CN105978603A - 一种基于变长复合正交码的扩频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变长复合正交码的扩频系统，包括发射机和接收机，发射机至少包括编码扩频单元、调制单元，同步伪码单元；接收机至少包括解扩解调单元，同步伪码捕获跟踪单元，其中，编码扩频单元，用于将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到合路信号，并将合路信号发送给调制单元；调制单元将调制后的合路信号发送给所述接收机进行解扩。通过本发明的技术方案，确保扩频通信系统较强的抗干扰性、高传输速率以及较低的带宽资源占用率。

Description

一种基于变长复合正交码的扩频系统

技术领域

本发明涉及扩频通信系统，尤其涉及一种基于变长复合正交码的扩频系统。

背景技术

扩频通信是扩展频谱通信的简称，即，通过扩频调制，利用一个更高频率的伪随机码宽带信号扩展频谱，使之占用远远超过被传送信息所必需的最小带宽。扩频通信早期用于军用通信。扩频通信具有一系列独特的优点，这些优点是由于在传输信息时所用的带宽远大于信息本身所用的带宽。扩频通信特别适合于军用领域，具有低截获概率和抗干扰的特性。扩频通信能够有效地防止被敌方对抗装备侦察和干扰，可以在更恶劣的电磁环境下正常工作。80年代后，扩频通信逐渐从军用转移到民用，现已被广泛应用于通信、导航、测距、定位等技术领域。

一般的窄带通信系统和扩频通信系统的组成相比，其不同之处在于，发信端多了一个扩频调制和扩频码发生器，在收信端多了一个扩频解调和本地扩频码发生器。正是由于这点不同，决定了扩频通通信系统的传输带宽不再和信息带宽相关。因为扩频码发生器发出的是很窄的脉冲码元，该脉冲码元的宽度远小于信号码元的宽度。其中脉冲码元含有大量的谐波成分，所含带宽远大于信号带宽，经扩频调制后传输频带被大大扩展了，传输带宽不再由射频调制的调制信号的带宽即信息带宽决定，而是由发信机的扩频调制的扩频码(又称地址码)序列决定。

因此扩频技术具有以下特点：扩频信号是看起来如同噪声一样的伪随机信号；扩频信号带宽远大于被传输数据(信息)所必需的最小带宽；接收端本地伪码与接收信息的伪码基本一致。

由于扩频技术的上述3个特点，扩频通信系统具有以下特性：

1.抗干扰能力强，由于扩频信号的伪随机性，扩频通信系统具有强抗干扰性能。

(1)扩频通信将射频带宽大大展宽，要想对它实施有效干扰，干扰信号必然是宽带信号，因此分散了干扰信号的功率，难以干扰。

(2)宽带的扩频通信信号功率密度很低，湮没在噪声信号中难以识别。对于扩频通信系统自身，可以在较高的噪声背景和较低的信号功率密度下正常通信，即使被截获，在很宽的频带内将扩频信号检测出来也相当困难。

(3)一般的有意干扰和人为干扰都是窄带跟踪瞄准式干扰，对宽带扩频通信系统的干扰效果不大。

(4)由于在接收端对扩频伪随机码进行相关检测，即使采用同频的扩频信号进行干扰，由于不同码序列间的相关性，干扰也难以有效。

2.抗多径干扰能力强。信号的多径传输引起的信号干扰叫多径干扰，多径传输是由于电波碰到障碍物或地球曲率的反射形成的。多径干扰是通信系统里最头痛的问题之一，多径干扰会引起信号的衰落叫多径衰落，还会引起多卜勒时延和信号失真等不良后果。克服多径干扰的主要措施是分集接收，但分集接收设备复杂了，增加了成本。宽带的扩频通信系统里可以利用扩频码序列之间的相关特性用相关技术从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列波形在时间上相加合成，实现分集接收，从而大大地改善了多径干扰。

3.辐射功率密度小，对其它设备干扰少。由于扩频通信抗干扰能力强，在同样的通信距离下，扩频通信所要求的发射功率远小于普通的窄带通信系统，其单位面积的辐射功率密度就小，对其它设备的干扰自然就小。

4.相比于同样功能的窄带通信系统，扩频通信设备体积小、重量轻、价格低，使用灵活、维护管理方便。但是扩频通信也存在如下缺点：扩频通信系统虽然有以上优点，但也付出了占用频带宽的代价，也就是说在同样宽的频带内可通信的用户数量减少了，这对频率资源非常宝贵的无线通信来说是很大缺点。

5.扩频技术和码分多址技术结合使用，用不同的地址码型代表不同的用户地址，让许多用户共用同一宽频带，可以大大提高扩频通信系统的频带利用率。在接收端进行扩频伪随机码序列相关运算来解扩，可把不同码型不同地址的用户区分开来。因此具有码分多址的通信能力。

