CN101557239A - 一种ffh-mfsk系统多音干扰抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种FFH－MFSK系统多音干扰抑制方法，在包络检测模块7后增加了信号认知模块9和干扰抑制模块10，用以对混入系统接收机的多音干扰信号进行认知和抑制。采用本发明的通信方法，可以极大改善窄带FFH－MFSK系统在最坏多音干扰环境中的传输性能。

Description

一种FFH-MFSK系统多音干扰抑制方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别涉及采用跳频通信方式的系统。

背景技术

跳频通信技术以其良好的抗干扰特性被广泛用于军事通信领域。针对跳频信号的干扰与抗干扰技术，也不断成为众多学者的研究热点。

对跳频信号的干扰抑制方法已有很多研究。大多数文献对传统FFH-MFSK接收机(图1)中干扰信号的抑制方法还是主要体现在采用不同算法的分集合并技术上，如线性合并(LC)，自归一合并(NRC)，乘积合并(PC)，自动增益控制合并(AGC)，削波合并(CC)，最大似然合并(ML)等等。见图2。详细内容见Jonhn S.Bird，E.Barry Felstead，AntijamPerformance of Fast Frequency-Hoped M-ary NCFSK-An Overview[J]，IEEE Journal onSelected Areas in Communications，March 1986，4(2)：216-233，Y.Han，Kah C.Teh.，Maximum-likelihood receiver with side information for asynchronous FFH-MA/MFSK systemsover Rayleigh fading channels Communications Letters[J]，IEEE Communications Letters，June2006，10(6)：435-437，以及梅文华，跳频通信[M].北京：国防工业出版社，2005。

这些分集合并技术在不同条件下有着各自的优缺点，对降低跳频系统中干扰信号的影响有一定改善，但当干扰信号较强，即信干比较低情况下，它们的干扰抑制效果就显得不尽人意。合并算法的复杂性，也使得这些设计对于实际系统应用具有很大的局限性。

发明内容

本发明的任务是利用频率直方图和能量检测来实现跳频通信系统对多音干扰信号的认知识别，从而提高多音干扰环境下系统的通信性能。采用本发明方法，在最坏多音干扰环境，信干比SJR＝0dB条件下，误码性能较传统分集合并技术(L＝3)有约3dB的提高。

本发明用于窄带跳频通信系统的接收机部分。

本发明的接收机部分组成：包括1、下变频，2、带通滤波器，3、频率综合器，4、跳频图案发生器，5、数据判决与处理，6、分集合并，7、包络检测，8、带通滤波器，9、信号认知，10、干扰抑制等模块。

本发明接收机部分工作过程：如图3所示，信号通过天线耦合，下变频后进入带宽为W_ss的带通滤波器(BPF)。假设此时系统收发两端已经处于完全同步状态，即接收端跳频图案发生器产生的跳频序列同发送端跳频图案发生器产生的跳频序列在时间上和序列上完全协调一致，则从BPF输出的信号可通过与跳频图案发生器控制的频率综合器输出信号混频完成解跳。解跳后的信号r(t)被送入各包罗检波器进行进一步的处理。经包络检测得到的信号r_m，l(t)(m＝1，2，...，M，l＝1，2，...，L)。通过信号认知，干扰抑制处理，以及分集合并处理后，得到判决数据x(t)＝max[x₁(t)，x₂(t)，...，x_M(t)]，进而解调得到信息数据流{d_b}。

在阐述本发明方法之前，首先介绍本发明中所用的术语：

1)频率直方图是指当设定某一检测门限C，然后考察接收信号包络超过门限的次数，可以得到一个实时的各调制频点关于超过门限次数K的二维直方图。

2)集合A为每跳信号的包络检测值r_m，l小于C的集合。

3)门限 $C=c{\widehat{\mathrm{\σ}}}_w^2,$ 式中c为恒虚警门限系数。

4)card(A)表示集合A中元素的个数。

5)J_n(t)(n＝1，2，...，N)为系统接收机正常工作状态下各跳频频点累计重复个数。

6)K_m(t)(m＝1，2，...，M)为各调制频点信号包络检测大于C的累计个数。

7)频率因子ρ_m，n(t)＝K_m(t)/J_n(t)表征各频点大信号的出现程度。

8)信号认知是指通过信号特征信息检测对系统工作频点上的干扰信号和传输信号进行的一个认知处理。

信号认知处理的方法是：系统同步状态条件下，通过对当前跳频频点的J_n(t)(n＝1，2，...，N)值，以及当前跳频频点上各调制频点的K_m(t)(m＝1，2，...，M)值的计算，进一步得到当前跳频频点上各调制频点的频率因子ρ_m，n(t)＝K_m(t)/J_n(t)。根据干扰信号和传输信号在各调制频点上频率因子的统计特征差异来完成对干扰信号和传输信号的认知。

