CN102647202A - 一种基于mdfh的数据传输方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于MDFH的数据传输方法数据传输方法及其系统。在数据发射时，对载波信息进行纠错处理，利用卷积编码建立输入的载波信息与输出的跳频序列之间的校验关系；在接收数据时，维特比译码器用能够利用这种校验关系，通过维特比译码在数据传输错误而受到破坏时，能够主动发现并予以纠正，从而降低MDFH数据传输的误码率，提高抗干扰能力。

Description

一种基于MDFH的数据传输方法及其系统
技术领域
本发明涉及通信技术，特别涉及信息驱动跳频(MDFH)技术。
背景技术
与传统的跳频通信系统不同，在MDFH系统中，发送端载频的跳变不是按照预先约定的PN码序列，而是取决于传送的基带信息，即用部分基带信息决定载波频率的跳变。
现有的MDFH系统将发送的数据按照数据格式：L＝NhBc+Bs分段划分，每段数据包括两部分。Nh为每一个码元持续时间内载波频率跳变次数，在MDFH中Nh≥1，即是基于快跳系统，Bc为载波信息，Bs为调制信息。如图1所示，在发送端先将Bsbit信息进行基带调制，然后将调制后的基带信号变频到由载频信息选定的Nh个频率上，实现跳频。如图2所示，在接收端，用Nc个中心频率分别为fi(i＝1，2...，Nc)的滤波器捕获信息。在每一跳时间内，选择信号强度最强的一路恢复出相应的Bcb二进制信息。在一个码元持续时间内，可恢复NhBcb载频信息，再通过基带解调恢复Bsb调制信息，然后将二者合并，完成信息检测。
在现有的MDFH系统中，在接收端由于采用滤波器检测信号，通过信号强弱来判断发送信号频率从而获得载波信息，无法验证载波信息，进而会产生很大的误码率，导致系统无法正常工作。
发明内容
本发明所要解决技术问题是，提供一种降低MDFH系统误码率的数据传输方法以及实现该方法的数据传输系统。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是，一种基于MDFH的数据传输方法，包括以下步骤：
数据发送步骤：将原始信息数据分离为调制信息及载波信息；将调制信息进行基带调制，将基带调制后得到的基带已调信号作为跳频调制的调制信号输入；载波信息经过卷积编码后得到跳频序列，并建立输入的载波信息与跳频序列之间的校验关系；跳频序列控制频率合成输出发射载波频率，将发射载波频率作为跳频调制的载波信号输入；将经过跳频调制后输出的跳频信号通过天线发送出去；
数据接收步骤：利用快速傅里叶变换FFT对天线接收到的信号进行宽带跳频信号检测，并通过FFT得到当前接收信号在系统中所有发射载波频点上所对应的频点能量，将得到的各频点能量一方面输入作为跳频解调的已调信号输入，另一方面各频点能量做平方运算后分别输入至维特比译码器，维特比译码器通过维特比译码算法恢复出发射载波频率与载波信息，发射载波频率作为跳频解调的载波信号输入，跳频解调出的基带已调信号作为基带解调的已调信号输入，基带解调出调制信息，最后，将调制信息与载波信息进行数据合并恢复出原始信息数据。
一种基于MDFH的数据传输系统，包括数据发送模块、数据接收模块，其特征在于，数据发送模块包括数据分离单元、基带调制器、跳频调制器、卷积编码器、频率合成器和发射天线；数据接收模块包括，快速傅里叶变换FFT模块、平方模块、维特比译码器、跳频解调器、基带解调器，数据合并单元；
数据发射模块中，数据分离单元的输入端接收原始信息数据，数据分离单元的调制信息输出端与基带调制器的调制信号输入端相连，基带调制器的输出端与跳频调制器的调制信号输入端相连，跳频调制器的输出端与天线相连；数据分离单元的载波信息输出端与卷积编码器的输入端相连，卷积编码器的输出端与频率合成器的控制信号输入端相连，频率合成器的输出端与跳频调制器的载波输入端相连；
数据接收模块中，接收天线与FFT单元的输入端相连，FFT单元的输出端分别与平方模块的输入端以及跳频解调器的已调信号输入端相连，各平方模块的输出端对应连接维特比译码器的各输入端，维特比译码器的输出端分别连接数据合并单元的载波信息输入端以及跳频解调器的载波信号输入端，跳频解调器的输出端连接基带解调器的已调信号输入端，基带解调器的输出端连接数据合并单元的调制信息输入端，数据合并单元输出恢复的原始信息数据；FFT单元的数量等于采样频率的频点数量；
所述卷积编码器用于建立输入的载波信息与输出的跳频序列之间的校验关系；所述维特比译码器用于接收各频点能量做平方通过维特比译码恢复出发射载波频率以及载波信息。