根据扩展频谱的方式不同，常用的扩频通信系统主要有以下3种：

1.直接序列扩频工作方式

直接序列扩频(Direct Spread Spectrum，DSS)就是直接用高速率的伪随机码(即很窄的脉冲码元)在发送端扩展频谱，接收端用一个和发送端相同的伪随机码副本进行解扩，解扩后的信号进行解调提取出原始的基带信息。伪随机码是模拟随机序列的随机特性而产生的一种码字，由于噪声具有完全的随机特性，因此伪随机码又叫伪噪声序列或伪噪声码(Pseudo Noise，PN码)。

直序扩频系统具有信号抗截获能力强、抗干扰能力强、多址能力强和抗多径效果好等特点，被广泛应用于军事和民用各个领域，但抗定频干扰的能力不如下面介绍的跳频扩频系统。

2.跳频扩频工作方式

跳频(Frequency Hopping，FH)是用伪随机码控制通信载波频率，也就是进行移频键控(Frequency Shift Keying，FSK)，使载波频率在不同频点上不断地跳变。扩频码发生器的跳变频率范围是几十至上千，扩频码发生器和信息码序列一起送到扩频调制，信息码序列和扩频码序列的不同的组合形成不同的码字，不同的码字控制频率合成器，使输出频谱在宽频带内选择的频率上随机的跳变，这就是跳频信号。在通信接收端，用和发送端完全一致的本地扩频码发生器控制本地频率合成器，其输出的跳频信号在混频器中与接收信号差频出中频信号，然后经中频滤波器和信息解调器提取出原始基带信号。

跳频扩频系统具有抗频率衰落、躲避干扰和组网容易等特点，被广泛应用于复杂电磁环境中。

3.跳时和混合扩频工作方式

除了直接序列扩频和跳频外，还有其他扩频方式,如跳时(Time Hopping，TH)和各种混合式扩频等。跳时是使发射信号在时间轴上跳变，将时间轴分成许多时片，在一帧内那个时片发生作用由扩频码序列控制。由于选择的时片是很窄的脉冲码元，信号的频谱也就扩展了。各种混合式扩频有FH/DS、DS/TH、DS/FH/TH等等。混合式扩频结构上要比单一扩频复杂些，但能获得单纯一种方法无法获得的优点。

上述现有常用几种扩频系统各有优缺点，存在的主要问题是：在获得抗干扰能力提高的同时，信号传输的带宽大大增加，增加的倍数从几十倍到上千倍。另外，民用CDMA的上行链路也采用多进制扩频技术，虽然节省频带占用，但其存在同步捕获时间长、需要反馈信息和电路实现复杂等问题，不适合军用抗干扰通信。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于变长复合正交码的扩频系统，具有电路设计简单以及较低的带宽资源占用率。

为了达到上述目的，如图1所示，本发明提供一种基于变长复合正交码的扩频系统，包括发射机和接收机，发射机至少包括编码扩频单元、调制单元，同步伪码单元；接收机至少包括解扩解调单元，同步伪码捕获跟踪单元，其中，编码扩频单元，用于将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到合路信号，并将合路信号发送给调制单元；调制单元将调制后的合路信号发送给所述接收机进行解扩。

优选地，将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加的步骤至少包括：将同步路伪码信号与伪随机码逻辑相乘得到第一复合码，第一复合码作为同步路伪码信号；将用于发送的数据编成2ⁿ组码，与伪随机码逻辑相乘得到第二复合码；通过4比特的数据信号作为地址来选通2ⁿ组码中的一路作为数据路信号输出；将第一复合码和第二复合码相加得到合路信号。

优选地，2ⁿ组码至少采用M序列组、gold码组或walsh码组。

优选地，当2ⁿ组码的码长等于或大于128时，伪随机码的长度与2ⁿ组码的码长相同，复合后的长度不变，代表1个符号。当2ⁿ组码的码长小于128时，伪随机码的长度为2ⁿ组码的码长的整数倍，复合后的长度为伪随机码的长度。

优选地，接收机还包括：射频信号接收单元、模拟下变频单元、同步伪码捕获跟踪单元和数字下变频单元，其中，数字下变频单元，用于将信号分成两路，第一路信号被输出到同步伪码捕获跟踪单元进行同步路伪码信号的捕获与跟踪，第二路信号被输出到解扩解调单元进行数据的解扩与解调；同步伪码捕获跟踪单元，用于为解扩解调单元提供同步路伪码信号。

优选地，同步伪码捕获跟踪单元，用于在每次采样时，将第一路信号与本地的伪码输入信号在匹配滤波器中进行一次相关运算，其输出经门限比较后的最大值为捕获成功获得的同步路伪码信号。优选地，同步路完成伪码的捕获后进入跟踪状态，输出一路同步脉冲信号，提供给数据路作为相关累加器的清零和累加输出脉冲信号。优选地，数据路有16路匹配滤波器，每一路存有1组本地的伪码；当下变频后的基带信号与该路存储的伪码信号一致时，该路的匹配滤波器将输出一个最大相关值。优选地，16路匹配滤波器的输出结果在一个比较器中同时进行比较，其中具有最大值的一路信号的输出数据进行16-4的译码，输出的数据是系统传输的信息数据流。

