CN103220015B - 一种基于导频叠加的快跳频接收机、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导频叠加的快跳频发射机、接收机、系统及方法，采用发射机与接收机均已知的导频信号与数据信号叠加，其中数据跳频载频和导频跳频载频正交，当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频，接收机根据导频接收信号进行导频信道估计，由于一个跳频驻留时间短于信道相干时间，在两个跳频时隙内信道缓慢变化或保持近似不变，因此根据上一跳频时隙的导频信道估计即可得到当前跳频时隙的数据信道估计值，再通过数据信道估计值与数据接收信号进行原始数据信号的估计。采用本发明可在快跳频通信系统中估计每一跳频时隙信道，从而在快跳频系统中使用需要估计信道信息的编码方法和发送方法。

Description

一种基于导频叠加的快跳频接收机、系统及方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于导频叠加的快跳频发射机、接收机、系统及方法。 

背景技术

跳频通信系统主要用于战术无线电通信和民用移动通信。跳频系统有快跳频(Fast Frequency Hopping，FFH)系统和慢跳频(Slow Frequency Hopping，SFH)系统两种。FFH系统的跳频速率高于信息调制器输出的符号速率，一个信息符号需要占用多个跳频时隙。 

现有快跳频系统可做到每秒十万跳，即每个频点驻留时间为10微秒。对于现有的快跳频系统，由于每一跳频时隙的短暂和频率跳变的随机性，导致缺乏及时的信道估计方法。因此，现有的快跳频系统多使用非相干解调的频移键控(Frequency-shift keying，FSK)调制方式，而无法使用需要信道估计值的编码方法和发送接收方法。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于导频叠加的快跳频发射机、接收机、系统及方法，实现在快跳频通信系统中估计每一跳频时隙的信道，从而使快跳频系统能够使用需要信道估计值的编码方法和发送接收方法。 

为实现上述发明目的，本发明基于导频叠加的快跳频发射机，其特征在于包括： 

一控制单元，用于向数据跳频调制单元和导频跳频调制单元发送控制信号，包括数据频率控制信号F_data、导频频率控制信号F_pilot，根据实施情况设置数据部 分发射功率占总发射功率的比例ρ,0＜ρ＜1，得到数据功率分配系数导频功率分配系数控制生成数据信号与导频信号的特征，其中数据跳频载频f₁和导频跳频载频f₂正交，当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频； 

一数据跳频调制单元，用于生成快跳频调制的数据信号其中S_data为原始数据信号的调制信号，为数据所需跳频载波； 

一导频跳频调制单元，用于生成快跳频调制的导频信号其中S_pilot为发射机与接收机均已知的导频信号的调制信号，为已知导频所需跳频载波； 

一加法器，用于将快跳频调制的数据信号和快跳频调制的导频信号相叠加形成一路信号 $x\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}$ 并发送，发送信号可采用一路叠加或多路叠加，多路叠加时同一跳频时隙内所有数据信号和导频信号频率两两正交。 

本发明基于导频叠加的快跳频接收机，其特征在于包括： 

一信道估计单元，用于根据接收信号  $y\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}+n\left(t\right)$ 进行导频信道估计，其中g₁(t)是数据经历的信道衰落过程，g₂(t)是导频经历的信道衰落过程，g₁(t)和g₂(t)是复高斯随机过程，n(t)是零均值复高斯白噪声，接收信号的基带模型可表示为 g₁、g₂、n分别表示g₁(t)、g₂(t)、n(t)的基带形式；根据跳频图案得到导频信号对应的解跳载波，对接收信号进行解跳，得到 $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 再从中将导频接收信号分离出来，分离得到的导频接收信号的基带形式为其 中n₂为分离后导频接收信号中的噪声，得到导频信道估计值并存储； 

一数据检测单元，用于根据跳频图案得到数据信号对应的解跳载波，对接收信号进行解跳，得到  $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t},$ 再从中将数据接收信号分离出来，分离得到的数据接收信号的基带形式为其中n₁为分离后数据接收信号中的噪声；将上一跳频时隙的导频信道估计值取复共轭得到将延迟一个跳频时隙得到当前跳频时隙的数据信道估计值的复共轭 从而得到原始数据信号的估计值。 