本发明在数据发射时，对载波信息进行纠错处理，利用卷积编码建立输入的载波信息与输出的跳频序列之间的校验关系；在接收数据时，维特比译码器用能够利用这种校验关系，通过维特比译码在数据传输错误而受到破坏时，能够主动发现并予以纠正。
本发明的有益效果是，降低MDFH数据传输的误码率，提高抗干扰能力。
附图说明
图1是现有MDFH系统发射机示意图；
图2是现有MDFH系统接收机示意图；
图3是实施例MDFH系统发射机示意图；
图4是实施例采用的卷积编码器示意图；
图5是实施例MDFH系统接收机示意图；
图6是实施例MDFH系统与现有MDFH系统在频率非选择性瑞利慢衰落信道中的仿真结果示意图。
具体实施方式
本发明通过提出一种用于MDFH的辅助编码和相应的接收端载频信息恢复的方法来提高整个MDFH的数据传输的抗干扰能力。
在发送端，提供了一种MDFH辅助编码的方法。在本发明MDFH系统中，发送的数据依然分为两部分：载波信息和调制信息。不同于现有MDFH系统的是，发射机通过卷积编码将载波信息编码后映射为跳频序列，跳频序列控制频率合成器和本振合成发射载波频率，使发射机在带宽Bc内，不同的时间间隔To输出与输入信息数据相关的不同频率的载波信号，与基带调制信号混频后形成跳频信号，其瞬时信号带宽为Bm＝1/To，发射机模型如图3所示：包括数据分离单元、基带调制器、跳频调制器、卷积编码器、频率合成器和发射天线；数据分离单元的输入端接收原始信息数据，数据分离单元的调制信息输出端与基带调制器的调制信号输入端相连，基带调制器的输出端与跳频调制器的调制信号输入端相连，跳频调制器的输出端与天线相连；数据分离单元的载波信息输出端与卷积编码器的输入端相连，卷积编码器的输出端与频率合成器的控制信号输入端相连，频率合成器的输出端与跳频调制器的载波输入端相连。
卷积码是将发送的信息序列通过一个线性的、有限状态的移位寄存器而产生的。移位寄存器由K级(每级k比特)和n个线性的代数函数生成器组成，如图4所示。二进制数据移位输入到编码器，沿着移存器每次移动k比特位。每一个k比特长的输入序列对应一个n比特长的输出序列。其编码效率为Rc＝k/n，这和分组码编码效率一致。参数K称为卷积码约束长度。
数据分离单元将原始信息数据分离为调制信息及载波信息；基带调制器将调制信息进行基带调制，并将基带调制后得到的基带已调信号作为跳频调制器的调制信号输入；载波信息经过卷积编码器后得到跳频序列，通过卷积编码建立输入的载波信息与跳频序列之间的校验关系；跳频序列控制频率合成器输出发射载波频率，将发射载波频率作为跳频调制器的载波信号输入；从跳频调制器输出的跳频信号通过天线发送出去。
本实施例的MDFH系统将发送数据分为：L＝Nhk+Bs，分段划分后的数据Nhk比特的数据作为载波信息。当发送数据的载波信息部分通过卷积编码器后，每k个比特被编码成为Bc个比特，再由这Bc个比特映射到选定的Nk个载波频率点上，这里
Figure BDA0000149559310000041
在基带采取多进制数字频率调制MFSK，将Bs比特的信息进行基带调制，然后将调制后的基带信号变频到Nh个载波频率上，从而实现跳频。Bc个比特信息数据通过频率转移函数与输出的Nk个频率信息之间建立了校验关系，当这种校验关系因为传输错误而受到破坏时，是可以被发现并予以纠正的。
接收机如图5所示，快速傅里叶变换FFT模块、平方模块、维特比译码器、跳频解调器、基带解调器，数据合并单元。接收天线与各FFT单元的输入端相连，FFT单元的输出端分别与平方模块的输入端以及跳频解调器的已调信号输入端相连，各平方模块的输出端对应连接维特比译码器的各输入端，维特比译码器的输出端分别连数据合并单元的载波信息输入端以及跳频解调器的载波信号输入端，跳频解调器的输出端连接基带解调器的已调信号输入端，基带解调器的输出端连接数据合并单元的调制信息输入端，数据合并单元输出恢复的原始信息数据。FFT单元的数量等于采样频率的频点数量。
在接收端，采用基于FFT的宽带跳频信号检测技术对天线接收到的信号进行宽带跳频信号检测，得到跳频信号在系统中各频点的能量(各个可能频点的能量值，即系统中所有发射载波频点上所对应的频点能量)后一方面输入作为跳频解调的已调信号输入，另一方面各频点能量做平方运算后分别输入至维特比译码器，维特比译码器进行频率序列译码，这里的频率序列译码采用维特比译码算法，在每跳持续时间内可恢复发送的k比特载波信息以及发射载波频率，这样在一个码元持续时间内共恢复Nhk比特的载波信息。将采用维特比译码出来的发射载波频率送入跳频解调模块的，再通过基带解调的累积判决可以恢复Bc比特调制信息，然后将恢复出来的载频信息与调制信息合并得到原始信息数据。