优选地，匹配滤波器至少包括累加器、锁存器、平方和电路和门限比较器；其中，累加器，用于以码片的半个周期为累积的步长对下变频后信号进行加、减运算，并将运算值输出给锁存器，累加器的输入由本地的伪码控制；门限比较器，用于将锁存器输出的值进行比较，当门限比较器检测出锁存器输出的值大于设定的门限时，表示已经获取相关峰信号，相关峰值直接被输入到最大值比较器；当锁存器输出的值小于门限时，表示没有获取相关峰信号，该路赋予0值输入到最大值比较器进行比较。

本发明还提供了一种基于变长复合正交码的扩频方法，将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到合路信号，并将合路信号发送给调制单元。其中，将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加的步骤至少包括：将同步路伪码信号与伪随机码逻辑相乘得到第一复合码，第一复合码作为同步路伪码信号；将用于发送的数据编成2n组码，与伪随机码逻辑相乘得到第二复合码；通过4比特的数据信号作为地址来选通2n组码中的一路作为数据路信号输出；将第一复合码和第二复合码相加得到合路信号。

优选地，当2n组码的码长等于或大于128时，伪随机码的长度与2n组码的码长相同，复合后的长度不变，代表1个符号；当2n组码的码长小于128时，伪随机码的长度为2n组码的码长的整数倍，复合后的长度为伪随机码的长度。

为了达到上述目的，本发明还提供了一种基于变长复合正交码的解扩方法，接收调制单元发送的调制的合路信号；合路信号是由同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到的；数字下变频单元将调制的合路信号分成两路，第一路信号被输出到同步伪码捕获跟踪单元进行同步路伪码信号的捕获与跟踪，第二路信号被输出到解扩解调单元进行数据的解扩与解调。

优选地，将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加的步骤至少包括：将同步路伪码信号与伪随机码逻辑相乘得到第一复合码，第一复合码作为同步路伪码信号；将用于发送的数据编成2n组码，与伪随机码逻辑相乘得到第二复合码；通过4比特的数据信号作为地址来选通2n组码中的一路作为数据路信号输出；将第一复合码和第二复合码相加得到合路信号。

优选地，数据路有16路匹配滤波器，每一路存有1组本地的伪码；当下变频后的基带信号与该路存储的伪码信号一致时，该路的匹配滤波器将输出一个最大相关值；16路匹配滤波器的输出结果在一个比较器中同时进行比较，其中具有最大值的一路信号的输出数据进行16-4的译码，输出的数据是系统传输的信息数据流。

附图说明

下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。

图1为本发明的编码扩频中I、Q两路QPSK调制信号格式；

图2为本发明的扩频通信系统原理图；

图3为本发明的扩频通信系统复合正交码的编码原理图；

图4为本发明的扩频通信系统伪码跟踪和数据解调原理图；

图5为本发明的扩频通信系统解扩原理图；

图6为实施例4中变长复合正交码的编码示意图；

图7为实施例5中变长复合正交码的编码示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的各种方式可以相互组合。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

现在将参考附图描述实现本发明各个实施例的移动终端。在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本发明的说明，其本身并没有特定的意义。因此，"模块"与"部件"可以混合地使用。

针对常用的几种扩频系统存在的主要问题，本发明提出了一种基于变长复合正交编码的扩频通信系统。该系统与现有扩频系统相比，除了具有抗干扰性能，还能有效地减小扩频通信信号传输带宽，同时其电路设计简单易于实现。本发明提出的基于变长复合正交编码的扩频系统，至少具有下列优点：

本发明的扩频通信系统主要采用变长复合正交码技术，并利用变长复合正交编码技术来设计相应的扩频抗干扰通信发射机和接收机。在实现反侦察抗干扰通信的同时，本发明的变长复合正交编码技术使通信信号带宽的资源占用减少到原来的1/4以下，解决了现有扩频通信系统在应用中存在的占用带宽资源过高的问题。尤其是在频带资源紧张的情况下，本发明的扩频通信系统可以确保扩频通信系统较强的抗干扰性和高传输速率。本发明的扩频通信系统的设计具备很大的灵活性，通过对同步路的不同利用，可在突发数据传输、高动态数据传输和测距定位等系统中得以应用。该扩频通信系统中数据的解扩解调采用了门限比较器和最大值比较器，以进行两级比较，因此避免误判以提高数据接收的可靠性。

