CN102611470B - 差分跳频通信系统中的抗干扰接收机及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明为差分跳频通信系统中的抗干扰接收机及其运行方法，本接收机增加了相关反馈预加窗。接FFT模块的相关反馈预加窗的全频梳状加窗模块的一路输出接频段预加窗模块、第一扫描极大值模块，后者一路直接接入选择器模块、另一路经门限比较模块、触发器模块接入选择器模块；全频梳状加窗模块的另一路输出接第二扫描极大值模块、选择器模块；选择器模块的输出接入载频识别模块、维特比译码模块，载频识别模块反馈接入频段预加窗模块。其运行方法为：只对差分跳频通信中下一跳可能出现的f个频点进行频域预加窗滤波，在减轻了干扰的不利影响。采用门限比较，误码时小于门限，则采用频段预加窗模块的全频段扫描所得的最大能量值，误码扩散即被纠正。

Description

差分跳频通信系统中的抗干扰接收机及其运行方法

(一)技术领域

本发明涉及数字通信领域的抗干扰技术，具体为一种差分跳频通信系统的抗干扰接收机及其运行方法。

(二)背景技术

不同于传统的常规跳频技术，差分跳频(DFH，Differential FrequencyHopping)技术代表了现代跳频通信技术的新发展，甚至在短波频段上也可实现高速跳频(跳频速率可达5000Hop/s)和高速数据传输(传输速率可达19.2kbit/s)，极大地提高了抗跟踪干扰和侦查的能力，数据传输的有效性大为提高。

差分跳频系统中，编码、调制和跳频采用网格编码调制(TCM，TrellisCoded Modulation)一体化实现方式。发送端，信息数据经过信道编码后，再经G函数映射为跳频序列、控制数控振荡器(DDS，Direct DigitalSynthesizer)产生相应的跳频载波；在接收端，对A/D采样信号进行数字正交下变频后产生两路正交的信号，随后对其进行快速傅立叶变换(FFT，FastFourier Transformation)，变换结果经跳频检测单元判决得到有效的跳频信号，再经频率序列译码模块根据事先定义好的规则解调出发送的数据信息。

由于差分跳频系统采用宽带接收，具有较大的跳频带宽，传统的接收机为逐符号检测接收，在无线通信中难以避免异频干扰和多径干扰等干扰因素对接收机检测器判决的影响，从而产生通信误码。尤其是在军用无线通信中，如果第三方干扰机采用相同的频率转移矩阵发射干扰信号，将使系统的误码率大幅增大，甚至完全瘫痪。

(三)发明内容

本发明的目的是提出一种差分跳频通信系统中的抗干扰接收机，在原差分跳频接收机中增加相关反馈预加窗模块，根据G函数的相关性对下一跳可能出现的频点进行前置频域预加窗滤波，仅对差分跳频可能使用的频点进行选择性接收，减轻多频干扰对差分跳频通信系统的不利影响。

本发明的另一目的是提供本发明差分跳频通信系统中的抗干扰接收机的运行方法。

本发明设计的差分跳频通信系统中的抗干扰接收机在现有的逐符号检测的差分跳频通信系统接收机基础上增加了相关反馈预加窗，本发明接收机包括依次连接的接收天线、射频信号接收(RF)模块、模数转换(ADC)模块、下变频模块和快速傅立叶变换(FFT Fast Fourier Transformation)模块，还有维特比译码模块。下变频模块的输出还接入早迟窗同步模块，早迟窗同步模块的输出接入快速傅立叶变换模块。

本发明的接收机增加了相关反馈预加窗，相关反馈预加窗连接在快速傅立叶变换模块和维特比译码模块之间。相关反馈预加窗主要包括全频梳状加窗模块，频段预加窗模块，第一扫描极大值模块，第二扫描极大值模块，门限比较模块，触发器模块，选择器模块和载频识别模块。快速傅立叶变换模块的输出接入全频梳状加窗模块，全频梳状加窗模块有2路输出，其中一路接入频段预加窗模块，频段预加窗模块的输出接入第一扫描极大值模块，第一扫描极大值模块的输出一路直接接入选择器模块、另一路经门限比较模块接入触发器模块再进入选择器模块；全频梳状加窗模块的另一路输出接入第二扫描极大值模块，第二扫描极大值模块直接接入选择器模块；选择器模块的输出接入载频识别模块，载频识别模块的输出接入维特比译码模块，译码后得到还原的接收信号，载频识别模块反馈接入频段预加窗模块。

