴頻仿真結果,其中第一欄為原始數據,第二欄為調制后的信號,第三欄為解調后的數據。從圖中可以看出,在信噪比為8 dB的情況下,調制后的數據已經較差,在解調后無法得到正確的原始數據。

圖2 無擴頻的仿真結果Fig.2 Simulation result of no-soft-spectrum-spreading

再模擬工程應用來建立具有Walsh變換的仿真模型,信噪比依然為8 dB,16個相關器為Walsh中的16個擴頻碼,如圖3所示。

圖3 軟擴頻系統模型Fig.3 Soft spectrum spreading system model

圖4為軟擴頻仿真結果,其中第一欄為擴頻后的數據,第二欄為擴頻后數據的調制信號,第三欄為解調后的擴頻數據。可以看出,解出來的碼依然是有錯誤的,但這時還沒有進行相關處理。

圖4 軟擴頻數據的仿真結果Fig.4 Simulation result of soft spectrum spreading

將得到的解調數據與16個相關器進行相關和積分處理后,可以得到該數據與偽隨機碼101001010101 1010的相關性最高,但其中含有兩個錯碼,誤碼率為12.5%。圖5顯示了兩位錯碼的位置(其中第一欄為解調數據,第二欄為原始數據,兩根豎線標注的位置為錯碼位)。再通過反查Walsh表得到1010 0101 0101 1010對應的數為1101,與原始數據是完全相同的。

圖5 錯碼位Fig.5 Faulty code bit

通過仿真可以看出,加入Walsh變換后信號的抗噪性明顯增加了,根據公式

可以得出Walsh變換的擴頻增益為H dB。有了這H dB的增益后,信號的靈敏度可以得到很大的提高。

3.2 改善的 Walsh變換

由于信號的傳輸是非同步傳輸,在這種情況下Walsh碼的自相關函數和互相關函數均不理想,具有較大的旁瓣;而且,Walsh碼各碼序列的功率譜分布彼此不均勻相同,不能獨立承擔擴頻任務。這時需要構造一個相關特性較好的偽隨機碼(通常為m序列)來和Walsh碼進行復合(模2加),得到復合碼。復合碼既保持了Walsh碼的同步正交性,又大大改善了其相關函數的特性,減少了旁瓣,具有良好的非同步相關性。

偽隨機碼的相關性對擴頻系統性能的影響非常大。要使系統性能保持穩(wěn)定,選擇的偽隨機碼互相關性應該較好,因為m序列的周期性自相關函數最為理想,所以選擇m序列做為偽隨機序列。m序列偽隨機序列的發(fā)生器由N級移位寄存器作為主支路,用若干級模2加加法器和各級移位寄存器抽頭組成線性反饋支路。輸出的序列并非真正的隨機序列,而是一個周期為2N-1位的重復序列,其中 N表示生成這個序列的移位寄存器的長度。

在相同噪聲和相同擴頻增益的情況下,對使用了復合碼的Walsh變換和直接擴頻的誤碼比特率進行仿真,結果如圖6所示,可以看出在信號衰減較小時使用了復合碼的Walsh變換系統和直接擴頻系統的誤碼率相差不大,但在信號衰減較大時,使用了復合碼的Walsh變換系統比直接擴頻系統有更低的誤碼率。

圖6 誤碼比特率比較Fig.6 BER comparison

4 工程應用

在實際工程中,信號存在著各種干擾,而且在現代戰(zhàn)爭中,信號的保密性也是非常重要的。這種結合了RS糾錯編碼和Walsh變換的軟擴頻技術在實際工程中有著非常強的適用性。

在工程中信號首先經過RS糾錯編碼和Walsh變換,再進行MSK調制后送給信道發(fā)射;接收時先進行MSK解調,再進行Walsh反變換和RS糾檢錯并解碼,最終得到原信號。系統框圖如圖7所示。

圖7 系統框圖Fig.7 Block diagram of the system

在經過RS糾錯編碼后,信號的保密性得到了提高,根據RS的特性,可以在解碼時對一定的錯碼進行檢測和糾正。而Walsh變換更是提高了信號的抗干擾能力,使得信號更加可靠,這在實際工程中是非常有用的。

與普通的軟擴頻技術相比,這種方法不僅具有一般擴頻的保密性和抗干擾能力,而且有一定的糾錯能力。

5 結束語

本文通過對RS糾錯編碼和復合Walsh變換產生方法的研究,深入分析了兩種方法在工程應用中的優(yōu)勢,并和普通的直接擴頻進行了比較,發(fā)現信號通過RS糾錯編碼后增加了數據位的長度并可以對信號進行糾檢錯,而Walsh變換將每一位的比特長度進行了擴展,并通過與偽隨機碼復合后得到復合碼,信號在傳輸過程中經常被各種噪聲干擾,信號之間也存在著疊加,將這兩種技術結合而成的軟擴頻在正交性和糾錯方面都有良好的表現,對信號處理和分析有著很大的幫助,在實際工程中有很強的應用性。軟擴頻技術是近年來比較新的一種擴頻技術,其中可以延伸和擴展的地方很多,相信通過對編碼方法的研究,可以得到更好的軟擴頻方法。

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LIU Jian-feng,HUO Xiao-xin.A Novel Tamed Spread Spectrum System Based on RS Code and Its Simulation by Simulink[J].Information and Electronic Engineering,2007,5(6):441-443.(in Chinese)

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TONG Ying,ZHANG Jian.Research of Fast 2-D Walsh Transformation Based on GPU[J].Microel Ectronics&Computer,2011,28(1):46-49.(in Chinese)

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LI Si-wei,CHEN Hui-ping.Walsh Code SS CommunicationBased on Broadband Signal[J].Communications Technology,2000,109(4):75-79.(in Chinese)

TANG Da-yu was born in Chengdu,Sichuan Province,in 1978.He received the B.S.degree in 2001.He is now an engineer.His research concerns the digital signal processing for the secondary radar systems.

Email:iceshadowcn@163.com

Soft Spectrum Spreading Technique Combining RS Error-correction Coding and Walsh Transforming

TANGDa-yu
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

In order to solve signal interference in practical engineering and improve error-correction as well as encryption capability,a soft spectrum spreading technique combining RS error-correction coding and Walsh transform is proposed.Through RS error-correction codes generation,Walsh transform method research with help of Walsh function and composite coding,and comparison with conventional direct spectrum spreading,advantage of soft spectrum spreading technique is discussed based on Matlab simulation.Furthermore,practical engineering is also introduced.

soft spectrum spreading;RS error-correction coding;Walsh transform;complex code

TN914.4

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.022

1001-893X(2012)06-0943-05

2012-02-20;

2012-05-15

唐大宇(1978—),男,四川成都人,2001年獲學士學位,現為工程師,主要研究方向為二次雷達數字信號處理。