实施例一

本发明提供的扩频通信系统主要采用编码扩频技术(也可称为编码扩谱技术)，和直接序列扩频通信系统相比，除具有与原有相同的隐蔽抗干扰性能外，还可节约4倍以上的带宽占用。基于此，本发明提供一种基于变长复合正交码的扩频系统，包括发射机和接收机，其特征在于，发射机至少包括编码扩频单元、调制单元，同步伪码单元；接收机至少包括解扩解调单元，同步伪码捕获跟踪单元，其中，编码扩频单元，用于将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到合路信号，并将合路信号发送给调制单元。

将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加的步骤至少包括：将同步路伪码信号与伪随机码逻辑相乘得到第一复合码，第一复合码作为同步路伪码信号；将用于发送的数据编成2ⁿ组码，与伪随机码逻辑相乘得到第二复合码；通过4比特的数据信号作为地址来选通2ⁿ组码中的一路作为数据路信号输出；将第一复合码和第二复合码相加得到合路信号。优选地，2ⁿ组码至少采用M序列组、gold码组或walsh码组。

当2ⁿ组码的码长等于或大于128时，伪随机码的长度与2ⁿ组码的码长相同，复合后的长度不变，代表1个符号。另外当2ⁿ组码的码长小于128时，伪随机码的长度为2ⁿ组码的码长的整数倍，复合后的长度为伪随机码的长度。

其中，接收机还包括：射频信号接收单元、模拟下变频单元、同步伪码捕获跟踪单元和数字下变频单元，其中，数字下变频单元，用于将信号分成两路，第一路信号被输出到同步伪码捕获跟踪单元进行同步路伪码信号的捕获与跟踪，第二路信号被输出到解扩解调单元进行数据的解扩与解调；同步伪码捕获跟踪单元，用于为解扩解调单元提供同步路伪码信号。同步伪码捕获跟踪单元用于在每次采样时，将第一路信号与本地的伪码输入信号在匹配滤波器中进行一次相关运算，其输出经门限比较后的最大值为捕获成功获得的同步路伪码信号。同步路完成伪码的捕获后进入跟踪状态，输出一路同步脉冲信号，提供给数据路作为相关累加器的清零和累加输出脉冲信号。数据路有16路匹配滤波器，每一路存有1组本地的伪码；当下变频后的基带信号与该路存储的伪码信号一致时，该路的匹配滤波器将输出一个最大相关值。该16路匹配滤波器的输出结果在一个比较器中同时进行比较，其中具有最大值的一路信号的输出数据进行16-4的译码，输出的数据是系统传输的信息数据流。

匹配滤波器至少包括累加器、锁存器、平方和电路和门限比较器；其中，累加器，用于以码片的半个周期为累积的步长对下变频后信号进行加、减运算，并将运算值输出给锁存器，累加器的输入由本地的伪码控制；门限比较器，用于将锁存器输出的值进行比较，当门限比较器检测出锁存器输出的值大于设定的门限时，表示已经获取相关峰信号，相关峰值直接被输入到最大值比较器；当锁存器输出的值小于门限时，表示没有获取相关峰信号，该路赋予0值输入到最大值比较器进行比较。

实施例二

根据附图1-3对本发明的变长复合正交编码的实现过程进行详细说明：

一、变长复合正交编码原理

变长复合正交编码扩频技术采用多进制实现扩频，即n比特的传输数据用2ⁿ组相互正交的码来映射。这2ⁿ组相互正交的码可选择互相关性好的M序列、gold码或walsh码。

其中，M序列码和gold码组之间是准正交码，互相关和自相关性较好，可以用作同步码来完成接收端中扩频码的捕获与跟踪，需要有2ⁿ个匹配滤波器，因此当码组数少时可以利用硬件实现，但是当码组数多时捕获与跟踪所耗费的硬件资源会指数级增长，同时算法复杂度也增加，实际系统的硬件实现非常困难。walsh码完全正交，同步时不同码互相关函数为零，但其自相关性不好，不适合作为同步码来进行接收端扩频码的捕获与跟踪，所以仅靠walsh码难以实现实际的通信系统。

本发明提出的变长复合正交编码扩频技术解决了以上编码存在的问题，现以M序列码组为例。如果每4比特欲传输的数据表示为1个符号，根据多进制的扩频需16组M码，码的长度取32位(变长复合正交编码要求的最小长度)，用w_j来表示1个码，j表示码号为0到31的整数，在实现时选取j为1到16的16个码。任一个码的任一码片表示为w_jn，n为0到31的整数，则任两个码的互相关可表示为：

式(1)为M码的相关特性，式(1)表示两路相同的扩频信号进行相关运算时，才有相关最大值，可用于解扩数据。M码和下面的伪随机码均为2进制，其乘法运算为逻辑与。

在变长复合正交编码扩频系统中，为了实现扩频码的快速捕获与跟踪，把w₀作为同步路(I路，也称同相路)，w_j(j为1到16)作为数据路(Q路，也称正交路)，两路分别乘以同一个32位(gold码或m序列加一位1)的伪随机码PN，则I路为PN×w₀复合码，Q路为PN×w_j复合码，I、Q两路信号相加后为合路信号。PN×w_i为本地码与合路信号进行相关运算，同步时相关输出为：