在AWGN(加性高斯白噪声)信道下，采用现有的一般差分跳频通信系统的逐符号检测接收机，假设当前工作信道频率为ω₀，则对应接收机接收信号r₀是莱斯分布的随机变量，概率密度函数为：

$p\left(r_0\right)=\frac{1}{4E_s{N}_0}\exp (-\frac{r_0+E_s^2}{4E_s{N}_0})I_0\left(\frac{\sqrt{r_0}}{N_0}\right)$

r₁，L r_N-1是对应ω₁，L ω_N-1频率的接收信号，为相互独立的且相同瑞利分布的随机变量，概率密度函数为：

$p\left(r_n\right)=\frac{1}{4E_s{N}_0}\exp (-\frac{r_n}{4E_s{N}_0})$

则误符号率为：

$p_e=\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n+1}{C}_{N-1}^n\frac{1}{n+1}{e}^{-\mathrm{\γn}/(n+1)}$

当采用本发明的差分跳频通信系统的抗干扰接收机，误符号率：

$p_{s1}=\frac{2(f-1)}{f}{p}_e=\frac{2(f-1)}{f}\underset{n=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n+1}{C}_{N-1}^n\frac{1}{n+1}{e}^{-\mathrm{\γn}/(n+1)}$

$p_{s2}=\frac{2(f-1)}{f}{p}_e=\frac{2(f-1)}{f}\underset{n=1}{\overset{f-1}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{n+1}{C}_{f-1}^n\frac{1}{n+1}{e}^{-\mathrm{\γn}/(n+1)}$

p_u＝(1-p_s2)p_s2+p_s2p_s1

p_d＝(1-p_s1)p_s2+p_s1p_s1

其中p_u为误符号率上限；p_d为误符号率下限。

本发明差分跳频通信系统中的抗干扰接收机的运行方法，主要步骤如下：

i、接收天线和射频接收模块接收到时域差分跳频射频信号，先经模数转换为数字信号，再经下变频模块成为中频信号，所得时域差分跳频信号经过快速傅立叶变换模块(FFT)模块转换为频域信号，然后把频域信息送入全频梳状加窗模块；

ii、全频梳状加窗模块对已知所有可能的频点进行梳状加窗滤波，然后分成两路信号，分别送入第二扫描极大值模块和频段预加窗模块；

对接收信号进行梳状滤波，也就是对接收信号经过快速傅立叶变换处理后进行的频域梳状加窗，大大减少资源消耗。

iii、第二扫描极大值模块对滤波后的信号扫描能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号并送入选择器模块；

iv、频段预加窗模块通过载频识别模块反馈的频率信息，针对下一跳可能出现的f(扇出系数)个频点进行频段加窗滤波，然后送入第一扫描极大值模块，扫描频段预加窗模块滤波后信号的能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号送入选择器模块，最大能量值送入门限比较模块；由G函数结构的相关性和扇出系数f，频段预加窗模块根据载频识别模块反馈的频率信息即可以预知下一跳可能的f个频点，本步骤中频段预加窗模块只针对这f个频点进行频域加窗滤波，即本装置仅对差分跳频下一跳可能使用的频点进行选择性接收，在很大程度上减轻了干扰的不利影响，尤其是异频干扰的影响；

v、门限比较模块对频段预加窗模块输出的最大能量值进行门限判决，判决值输出送入选择器模块；

vi、如果判决值大于零，选择器输出全频梳状加窗模块最大能量值对应的频率标号；如果判决值小于零，选择器输出频段预加窗模块最大能量值对应的频率标号；当频段预加窗出现误码，可能导致后续全部误码。因此本法采用门限比较，当出现误码时，门限小于零，则采用频段预加窗模块的全频段扫描所得的最大能量值，可以保证误码立即被纠正，不会出现误码扩散。

vii、选择器输出的频率标号直接送入载频识别模块，载频识别模块将频率标号转换成频率序列编码，然后送入维特比译码模块，同时将控制信号反馈到频段预加窗模块；

本步骤中，载频识别模块把频率标号转换成频率序列编码，由于G函数的编码具有相关性，根据当前转换的频率序列编码即可预测下一个频率序列编码，因此反馈控制信号到频段预加窗模块，通过调整窗口，只对可能出现的f个频点进行选择性滤波，从而有效降低干扰产生的不利影响。

viii、维特比译码模块根据频率序列编码进行译码，还原出相应的接收数据信息。

本发明差分跳频通信系统的抗干扰接收机及其运行方法的优点为：

1、运用G函数的相关性，只对差分跳频通信中下一跳可能出现的f个频点进行频域预加窗滤波，即仅对差分跳频可能使用的频点进行选择性接收，在很大程度上减轻了干扰的不利影响，尤其是异频干扰的不利影响；