本发明提出了FFH-MFSK系统多音干扰抑制方法，包括以下步骤：

步骤1按跳频图案顺序依次对系统工作频点进行频率直方图的构建；

步骤2根据跳频图案计算当前跳频频点的J_n(t)(n＝1，2，...，N)值；

步骤3根据包络检测情况计算当前跳频频点上各调制频点的K_m(t)(m＝1，2，...，M)值；

步骤4计算当前跳频频点上各调制频点的频率因子ρ_m，n(t)＝K_m(t)/J_n(t)；

步骤5当接收信号r_m，l∈A或card(A)＝M-1时，取干扰抑制模块输出z_m，l，n(t)＝r_m，l，

当m＝argmin[ρ_m，n(t)]且 $r_{m,l}\∈A,\mathrm{card}\left(\stackrel{\‾}{A}\right)>1$ 时，取干扰抑制模块输出z_m，l，n(t)＝C，当m≠argmin[ρ_m，n(t)]且 $r_{m,l}\∈A,\mathrm{card}\left(\stackrel{\‾}{A}\right)>1$ 时，取干扰抑制模块输出

z_m，l，n(t)＝C_；

步骤6根据某种分集合并算法(如乘积合并，自归一合并，线性合并等等)或不用任何采用分集合并技术直接得到各工作频点的接收数据x(t)，如图3所示；

步骤7依x(t)＝Max{x₁(t)，x₂(t)，...，x_M(t)}判决得到发送符号。

本发明的工作流程如图4所示。

需要说明的是步骤3可以采用除包络检测外的其它检测方法。检测的目的是获取接收信号的特征参数，为信号认知作处理依据。

本发明的工作原理：从信号检测角度来看，系统传输误码率体现在噪声和干扰信号的虚警概率和对传输信号的漏检概率上。通过理论推导和仿真可以得到一个无干扰环境下的经验检测门限值C。即大多数情况下，某频率上的跳频信号若未被干扰，则M个调制频点的信号检测中仅会有一个频点的信号包络检测大于C。若某跳信号被干扰，则M个调制频点信号中除了传输信号包络检测大于C，通常还有干扰信号包络检测大于C。由于系统发送符号的随机均匀性，频率直方图中那些未被干扰频点的K值会逐步趋于一致，而那些被干扰频点的K值，由于干扰信号的存在，会远大于未被干扰频点的K值。由此，接收端可识别出被干扰的频点，并对频点K值异常的信号检测，根据频率直方图来确定，而不是简单地由信号幅度大小来确定。

结论：从上面的理论分析可知，该方法实现复杂度低，在最坏多音干扰环境，信干比SJR＝0dB条件下，误码性能较传统分集合并技术(L＝3)有约3dB的提高。采用该算法无需对系统原有硬件结构进行大的改动。

本发明创新点：现有的窄带跳频通信系统大多采用各种分集合并算法来抑制干扰信号对传输信号的影响，它们几乎都以牺牲系统频带利用率，降低系统数据传输速率为代价。与采用的通过多个分集支路的均衡合并来抑制干扰信号的机理不同，本发明方法从另一个思路出发，利用频率直方图来实现跳频通信系统直接对多音干扰信号的抑制，从而提高多音干扰环境下系统通信性能。

本发明的实质：相对于传统窄带跳频通信系统中的干扰抑制方法，本发明的核心思想是：根据干扰信号和传输信号在各调制频点上频率因子的统计特征差异来完成对干扰信号和传输信号的认知，通过合理的门限设置，使系统接收机可以直接对干扰信号进行抑制，从而降低干扰信号对系统传输性能的影响。

本发明的工程实现与传统的窄带跳频通信系统相比，具有的特点在于：系统接收端硬件结构设计无需改动，仅仅是算法上的改变。通过包络检测和频率直方图的建立完成对干扰信号和传输信号的认知，使系统接收机可以对干扰信号进行直接抑制，而不是通过多个分集支路的均衡合并来抑制干扰信号。

