自编码扩频通信系统中码元同步问题的研究

系统 以其动 态 随机可 变 的扩频 序列 来 提高 通信 系统 的抗截 获 能力 的 同时 ， 给 收 发两 端 的 同 步 问题 带 也
图 １ 自编码直接序 列扩频 电路
２ 自编码扩频序列产生方法 的改进
根 据 自编码 扩 频 通信 的思 想 ， 论 自编码 扩 频 讨 序 列是 这样 产 生 的 ： 考 虑 到 自编 码 扩 频 通 信 的 初 （ 始 同步 问题 ， 。 艘 和 的初 始状 态 应该 相 同 ， 即存
（ 兰州交通 大学 电子与信息工程学 院 ， 甘肃 兰州 ７ ０７ ） ３ ０ ０
摘
要 ： 自编码扩频在传输数字信 息时能实 现扩频码 动态可变 的特性 ， 论 了 自编码扩频 的通信 原理 ， 针对 基于 讨 并
自 编码扩频通信 系统 中的同步问题 ， 出了扩频 码产 生的新方 法。通过分析表 明， 提 该方法产 生的扩频码具 有随机性
Ｌ ２ Ⅳ ’
Ｉ （ Ｉ ｍ）
＝
Ⅳ… ｊ Ｊ ”
２
噪声 分量 为随机 变量
Ｉ 口［ ｎ＋ ］・ Ⅳ ｎ （ ｍ） Ｒ （ ）・ 一 ｅ口 ｌ
（） ５
Ｊ抽头移 位寄存 器 Ｓ Ｓ 的随机序列是 相 同 ７ ｖ Ｒ 、Ｒ 中 的。既然 自编码扩频通信所使用的扩频码是 Ｓ Ｒ中 的随机序列 随机移 位而来 的移位序列 ， 么收端 同 那 步 时 只需将 Ｓ ：中的 随机序 列 逐次左 移 １ 在 和接 Ｒ 位 收到的信息序列进行循环相关运算 ， 若相关运算值 大于预定门限值 ， 就停止左移 ， 说明这时 Ｓ Ｒ 中的随 机序列就是发端的扩频序列 ， 相关值小于预定 门 若 限值 ， Ｓ ： 续左 移 一位 ， 接收 序列 进行 循环 相 则 Ｒ继 和 关 运 算 ， 和 门 限 值 比 较 ， 此 重 复 ， 到 移 位 后 再 如 直 Ｓ 中 的随机 序列 就是 发 端使 用 的扩频 序列 。 Ｒ
第２ ７卷
第２ ４期
甘肃 科技
Ｇａ ｓ ｃｅ ｃ ｎ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｕ Ｓ ｉｎ ｅ ａ ｄ Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ
Ｉ Ｚ２ ， ． ７ Ⅳ０ ２ ０ ．４
Ｄ ． ２ １ Ｏｌ
２１ 年 １ ０１ ２月
自编 码 扩 频 通 信 系统 中码 元 同步 问题 的研 究
陈 占林
ｍ ＝ ， ，， ０ １２ …Ｌ一１ （） ３
通信系统接收端扩频 码同步难 的问题 ， 提出了扩频 码 的具体产生方法， 并讨论 了相应的同步问题 ， 理论 分析表 明， 该方案是可行的。 （ 下转第 ２页）
其 中， 信息分量
２
甘
肃
科
技
第２ ７卷
要求 ， 励 原始 创 新 ， 鼓 以集成 创新 和 引进 消化 吸 收再 创新 为 重 点 ， 进 产学研 结 合 ， 本形 成具 有 持 续创 推 基
术重点掌握聚光技术 、 光热转换技术、 储能技术、 电 站设计与建造技术、 重点开发双能源互补发 电的 自
动控制与调节技术 、 补发 电的系统集成技术和多 互
能源 互补 发 电技 术 。
加 强 重 大科 技 项 目建设 ， 括 基 础科 研 平 台建 包 设 和 风能领 域重 点 科 技 项 目， 项 目主要 包 括 风 电 该 并 网技 术 、 阳能领 域重 点科技 项 目、 能领域 重点 太 核
＋ ５ ２ …， ＋ ５ ２６× ， ２ ６×１ ５中的 一个 ， 与 常 规 再
为与 无关 的复指数型函数：
＾ｎ Ｒ ， （ ）＝ Ｎ（ｌ ）・ 一 一 ｅ
＝ ，
（） ２
的本地匹配滤波器最多做 １ ６次相关 ， 出最 大值 找 点， 即为码元同步点。
假设 Ｒ Ｎ序 列 采用 长 度 Ｎ ＝ １ 随机 序列 ， ５ １的 且
为 ，ｃ ＝Ｐ … 一。其 中 Ｐ． ・