2、采用频域加窗滤波方式，直接利用差分跳频(DFH)通信系统中原有的快速傅里叶变换模块，在频域进行信号处理，有效的降低了系统复杂度，降低了硬件资源的消耗；

3、本接收机同样适用于差分跳频通信系统组网，当组网用户采用不同频率组进行网间通信时，使用本接收机可有效地抑制网间的其他用户的干扰；

4、当出现误码扩散时，能立即纠正误码，保证解跳数据的正确性，避免误码扩散。

(四)附图说明：

图1为本差分跳频通信系统的抗干扰接收机的实施例结构框图。

图2为本差分跳频通信系统的抗干扰接收机的运行方法实施例与传统差分跳频通信系统的接收机在AWGN信道下序列译码的误符号率的对比曲线。

(五)具体实施方式

差分跳频通信系统中的抗干扰接收机实施例

本例如图1所示，包括依次连接的接收天线、射频信号接收模块、模数转换模块、下变频模块、快速傅立叶变换模块、相关反馈预加窗及维特比译码模块。下变频模块的输出还接入早迟窗同步模块，早迟窗同步模块的输出接入快速傅立叶变换模块。相关反馈预加窗主要包括全频梳状加窗模块，频段预加窗模块，第一、第二扫描极大值模块，门限比较模块，触发器模块，选择器模块和载频识别模块。快速傅立叶变换模块的输出接入全频梳状加窗模块，全频梳状加窗模块有2路输出，其中一路接入频段预加窗模块，频段预加窗模块的输出接入第一扫描极大值模块，第一扫描极大值模块的输出一路直接接入选择器模块、另一路经门限比较模块接入触发器模块再进入选择器模块；全频梳状加窗模块的另一路输出接入第二扫描极大值模块，第二扫描极大值模块直接接入选择器模块；选择器模块的输出接入载频识别模块，载频识别模块的输出接入维特比译码模块，译码后得到还原的接收信号，载频识别模块反馈接入频段预加窗模块。

本发明差分跳频通信系统中的抗干扰接收机的运行方法，主要步骤如下：

i、接收天线和射频接收模块接收到时域差分跳频射频信号，先经模数转换为数字信号，再经下变频模块成为中频信号，所得时域差分跳频信号经过快速傅立叶变换模块(FFT)模块转换为频域信号，然后把频域信息送入全频梳状加窗模块；

ii、全频梳状加窗模块对已知所有可能的频点进行梳状加窗滤波，然后分成两路信号，分别送入第二扫描极大值模块和频段预加窗模块；

iii、第二扫描极大值模块对滤波后的信号扫描能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号并送入选择器模块；

iv、频段预加窗模块通过载频识别模块反馈的频率信息，针对下一跳可能出现的f个频点进行频段加窗滤波，然后送入第一扫描极大值模块，扫描频段预加窗模块滤波后信号的能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号送入选择器模块，最大能量值送入门限比较模块；

v、门限比较模块对频段预加窗模块输出的最大能量值进行门限判决，判决值输出送入选择器模块；

vi、如果判决值大于零，选择器输出全频梳状加窗模块最大能量值对应的频率标号；如果判决值小于零，选择器输出频段预加窗模块最大能量值对应的频率标号；

vii、选择器输出的频率标号直接送入载频识别模块，载频识别模块将频率标号转换成频率序列编码，然后送入维特比译码模块，同时将控制信号反馈到频段预加窗模块；

viii、维特比译码模块根据频率序列编码进行译码，还原出相应的接收数据信息。

本差分跳频通信系统的抗干扰接收机的运行方法实施例利用差分相关性的特点，在频域上对差分跳频频点进行选择性加窗滤波接收，有效增强异频抗干扰能力。本例与逐符号检测的传统差分跳频通信系统的接收机在AWGN信道下序列译码的错误符号概率的对比曲线如图2所示。图2中横坐标为信噪比Es/No，单位为dB；纵坐标为在AWGN信道下序列译码的错误符号概率P；□连线表示传统差分跳频通信系统的接收机的错误符号概率曲线，连线表示本例的错误符号概率上限曲线，◇连线表示本例的错误符号概率下限曲线。由图2可以看到本方法的错误符号概率明显下降，即多频干扰的影响大大减轻。