本发明基于导频叠加的快跳频系统，其特征在于，包括本发明所提出的基于导频叠加的快跳频发射机和基于导频叠加的快跳频接收机。 

本发明基于导频叠加的快跳频发射方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）、根据跳频图案生成当前跳频时隙数据所需跳频载波，其频率f₁与上一跳频时隙导频的跳频载波相同，其中跳频图案为一发射机与接收机均已知的频率序列，其相邻频率正交； 

（2）、对原始数据信号进行调制得到已调制数据信号S_data；根据实际情况设置数据部分发射功率占总发射功率的比例ρ,0＜ρ＜1，得到数据功率分配系数 将数据功率分配系数、数据载频信号与已调制数据信号相乘，生成跳频调制的数据信号 $\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t};$

（3）、根据跳频图案生成当前跳频时隙导频所需跳频载波，f₂为跳频图案中f₁的下一个频率； 

（4）、对导频信号进行调制得到已调制导频信号S_pilot，其中导频信号为发射机与接收机均已知的导频；导频功率分配系数为将导频功率分配系数、 导频载频信号与已调制导频信号相乘，生成跳频调制的导频信号  $\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t;}$

（5）、将跳频调制的数据信号和跳频调制的导频信号叠加得到一路信号  $x\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 在同一跳频时隙内发送，发送信号可采用一路或多路叠加，多路叠加时在同一跳频时隙内所有数据信号和导频信号频率两两正交。 

本发明基于导频叠加的快跳频接收方法，其特征在于，包括以下步骤： 

（1）、接收机接收发射机发送的信号，接收信号记为  $y\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}+n\left(t\right),$ 其中g₁(t)是数据经历的信道衰落过程，g₂(t)是导频经历的信道衰落过程，g₁(t)和g₂(t)是复高斯随机过程，n(t)是零均值复高斯白噪声；接收信号的基带模型可表示为 g₁、g₂、n(t)分别表示g₁(t)、g₂(t)、n(t)的基带形式； 

（2）、接收机根据跳频图案得到导频信号对应的解跳载波，与接收信号相乘，对接收信号进行解跳，得到  $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 再从中将导频接收信号分离出来，分离得到的导频接收信号基带形式为其中n₂为分离后导频接收信号中的噪声，得到当前跳频时隙的导频信道估计值  ${\hat{g}}_2=\frac{r_{\mathrm{pilot}}}{\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}}$ 并存储； 

（3）、接收机根据跳频图案得到数据信号对应的解跳载波与接收信号相乘，对接收信号进行解跳，得到  $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{(f_2-f_1)}^t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t},$ 再从中将数据接收信号分离出来，分离得到的数据接收信号的基带形式为其中n₁为 分离后数据接收信号中的噪声； 

（4）、接收机将上一跳频时隙的导频信道估计值取复共轭得到延迟一个跳频时隙得到当前跳频时隙数据信道估计值的复共轭利用一个数据符号内产生的所有数据信道估计将对应的数据接收信号r_data进行合并，得到合并值； 

（5）、接收机搜索所有数据接收信号星座点中与合并值欧氏距离最小的点，作为原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值，最后通过调制映射关系得到原始数据信号的估计值。 

本发明基于导频叠加的快跳频通信方法，其特征在于，包括本发明提出的基于导频叠加的快跳频发射方法和基于导频叠加的快跳频接收方法。 

本发明的发明目的是这样实现的： 

本发明基于导频叠加的快跳频发射机、接收机、系统及方法，在发射端将数据信号和导频信号跳频调制到正交的载频上，在同一个跳频时隙内叠加发送，当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频；在接收端经过解跳、分离后将数据接收信号和导频接收信号分离开来，利用已知导频的接收信号得到导频信道估计值，利用上一跳频时隙的导频信道估计值得到当前跳频时隙的数据信道估计值，利用每一跳频时隙的信道估计值对一个数据符号包含的所有跳频数据合并，再通过数据信道估计值与数据接收信号进行原始数据信号的估计。 