FFT模块对输入的信号进行FFT频谱分析，将其在跳频频率fn处进行采样，n＝0，1，...N-1。载波频点数为
Figure BDA0000149559310000042
而MFSK调制共有
Figure BDA0000149559310000043
个频率，所以
Figure BDA0000149559310000044
将N个频率均分为
Figure BDA0000149559310000045
个部分，把每个部分的
Figure BDA0000149559310000046
个频点的FFT样值相加作为该部分载波频率的FFT样值，这就得到
Figure BDA0000149559310000047
个载波频率的FFT样值。载波信息的译码过程就是利用载波频率的FFT样值在频率网格图上搜索出最大似然频率转移路径的过程。
如图6所示，以输入卷积编码的输入序列k＝1，输出序列n＝6为配置参数设置系统，通过计算机仿真表明，在频率非选择性瑞利慢衰落信道中，载波比特数Bc＝6，调制比特数Bs＝1，每一个码元持续时间内载波频率的跳变次数为Nh＝3。通过使用本发明方法的MDFH系统的误比特率性能优于现有MDFH系统的误比特率性能。当系统误比特率为1×10-3时，使用本发明方法的MDFH系统与现有MDFH系统相比，带来了15dB的性能增益。

Claims (4)

1.一种基于MDFH的数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
数据发送步骤：将原始信息数据分离为调制信息及载波信息；将调制信息进行基带调制，将基带调制后得到的基带已调信号作为跳频调制的调制信号输入；载波信息经过卷积编码后得到跳频序列，并建立输入的载波信息与跳频序列之间的校验关系；跳频序列控制频率合成输出发射载波频率，将发射载波频率作为跳频调制的载波信号输入；将经过跳频调制后输出的跳频信号通过天线发送出去；
数据接收步骤：利用快速傅里叶变换FFT对天线接收到的信号进行宽带跳频信号检测，并通过FFT得到当前接收信号在系统中所有发射载波频点上所对应的频点能量，将得到的各频点能量一方面输入作为跳频解调的已调信号输入，另一方面各频点能量做平方运算后分别输入至维特比译码器，维特比译码器通过维特比译码算法恢复出发射载波频率与载波信息，发射载波频率作为跳频解调的载波信号输入，跳频解调出的基带已调信号作为基带解调的已调信号输入，基带解调出调制信息，最后，将调制信息与载波信息进行数据合并恢复出原始信息数据。
2.如权利要求1所示一种基于MDFH的数据传输方法，其特征在于，所述基带调制为多进制数字频率调制MFSK。
3.一种基于MDFH的数据传输系统，包括数据发送模块、数据接收模块，其特征在于，数据发送模块包括数据分离单元、基带调制器、跳频调制器、卷积编码器、频率合成器和发射天线；数据接收模块包括，快速傅里叶变换FFT模块、平方模块、维特比译码器、跳频解调器、基带解调器，数据合并单元；
数据发射模块中，数据分离单元的输入端接收原始信息数据，数据分离单元的调制信息输出端与基带调制器的调制信号输入端相连，基带调制器的输出端与跳频调制器的调制信号输入端相连，跳频调制器的输出端与天线相连；数据分离单元的载波信息输出端与卷积编码器的输入端相连，卷积编码器的输出端与频率合成器的控制信号输入端相连，频率合成器的输出端与跳频调制器的载波输入端相连；
数据接收模块中，接收天线与多个FFT单元的输入端相连，FFT单元的输出端分别与平方模块的输入端以及跳频解调器的已调信号输入端相连，各平方模块的输出端对应连接维特比译码器的各输入端，维特比译码器的输出端分别连数据合并单元的载波信息输入端以及跳频解调器的载波信号输入端，跳频解调器的输出端连接基带解调器的已调信号输入端，基带解调器的输出端连接数据合并单元的调制信息输入端，数据合并单元输出恢复的原始信息数据；FFT单元的数量等于采样频率的频点数量；
所述卷积编码器用于建立输入的载波信息与输出的跳频序列之间的校验关系；所述维特比译码器用于接收各频点能量做平方通过维特比译码恢复出发射载波频率以及载波信息。
4.如权利要求3所示一种基于MDFH的数据传输系统，其特征在于，所述基带调制器采用多进制数字频率调制MFSK，采样频率的频点数量其中
Figure FDA0000149559300000022
为发射载波频率的频点总数，
Figure FDA0000149559300000023
为MFSK调制的频率的频点总数。
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