$\underset{n=0}{\overset{31}{\Σ}}PN\×w_{in}(PN\×w_{0n}+PN\×w_{jn})=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=0}{\overset{31}{\Σ}}{w}_{in}\×w_{jn},& i,j\≠0\\ 32,& i=0,j=1:16\end{array}\right.---\left(2\right)$

式(2)用到了式(1)中的结果，式(2)表示I路不影响Q路的解数。当本地伪码与I、Q路不同步时，其相关输出为：

式(3)说明Q路不影响I路扩频伪码的捕获与跟踪。

二、变长复合正交编码扩频通信系统的设计

1.变长复合正交编码扩频的传输带宽

变长复合正交编码扩频的正交路将欲传输的高速数据进行正交编码。仍以欲传输数据的速率为1Mbps，以4-16进制编码为例：将数据先进行1-4串/并转换，速率降低到25％，即为256Kbps，而4位数据为一个符号单元，有16种映射方式，每一种排列映射于一组正交码，共需要16组正交码，将每个时刻的正交码发射出去，就完成了正交路的数据与码的编码转换。经处理后扩频数据码率降为：

r′_c＝32×256kbps＝8MHz (5)

仍采用BPSK调制后信号传输带宽为16MHz，进行80％的限带后只需13MHz的带宽，采用现有的扩频遥测信道即可进行传输，但扩频解扩不能再用DSS的处理方法。因为通信传输的数据是无法预先知道的，每一时刻传输的是16组正交伪码中的一组，接收端无法同时对这16组码进行捕获与跟踪，必须采用以下新方法解决扩频信号的捕获与跟踪问题。

2.变长复合正交编码扩频伪码捕获与跟踪

本发明扩频通信系统的设计中采用了QPSK调制。I路为用于捕获与跟踪的同步码信号，Q路为变长复合正交编码扩频信号。I、Q两路信号的信号格式如图1所示，I路为128位(127位gold码后面补“1”)，一个同步伪码周期包含4个32位的数据符号伪码。在解扩与解调时，I路可采用DSS的方法进行伪码的捕获与跟踪。同步后Q路经过16路并行的相关累加器进行解调，然后把输出的正交码映射为源信息的4位数据。采用该设计方案的另一好处是增大了I路信号的扩频增益，因此提高了系统捕获概率和跟踪精度。

经过变长复合正交编码扩频和I、Q两路信号调制处理后，一方面实现了传输数据的降速和扩频，另一方面便于扩频信号的捕获与跟踪。但在传输实时图像数据时，接收端必须能够快速完成扩频信号的捕获与跟踪。采用变长复合正交编码技术后，每4比特代表为1个符号，I路信号的1个伪码周期包含4个Q路的符号伪码周期，即包含16比特的数据。在捕获过程中，若1个捕获相位为半个码片，那么128位的伪随机码需要256次相位滑动。如果采用一般常用的DSS序贯相关方法，则1次捕获所需的最大比特数为：

256×16＝4096(bits) (6)

根据前面的分析，1次捕获时间相当于4.096ms的时间。为提高可靠性，留出10倍的时间裕量即40.96ms。在实际应用中必须应用伪码的快速捕获技术，保证在几个毫秒的时间内完成伪码的捕获。

为实现快速捕获，利用匹配滤波器相关法代替序贯相关方法。匹配滤波器相关法的原理是：当输入信号是一个冲击量时会产生一个输出信号，该信号是滤波器所期望检测的输入信号在时间上的反转。换句话说匹配滤波器的传输函数要求是匹配信号的复共扼。当信号隐藏于噪声中，匹配滤波器使其输出信噪比最大。

根据匹配滤波器的特性，当伪码同步捕获后输出为最大，超过门限值时显示捕获成功。在硬件设计方案中，匹配滤波器是每次采样进行一次相关运算，当采样率为伪码速率的2倍时，所需捕获时间为序贯检测法的1/128，保证系统在1ms的时间内完成捕获。这种捕获方法的捕获速度快，减少初捕和再捕的时间，适用于实时和突发信息的传输。

综上所述，采用本发明的变长复合正交编码扩频技术能够有效地解决系统硬件实现难度和频带带宽占用的问题。例如，直序扩频的传输带宽计算方式如下：

如果欲传输数据的速率为1Mbps，采用32位伪码直序扩频后的数据速率为：

r_c＝32×1Mbps＝32MHz (4)

如果对扩频后的数据采用BPSK调制，调制后信号带宽为64MHz，即使进行80％的限带，也要占用50MHz的传输带宽。但是本发明的变长复合正交编码扩频技术采用BPSK调制后信号传输带宽16MHz。采用本发明的变长复合正交编码扩频技术能够有效地解决频带带宽占用高的技术问题。