本发明可实现以下的有益效果： 

①、导频信号和数据信号频率正交，便于接收机将导频信号与数据信号进行分离。 

②、通过采用已知导频，接收机可估计每一跳频时隙的信道，使快跳频系 统能够使用需要信道估计值的编码方法和发送接收方法。 

附图说明

图1是本发明基于导频叠加的快跳频发射机的具体实施方式1的架构图； 

图2是本发明基于导频叠加的快跳频发射机的具体实施方式2的架构图； 

图3是本发明基于导频叠加的快跳频接收机的具体实施方式1的架构图； 

图4是本发明基于导频叠加的快跳频接收机的具体实施方式2的架构图； 

图5是本发明基于导频叠加的快跳频通信方法的一种具体实施方式流程图； 

图6是图5所示具体实施方式中一路发送信号的示意图； 

图7是图5所示具体实施方式中多路叠加发送信号的示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。 

实施例 

本发明实施例中的快跳频发射机和快跳频接收机组成的快跳频通信系统，通过安排导频和数据的发射方式，在估计数据信息的同时，还获得了每一跳的信道估计值。与传统基于非相干检测的FFH-MFSK数据传输方案不同，本发明实施例是基于相干检测的FFH-BPSK数据传输方案。 

图1是本发明基于导频叠加的快跳频发射机的具体实施方式1的架构图。如图1所示，本发明基于导频叠加的快跳频发射机包括： 

一控制单元2，用于向数据跳频调制单元和导频跳频调制单元发送控制信 号，包括数据频率控制信号F_data、导频频率控制信号F_pilot，根据实施情况设置数据部分发射功率占总发射功率的比例ρ,0＜ρ＜1，得到数据功率分配系数导频功率分配系数控制生成数据信号与导频信号的特征，其中数据跳频载频f₁和导频跳频载频f₂正交，当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频。 

一数据跳频调制单元1，用于生成快跳频调制的数据信号其中S_data为原始数据信号的调制信号，为数据所需跳频载波。 

一导频跳频调制单元3，用于生成快跳频调制的导频信号其中S_pilot为已知导频信号的调制信号，为已知导频所需跳频载波。该已知导频是发射机与接收机均已知的。 

一加法器4，用于将快跳频调制的数据信号和快跳频调制的导频信号相叠加形成一路信号 $x\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}$ 并发送，发送信号可采用一路叠加或多路叠加，多路叠加时同一跳频时隙内所有数据信号和导频信号频率两两正交。 

图2是本发明基于导频叠加的快跳频发射机的具体实施方式2的架构图，是图1所示快跳频发射机各功能单元的一种细化。如图2所示，数据跳频调制单元1包括： 

一数据调制模块11，用于对原始数据信号进行调制，得到已调制数据信号S_data； 

一跳频频率合成模块12，用于根据控制单元2的数据频率控制信号F_data生成频率为f₁的跳频载波

一乘法器13，用于将控制单元2传来的数据功率分配系数已调制数据信号S_data和跳频载波相乘，输出乘积值

控制单元2包括： 

一跳频频率控制模块21，用于根据跳频图案生成每一跳的数据频率控制信号F_data和导频频率控制信号F_pilot，使数据跳频载频f₁和导频跳频载频f₂正交，并且当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频。其中跳频图案为一发射机与接收机均已知的频率序列，其相邻频率正交。 