设 接 收到 的 中频 采样 信号 为 ：
（ ）＝Ａ Ｒ ｎ ）・ ｏ （ ｑ ｏ Ｔ ＋咖 ）＋口 ｎ ． ｎ ・ Ｎ（ ｃｓ ２ｒ ｎ ， ０ ｆ （Ｔ）
（） １
ｉ＝ １， … ， 一 １。 ２，
ｘ｛ ｐ －
由于本文 讨论 的 自编码 扩频序 列 的捕 获涉及 到 ４８ ０ ８次循 环相 关 运 算 ， 算 量 很 大 ， 以拟 采 用 文 运 所
ｆ＝ ， ｏ 则一个信息符号对应的采样点 Ｌ Ｎ ＝
Ｊｓ
・
，
＝
４８ ， ０ ８ 对一个信息符号做 Ⅳ点循环相关 ， 并
４ 结论
介绍了一种新颖 的扩频通信系统—— 自 编码扩 频通信 ， 分析了其通信原理和优点 ， 针对 自编码扩频
ＪＲ Ｎ
取模
Ｌ一 １
．
Ｉ （ Ｉ ∑ ， ｍ）・ （ ） ， Ｒ ｍ） ＝Ｉ Ｌ（ ＋ ｌ ＾， Ｉ Ｉ
自编码 扩频 通信 这一 新颖 的思 想 是不 久前 国外 学者 刚 刚提 出的 ， 自从这 一新 颖 的思想 提 出后 不久 ， 国 内外 又 陆续发 表 了一些 讨论 自编 码 扩频 通信 方面
的文章 ， 文献［ ］ ２ 提出了 自 编码扩频通信的概念 ， 并 对其通信原理、 优点 、 以及在高斯信道（ ＷＧ ） Ａ Ｎ 和瑞 利信道下的误码率进行 了研究 ， 文献 ［ ］ 自编码 ３对 扩频和直接序列扩频各 自在高斯信道（ ＷＧ ） Ａ Ｎ 下的 通信性能进行了比较研究 ， 但都未对 自编码 扩频通 信系统 中的扩频序列的具体产生方法 以及该通信系 统 的同步 问题 进 行 讨 论 。事 实 上 ， 自编码 扩频 通 信
甘
肃
科
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第２ ７卷
由 Ⅳ抽头移位寄存器 中的序列 （ ） Ｋ … 左 Ｋ ＝ 移 一１次而 得到 的移 位序 列 ， 移 位序 列 具 有 动态 该 随机可变性 ， 因为 脓 ， 中的随机序列不 断被信源数 据 更新 。
Ｉ。 ） Ｒ（ Ｉ
＝
寺Ｉ Ｒ （ ＋ ） Ⅳ［凡 ｍ ］・ Ｊ ｎ ・ ・ Ｒ （ ） ［ ７ ｖ
性。
个信码到另一个 信码的扩频序 列也是动态变化
的。该扩频序列和信息序列相乘 ， 得到基带扩频信 号 ， 经载波 调 制 即可 由天 线发 射 。接 收 端 再生 扩 再 频序列 的过程和发端相似。若收发两端已经达到初 同步 ， 恢复 的数 据反 馈到 移位 寄存器 ， 于估计 发端 用 的扩频序列 ， 解扩接收信号。
为收端 的采样周期 ， 为接收 信号的 中频频率 ， 为中频的初始相位 ， 是均匀分布于［ ， 的随机变 ０２ 仃］ 量 ；（ ） 口 ｎ 是均值为 ９ 方差为 的正态白噪声。 、 假设 已经提取得到， 则选取本地匹配滤波 器
叠加成为梳妆匹配滤波器 ， 该滤波器与一个信息符 号对应的４ ８ 个采样点连接作成 ２ ６ ０８ ５ 点相关 ， 可得 到最大值点 ， 则码元同步点可能为 ， ＋ ５ ， ２６
‘ ’ ｍ ＋ｅ￣ ｅｊ ， 聃 －ｏ・ －￣ ’ ａ ］・ 一 ｅ皿 Ｉ
Ｚ ÷ ｆ ［ｎ ｍ ］・ Ⅳ 凡 Ｉ ＲＮ （ ＋ ） 冗 （ ）
． ＿
一
３ 自编码扩频 序列并／ 串的快速捕获
３ １ 捕获原 理 ．
Ｏ
（ ＋） Ⅳ １・ ｌ ｌ ＜ １
由于所讨论 的自编码扩频通信系统的扩频序列 是经发端 Ⅳ抽头移位寄存器 中的随机序列左移 ｉ 一
其 中 ， ＝士１为第 ｋ 信 息 符 号 ； Ｒ ｎ 长 度 Ａ 个 是 Ｎ（ ） 为 Ⅳ的 随机序 列 ， Ｒ 该 Ｎ序 列 的 码率 为 ， －１ ／ Ｚ
献［ ］ ４ 提出的梳妆匹配滤波快速算法 ， 即用 ｌ ６个起
点不 同 （ 隔 ２６个 采 样 点 ） 间 ５ 的本 地 匹 配滤 波 循 环
１ 自编码扩展频谱通信原理
自编码 扩频 通信 的原理 可 以用 图 １说 明 。随机
的信息数据流速率为 １Ｔ 它同时输入 到相乘器和 ／， Ⅳ抽头移位寄存器 Ｓ ｉ ，职 Ｒ （ ， 分别 为发、 收两端