附图说明

图1是接收端采用传统干扰抑制方法的窄带跳频通信系统工作原理图：

其中：1是下变频，2是带通滤波器，3是频率综合器，4是跳频图案发生器，5是数据判决与处理，6是分集合并，7是包络检测，8是带通滤波器；

图2是分集合并工作原理图：

其中信号检测例举了包络检测方法。除了包络检测，检测模块还可以根据信号各项特征进行其它方式的检测，其检测的目的是为信号认知处理模块提供频率因子的计算依据。分集合并算法包括线性合并算法，乘积合并算法，自归一合并算法等等。

图3是采用本发明提出的新的跳频信号捕获方法在跳频通信系统中的工作原理图：

其中：1是下变频，2是带通滤波器，3是频率综合器，4是跳频图案发生器，5是数据判决与处理，6是分集合并，7是包络检测，8是带通滤波器，9是信号认知，10是干扰抑制等模块；

图4是本发明的工作流程图

具体实施方式

本发明主要创新是通过合理的门限设置，利用频率直方图表示干扰信号和传输信号在各调制频点上频率因子的统计特征差异，进而完成对干扰信号和传输信号的认知，使系统接收机可以根据信号认知参数直接对干扰信号进行抑制，然后，联合其它模块，组成本发明的接收机系统。

理论推导及性能仿真表明，在传输环境为最坏多音干扰信号与加性高斯白噪声信道，系统工作频点个数N＝32，解调方式为BFSK非相干解跳，信噪比S/N＝13.35dB，信干比S/J＝0dB条件下，系统误码性能较传统分集合并技术(L＝3)有约3dB的提高。采用该方法可进一步提高FFH/MFSK系统的频带利用率和抗干扰容限。

Claims (2)

1、一种新的优化削波法，包括发射部分和接收部分，发射部分包括映射(1)、选择优化(12)、IFFT(2)、削波(3)等模块；接收部分包括FFT(10)、解选择优化(13)、反映射(11)等模块；

其特征在于发射部分还包括选择优化(12)模块，它是按照下面步骤工作的：

步骤1将映射后的数据点分组为A⁽¹⁾、A⁽²⁾…A⁽ⁱ⁾.…A^(V)(i＝1，2，3…V)；

步骤2选择多簇符合上述定义的相位因子α_j ⁽¹⁾、α_j ⁽²⁾…α_j ⁽ⁱ⁾…α_j ^(V)(i＝1，2，3…V，j＝1，2，3…U)；

步骤3首先将各组数据点A⁽ⁱ⁾(i＝1，2，3…V)分别进行IFFT得到IFFT{A⁽ⁱ⁾}，然后各组与相应的相位因子α_j ⁽ⁱ⁾(i＝1，2，3…V)相乘得到：α_j ⁽ⁱ⁾*IFFT{A⁽ⁱ⁾}；最后将各组数据叠加得到 $\underset{i=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(i\right)}*\mathrm{IFFT}\left\{A^{\left(i\right)}\right\},$ 因为 $\widehat{b_k}=\underset{i=1}{\overset{V}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j^{\left(i\right)}*\mathrm{IFFT}\left\{A^{\left(i\right)}\right\}$ (k＝1，2，3……N)，可以得到(k＝1，2，3……N)的值，从而可以得到各簇相位因子对应的

(当 $\left|\widehat{b_k}\right|>T_h$ 时)值；

步骤4对步骤3所得到的结果进行判断，选择出

(当 $\left|\widehat{b_k}\right|>T_h$ 时)值最小时对应的一簇相位因子，即为最优相位因子；

步骤5将步骤4选出的最优相位因子与其对应的各组数据各自相乘、叠加，得到优化后的数据，发送至模块2；同时输出由步骤4所选出的最优相位因子的副信息至模块2。

接收部分还包括解选择优化(13)模块，它的工作过程是：从接收的副信息里提取优化因子的数值，按发射机的分组方式对数据点进行再次分组，将各组数据分别乘以相应优化因子的共轭，叠加还原。

2、根据权利要求1所述的一种新的优化削波法，其特征是所述的步骤1中的分组方式可以采用任意形式分组，步骤2中可以采用不同的相位因子，相位因子个数不限。

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