上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.差分跳频通信系统中的抗干扰接收机，包括依次连接的接收天线、射频信号接收模块、模数转换模块、下变频模块、快速傅立叶变换模块，还有维特比译码模块；下变频模块的输出还接入早迟窗同步模块，早迟窗同步模块的输出接入快速傅立叶变换模块，其特征在于：

本接收机增加了相关反馈预加窗，相关反馈预加窗连接在快速傅立叶变换模块和维特比译码模块之间；相关反馈预加窗主要包括全频梳状加窗模块，频段预加窗模块，扫描极大值模块，门限比较模块，触发器模块，选择器模块和载频识别模块；快速傅立叶变换模块的输出接入全频梳状加窗模块，全频梳状加窗模块有2路输出，其中一路接入频段预加窗模块，频段预加窗模块的输出接入第一扫描极大值模块，第一扫描极大值模块的输出一路直接接入选择器模块、另一路经门限比较模块接入触发器模块再进入选择器模块；全频梳状加窗模块的另一路输出接入第二扫描极大值模块，第二扫描极大值模块直接接入选择器模块；选择器模块的输出接入载频识别模块，载频识别模块的输出接入接入维特比译码模块，译码后得到还原的接收信号，载频识别模块反馈接入频段预加窗模块；

接收天线和射频接收模块接收到时域差分跳频射频信号，先经模数转换为数字信号，再经下变频模块成为中频信号，所得时域差分跳频信号经过快速傅立叶变换模块模块转换为频域信号，然后把频域信息送入全频梳状加窗模块；

全频梳状加窗模块对已知所有可能的频点进行梳状加窗滤波，然后分成两路信号，分别送入第二扫描极大值模块和频段预加窗模块；

第二扫描极大值模块对滤波后的信号扫描能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号并送入选择器模块；

频段预加窗模块通过载频识别模块反馈的频率信息，针对下一跳可能出现的f个频点进行频段加窗滤波，然后送入第一扫描极大值模块，扫描频段预加窗模块滤波后信号的能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号送入选择器模块，最大能量值送入门限比较模块；

门限比较模块对频段预加窗模块输出的最大能量值进行门限判决，判决值输出送入选择器模块；

如果判决值大于零，选择器输出全频梳状加窗模块最大能量值对应的频率标号；如果判决值小于零，选择器输出频段预加窗模块最大能量值对应的频率标号；

选择器输出的频率标号直接送入载频识别模块，载频识别模块将频率标号转换成频率序列编码，然后送入维特比译码模块，同时将控制信号反馈到频段预加窗模块；

维特比译码模块根据频率序列编码进行译码，还原出相应的接收数据信息。

2.根据权利要求1所述的差分跳频通信系统中的抗干扰接收机的运行方法，其特征在于主要步骤如下：

ⅰ、接收天线和射频接收模块接收到时域差分跳频射频信号，先经模数转换为数字信号，再经下变频模块成为中频信号，所得时域差分跳频信号经过快速傅立叶变换模块模块转换为频域信号，然后把频域信息送入全频梳状加窗模块；

ⅱ、全频梳状加窗模块对已知所有可能的频点进行梳状加窗滤波，然后分成两路信号，分别送入第二扫描极大值模块和频段预加窗模块；

ⅲ、第二扫描极大值模块对滤波后的信号扫描能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号并送入选择器模块；

ⅳ、频段预加窗模块通过载频识别模块反馈的频率信息，针对下一跳可能出现的f个频点进行频段加窗滤波，然后送入第一扫描极大值模块，扫描频段预加窗模块滤波后信号的能量最大值，并输出最大能量值对应的频率标号送入选择器模块，最大能量值送入门限比较模块；

ⅴ、门限比较模块对频段预加窗模块输出的最大能量值进行门限判决，判决值输出送入选择器模块；

ⅵ、如果判决值大于零，选择器输出全频梳状加窗模块最大能量值对应的频率标号；如果判决值小于零，选择器输出频段预加窗模块最大能量值对应的频率标号；

ⅶ、选择器输出的频率标号直接送入载频识别模块，载频识别模块将频率标号转换成频率序列编码，然后送入维特比译码模块，同时将控制信号反馈到频段预加窗模块；

ⅷ、维特比译码模块根据频率序列编码进行译码，还原出相应的接收数据信息。

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