的 Ⅳ抽头移位寄存器） 。职 的内容不断被信源数 据更新 ， 以 Ⅳ 的速率依 次切换输 出， 并 ／ 作为扩频 序列 ， Ⅳ为扩 频 因子 。信 码 通 过应 用 适 当 的数 据 压
３ ２ 循 环相 关运 算 的推 导 ．
其均值为零 ， 方差为
Ｄ Ｉ ｍ １ ＝ ， 。 ［ Ｒ （ ） ］ Ｎ・ Ｖｍ
由 （ ） （ ） 以看 出 ｍ ＝ ４ 、５ 可 ０是 ， （ Ｉ ｌ ｍ） 取得 最 。
大值 ， 则在无噪声时 ， 只需 找出 Ｉ （ ｌ Ｒ ｍ） 中的最大值
和动态可变性 ， 而且在接收端容易实现 同步 。 关键词 ： 自编码扩频 ； 码元 同步 ；扩频序列
中 图分 类 号 ： Ｎ １ Ｔ ９
自编码扩 频通 信是 指扩 频通信 的扩频 序 列不 在
确保信 源数据 流具 有 随机特 性 。这 样产 生 的扩频序 列不仅 具有 动态 随机可 变性 ， 而且 与 当前 符号 无关 ，
业创新 能力。到 ２ １ ０ ５年构建起 能够支撑甘 肃新 能 源产业 发展的较为完善的创新 体系， 把甘肃建成我 国最大 的新能源应用和制造基地。
电池 原材 料 的提纯 与制 备 技术 ； 阳能光 热 发 电技 太
新能力的科技、 标准、 质量支撑及 服务体 系， 科技成 果转化推广服务体系 ， 整体科技水平显著提升 ， 组织 实施产业重大研发专项 ， 突破一批关键技术、 高端共
性技 术 和瓶 颈 技术 ， 成 自主知 识 产 权 。大 幅 度 提 形 升科 技 对新 能源 产 业 的贡献 率 ， 面 提 升 新 能 源 产 全
一
由标准线性反馈移位寄存器产 生（ 不使用 Ｐ Ｎ码） ， 而是 由经过各种压缩编码后的信源随机数据流中获 得。其本质是依次利用前 Ｎ个信码的值构成第 Ⅳ＋ １ 个信码 ｄ ｉ 的扩频序列 ｛ ， ， ｄ ｝信 （） ｄ ｄ …， ， 源 的随机 独 立 性 决 定 着 扩 频 序 列 的动 态 随机 可 变
缩算法 ， 去掉数据流 的冗余度 ， 使它的熵最大 ， 即可
Байду номын сангаас
为了不失一般性 ， 设某一信 码的扩频序列 的第 １ 位随机地选为 （ 的第 ｉ ） 位
…
。
Ｋ ， 么 这 样 产 生 的 扩 频 序 列 就 为 ＫＫ＋Ｋ＋ … 那 ， ：
…
Ｋ 一 一， 分析 不 难发 现 ， 扩 频序 列 是 ： 经 该
来了极大的挑 战。因此 ， 如何具体产生动态 随机可 变的扩频序列以及如何 同步是 自编码扩频通信至关 重 要 的问题 。本 研究将 对 这两 个 问题进 行讨 论 。
人相 同的序列 ） 了说 明扩频序列 的产生方法 ， 为 设 某一时刻 职 。 中随机序列为（ ） Ｋ …Ｋ ， Ｋ ＝ １ Ｎ 扩频 序列的第 １ 位是从 ， Ⅳ个数据 中随机地 …， 选取 １ ， 位 当第 １ 位选定 以后 ， 然后依 次选取第 ２ 位、 ３位、 第 Ｊ位。譬如， 第 …、 ７ 、 ｒ 某一扩频序列 的第 ｌ 位随机地选为 ， 那么第 ２位、 ３ 、 第 Ⅳ位就依 第 位 …、 次为 民 ， ， ， ， ， ， ， …， 扩频 序列 即为
即为码 元 同步 的起 始 点 。 而 实 际 上 ，Ｒ（ Ｉ ｍ）Ｉ 随 为
机变量 ， 服从正态分布 Ⅳ［ （ ） ， ｏ ］若做 ／ １ ｍ ＩＮ ＂ ， ８ 的捕获 （ 为序 列 的码 片宽 度 ） 且 假设 Ｉ （ Ｉ ， ｍ） 相
对于变量 ｍ为独立分布， 则正确捕获的概率 Ｐ４ １ ）
１位而 得 到 的 ， ≤ｉ １ ≤Ｎ， 究 竟 等 于 多 少 是 随机 的。 ｉ 因此 ， 自编码 扩频 通 信 系 统 的 同步 问 题 就 不 象直 接 序 列 扩频 通信 那 样 容 易 ， 涉 及 到 接 收 端再 生扩 频 它 码 的问题 。在初 始达 到 同步 的前 提下 ， 、 收 发两 端 的