实施例三

参照图2-图5，本发明详细说明基于变长复合正交码的发射机和接收机的硬件实现

在本发明的系统设计中，基于变长复合正交码扩频技术的抗干扰反侦察通信系统原理见附图2。图中水平虚线以上是发送部分，以下是接收部分。发送部分至少包括：相位调制与射频发射模块、同步伪码模块、多进制伪码表模块，和数据串并转换模块。发送部分完成传输数据的扩频、调制、上变频和射频发送等。接收部分至少包括：射频接收下变频模块、A/D模块、数字下变频模块、数据的解扩解调模块、伪码捕获跟踪模块，和数据串并转换模块。接收部分完成射频信号的下变频、A/D转换、数字下变频、解扩与解调等。垂直虚线左边表示变长复合正交码扩频的硬件实现，包括扩频和解扩、解调，右边表示系统其它部分。

本发明的系统中变长复合正交码的生成与硬件实现如图3所示。同步路信号w₀与PN码逻辑乘获得同步路复合码，数据路信号w_j与PN码逻辑乘获得数据路复合码。取4比特为1组进行编码，则j取1到16的整数，数据路通过16组正交复合码之一映射4比特的信息数据。把这16组正交码放在16组存储器中，4比特的数据信号作为地址来选通其中对应的一组正交码输出。同步路和数据路的信号相加后形成合路信号后进行调制，也可分别对正交载波进行调制后再相加，后者适合射频载波的恒包络传输。

接收部分的伪码跟踪和数据解调的原理如图4所示。中频信号经A/D变换后进行数字下变频，获取零中频的基带数据。基带数据信号分为I、Q路，I路完成码的捕获与跟踪，为Q路的数据信号解扩、解调提供同步信号。Q路输入到16组匹配滤波器，当接收的数据信息与16组匹配滤波器中的任一路一致时，该路输出与其它路输出相比具有明显的差别，为最大值。也就是说，数据的16路相关器同一时间只有一路相关器的输出为最大。经译码后可恢复出发送的4比特信息数据。系统接收部分的下变频、A/D转换和数字下变频可采用常规技术，同步路为实现快速捕获采用了匹配相关技术，匹配相关滤波器方法与DSS系统相同。

图5为系统的解扩、解调原理图。参照图5，本发明详细介绍变长复合正交码扩频的解扩、解调部分及其硬件实现。如图5所示，同步路完成伪码的捕获后进入跟踪状态，输出一路同步脉冲信号，提供给数据路作为相关累加器的清零和累加输出脉冲信号。数据路有16路匹配滤波器，每一路存有1组本地的伪码，当下变频后的基带信号与该路存储的伪码信号一致，该路的匹配滤波器将输出一个最大相关值。16路匹配滤波器的输出结果在一个比较器中同时进行比对，其中具有最大值的一路信号的输出数据进行16-4的译码，输出的数据就是系统传输的信息数据流。

系统的匹配滤波器包括累加器、锁存器、平方和电路，和门限比较器。累加器为有符号的加法器，以码片的半个周期为累积的步长对下变频后信号进行加、减运算。累加器符号端控制加、减运算，其输入由本地伪码控制。系统中定义伪码为逻辑1时加，为逻辑0时减。当输入信号与该路匹配滤波器预存码相同时，累加器的输出为正的或负的相关峰信号，该信号在累加器清零之前，由同步脉冲信号把上一周期的累加值数据输入锁存器锁存。平方和电路将累加值全部变为正值，以便后续的门限检测。当门限比较器检测出本路平方和的值大于设定的门限时，表示已经获取相关峰信号，相关峰值直接输入到最大值比较器。如本路平方和的值小于门限时，表示没有获取相关峰信号，该路赋予0值输入到最大值比较器进行比较。

实施例四

参照图6，进一步说明本发明系统的硬件实现：

根据由于M序列码和伪码长度的不同，本发明在系统硬件实现上存在一定的差异。当多进制数据扩频码较长时，如大于等于128时可采用实施例五来实现。差异主要表现在两路码的复合处理方式，如附图6所示。图中M序列码的长度和伪随机码两者相同，复合后长度不变，代表1个符号。由于这种方式的数据扩频码较长，M序列码也可用伪随机码来代替，这时原来正交复合码实际上仍为伪随机码。接收端每1个伪码可解出1个符号的信息。

实施例五

当多进制数据扩频码较短时，如小于128时可采用实施例二来实现，如图7所示。图中M序列码的长度是伪随机码的4倍(或其它整数倍)，复合后码的长度为伪随机码的长度，1个复合码可传输4个符号的数据。由于这种方式的数据扩频码较短，为保证正交性好可采用M序列码，这时正交复合码为伪随机码与4组M序列码的逻辑乘。接收端1个伪码可解出4个符号的数据。如果采用“4-16”编码，1个符号代表4比特，即1个伪码周期实际传输16比特的信息。

综上所述，本系统研制过程中，在理论、仿真和实践应用等方面进行了充分的分析和验证。与相同扩频增益的直接序列扩频系统相比，至少具有如下优势：抗干扰和反侦察性能、快速捕获性能、抗多径效应能力、占用带宽低。抗干扰和反侦察性能是扩频通信系统的主要优势所在，一般通过扩频增益来表示。根据仿真分析和实际测试，本发明设计的变长复合正交编码的扩频增益比直序扩频稍低，一般在0.5dB之内。信号带宽节省的倍数与编码效率有关，但受数据传输速率和频率资源的限制，编码效率如果太高则系统的设计和硬件实现变得更加复杂。编码进制、频带节省倍数和最短的扩频伪码长度的相互关系如表1所示：

编码进制	频带节省倍数	最短的扩频伪码长度
			4-16编码	4倍	32位
5-32编码	5倍	64位
			6-64编码	6倍	128位
7-128编码	7倍	256位
			8-256编码	8倍	512位

表1编码扩频后频带节省倍数的关系

表1中的编码进制表示的是编码效率，例如“4-16编码”表示4比特的欲传输数据用16组码来表示，最短的扩频伪码长度一栏中32位表示码的长度。在DSS中，若扩频伪码的长度为32位，表示1比特速率的数据用32位高速率的伪随机码进行扩展频谱，因此频谱带宽提高了32倍。而在变长复合正交编码扩频中，采用“4-16编码”，4比特的数据位数扩频后仍然为32位，因此传输频带带宽为原信息传输速率的8倍，即节省4倍的传输频带。

实施例六

一种基于变长复合正交编码的抗干扰发射机和接收机，主要包括：变长复合正交编码编码扩频单元、调制单元、模拟上变频和射频单元。其中，编码扩频单元将用于捕获与跟踪的同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加后进入调制单元调制，或者两路分别送入调制单元调制后再相加输出。

将由本地产生的同步信号与伪随机码PN逻辑相乘，变为复合码，作为同步路伪码信号。将待发送数据编成2ⁿ组码，与相同的伪随机码PN逻辑相乘，变为复合码，通过n比特的数据信号作为地址来选通2ⁿ组码中的一路作为数据路信号输出。其中，2n组码可以采用相互正交的M序列组、或gold码组或walsh码组。当所述2ⁿ组码的码长等于或大于128时，伪随机码PN的长度与2ⁿ组码的码长相同，复合后的长度不变，代表1个符号。当所述2ⁿ组码的码长小于128时，取伪随机码PN的长度为2ⁿ组码的码长的整数倍，复合后的长度为伪随机码PN的长度，一个复合码的长度可传输该整数个符号的数据。

一种基于变长复合正交编码的抗干扰反侦察通信接收机，包括：射频信号接收、模拟下变频、模数转换和数字下变频单元，还包括同步路伪码捕获与跟踪和数据路解扩与解调单元；从数字下变频单元来的信号分两路，一路送同步路伪码捕获与跟踪单元进行同步信号的捕获与跟踪，另一路送数据路解扩与解调单元进行接收数据的解扩与解调；同步路伪码捕获与跟踪单元为数据路解扩与解调单元提供同步信号。

同步信号的捕获采用匹配相关法：在每次采样时，由数字下变频单元送来的信号与本地的伪码输入信号在匹配滤波器中进行一次相关运算，其输出经门限比较后的最大值为捕获成功获得的同步信号。

同步路完成伪码的捕获后进入跟踪状态，输出一路同步脉冲信号，提供给数据路作为相关累加器的清零和累加输出脉冲信号。数据路有16路匹配滤波器，每一路存有1组本地的伪码，当下变频后的基带信号与该路存储的伪码信号一致，改路的匹配滤波器将输出一个最大相关值。16路匹配滤波器的输出结果在一个比较器中同时进行比对，其中具有最大值的一路信号的输出数据进行16-4的译码，输出的数据就是系统传输的信息数据流。

匹配滤波器包括累加器、锁存器、平方和电路和门限比较器。累加器为有符号的加法器，以码片的半个周期为累积的步长对下变频后信号进行加、减运算。累加器符号端控制加、减运算，其输入由本地伪码控制。系统中定义伪码为逻辑1时加，为逻辑0时减。当输入信号与该路匹配滤波器预存码相同时，累加器的输出为正的或负的相关峰信号，该信号在累加器清零之前，由同步脉冲信号把上一周期的累加值数据输入锁存器锁存。平方和电路将累加值全部变为正值，以便后续的门限检测。当门限比较器检测出本路平方和的值大于设定的门限时，表示已经获取相关峰信号，相关峰值直接输入到最大值比较器。如本路平方和的值小于门限时，表示没有获取相关峰信号，该路赋予0值输入到最大值比较器进行比较。由本地的伪码输入信号控制累加器符号端：伪码输入信号为逻辑1时加，为逻辑0时减；或者相反。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端设备(可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于变长复合正交码的扩频系统，包括发射机和接收机，其特征在于，所述发射机至少包括编码扩频单元、调制单元，所述编码扩频单元包括同步伪码单元；所述接收机至少包括解扩解调单元，同步伪码捕获跟踪单元，其中，

所述编码扩频单元，用于将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到合路信号，并将所述合路信号发送给所述调制单元；

所述调制单元，用于将调制后的合路信号发送给所述接收机进行解扩。

2.如权利要求1所述的扩频系统，其特征在于，将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加的步骤至少包括：

将所述同步路伪码信号与伪随机码逻辑相乘得到第一复合码，所述第一复合码作为所述同步路伪码信号；

将所述用于发送的数据编成2ⁿ组码，与伪随机码逻辑相乘得到第二复合码；通过4比特的数据信号作为地址来选通所述2ⁿ组码中的一路作为数据路信号输出；

将所述第一复合码和所述第二复合码相加得到所述合路信号。

3.如权利要求2所述的扩频系统，其特征在于：

当所述2ⁿ组码的码长等于或大于128时，所述伪随机码的长度与2ⁿ组码的码长相同，复合后的长度不变，代表1个符号；当所述2ⁿ组码的码长小于128时，所述伪随机码的长度为2ⁿ组码的码长的整数倍，复合后的长度为所述伪随机码的长度。

4.根据权利要求1所述的扩频系统，其特征在于，所述接收机还包括：射频信号接收单元、模拟下变频单元、同步伪码捕获跟踪单元和数字下变频单元，其中，

所述数字下变频单元，用于将信号分成两路，第一路信号被输出到所述同步伪码捕获跟踪单元进行同步路伪码信号的捕获与跟踪，第二路信号被输出到解扩解调单元进行数据的解扩与解调；

所述同步伪码捕获跟踪单元，用于为所述解扩解调单元提供所述同步路伪码信号。

5.如权利要求4所述的扩频系统，其特征在于：

所述同步伪码捕获跟踪单元，用于在每次采样时，将所述第一路信号与本地的伪码输入信号在匹配滤波器中进行一次相关运算，其输出经门限比较后的最大值为捕获成功获得的同步路伪码信号。

6.如权利要求4或5所述的扩频系统，其特征在于：

同步路完成伪码的捕获后进入跟踪状态，输出一路同步脉冲信号，提供给数据路作为相关累加器的清零和累加输出脉冲信号。

7.如权利要求5所述的扩频系统，其特征在于：

数据路有16路匹配滤波器，每一路存有1组本地的伪码；当下变频后的基带信号与该路存储的伪码信号一致时，该路的匹配滤波器将输出一个最大相关值；所述16路匹配滤波器的输出结果在一个比较器中同时进行比较，其中具有最大值的一路信号的输出数据进行16-4的译码，输出的数据是系统传输的信息数据流；以及

所述匹配滤波器至少包括累加器、锁存器、平方和电路和门限比较器；其中，

所述累加器，用于以码片的半个周期为累积的步长对下变频后信号进行加、减运算，并将运算值输出给所述锁存器，所述累加器的输入由所述本地的伪码控制；

所述门限比较器，用于将所述锁存器输出的值进行比较，当所述门限比较器检测出所述锁存器输出的值大于设定的门限时，表示已经获取相关峰信号，相关峰值直接被输入到最大值比较器；当所述锁存器输出的值小于门限时，表示没有获取相关峰信号，该路赋予0值输入到最大值比较器进行比较。

8.一种基于变长复合正交码的扩频方法，其特征在于，

将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到合路信号，并将所述合路信号发送给调制单元。

9.如权利要求8所述的扩频方法，其特征在于，将同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加的步骤至少包括：

将所述同步路伪码信号与伪随机码逻辑相乘得到第一复合码，所述第一复合码作为所述同步路伪码信号；

将所述用于发送的数据编成2ⁿ组码，与伪随机码逻辑相乘得到第二复合码；通过4比特的数据信号作为地址来选通所述2ⁿ组码中的一路作为数据路信号输出；

将所述第一复合码和所述第二复合码相加得到所述合路信号。

10.一种基于变长复合正交码的解扩方法，其特征在于：

接收调制单元发送的调制的合路信号；所述合路信号是由同步路伪码信号和用于发送的数据路信号相加得到的；

数字下变频单元将所述调制的合路信号分成两路，第一路信号被输出到同步伪码捕获跟踪单元进行同步路伪码信号的捕获与跟踪，第二路信号被输出到解扩解调单元进行数据的解扩与解调。