一功率分配模块22，用于生成数据功率分配系数和导频功率分配系数 其中ρ,0＜ρ＜1表示数据部分发射功率占总发射功率的百分比，其值根据实际情况设置。 

导频跳频调制单元3包括： 

一导频调制模块32，对已知导频进行调制，得到已调制导频信号S_pilot。 

一跳频频率合成模块31，用于根据控制单元2的数据频率控制信号F_pilot生成频率为f₂的跳频载波

一乘法器33，用于将控制单元2传来的数据功率分配系数已调制数据信号S_pilot和跳频载波e相乘，输出乘积值

图3是本发明基于导频叠加的快跳频接收机的具体实施方式1的架构图。如图3所示，本发明基于导频叠加的快跳频接收机包括： 

一信道估计单元5，用于根据接收信号  $y\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}+n\left(t\right)$ 进行导频信道估计，其中g₁(t)是数据经历的信道衰落过程，g₂(t)是导频经历的信道衰落过程，g₁(t)和g₂(t)是复高斯随机过程，n(t)是零均值复高斯白噪声，接收信号的基带模型可表示为 g₁、g₂、n分别表示g₁(t)、g₂(t)、n(t)的基带形式；根据跳频图案得到导频信号对应的解跳载波对接收信号进行解跳，得到 $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 再从中将导频接收信 号分离出来，分离得到的导频接收信号的基带形式为其中n₂为分离后导频接收信号中的噪声，得到导频信道估计值并存储。 

一数据检测单元6，用于根据跳频图案得到数据信号对应的解跳载波对接收信号进行解跳，得到  $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t},$ 再从中将数据接收信号分离出来，分离得到的数据接收信号的基带形式为其中n₁为分离后数据接收信号中的噪声；将上一跳频时隙的导频信道估计值取复共轭得到将延迟一个跳频时隙得到当前跳频时隙的数据信道估计值的复共轭 从而得到原始数据信号的估计值。 

图4是本发明基于导频叠加的快跳频接收机的具体实施方式2的架构图，是图3所示快跳频接收机各功能单元的一种细化。如图2所示，信道估计单元5包括： 

一跳频频率合成模块54，用于根据跳频图案生成导频解跳载波

一乘法器51，用于将导频解跳载波与接收信号y(t)相乘，得到乘积值  $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}.$

一信号分离模块52，用于将导频接收信号从接收信号中分离出来，导频信号基带形式为其中n₂为分离后导频接收信号中的噪声。信号分离模块52可采用常规的滤波器，也可采用积分器。 

一信道估计模块53，用于将r_pilot除以已知导频得到当前跳频时隙的导频信道估计值 ${\hat{g}}_2=\frac{r_{\mathrm{pilot}}}{\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}}$ 并存储。 

数据检测单元6包括： 

一跳频频率合成模块63，用于根据跳频图案生成数据解跳载波

一乘法器64，用于将数据解跳载波与接收信号y(t)相乘，得到乘积值  $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}.$

一信号分离模块65，用于将数据接收信号从接收信号中分离出来，数据接收信号的基带形式为其中其中n₁为分离后数据接收信号中的噪声。信号分离模块65可采用常规的滤波器，也可采用积分器。 

一取复共轭模块61，用于从信道估计单元5中读取上一跳频时隙的导频信道估计值并取复共轭得到

一延迟模块62，用于将延迟一个跳频时隙，输出即为当前跳频时隙的数据信道估计值的复共轭

一合并模块66，用于利用一个数据符号内产生的所有数据信道估计将对应的数据接收信号r_data进行合并，得到合并值。 

合并可采用最大比合并、等增益合并、选择式合并、切换合并等，例如采用最大比合并，将一个数据符号内产生的所有数据信道估计与其对应的数据接收信号r_data,i相乘得到求和得到合并值其中L为一个数据符号包含的频率跳变次数，为第i次频率跳变接收信号的数据信道估计值的复共轭，r_data,i为第i次频率跳变接收信号分离得到的数据接收信号。 

一最大似然估计模块67，用于在数据接收信号星座点中搜索与合并值欧氏距离最小的点，作为原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值，再根据数据调制的映射关系，得到原始数据信号的估计值。 

如果在合并模块中采用最大比合并，原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值其中S是所有数据信号星座点构成的集合。 

采用本实施例中所描述的基于导频叠加的快跳频发射机与快跳频接收机，即可组成基于导频叠加的快跳频系统。 

快跳频发射机用于生成快跳频调制的数据信号并控制快跳频调制的数据信号的频率和功率；生成快跳频调制的导频信号并控制快跳频调制的导频信号的频率和功率；将快跳频调制的数据信号和快跳频调制的导频信号相加并发送。快跳频发射机包括：控制单元2、数据跳频调制单元1、导频跳频调制单元3、加法器4，其中控制单元2包括跳频频率控制模块21、功率分配模块22，数据跳频调制单元1包括数据调制模块11、跳频频率合成模块12、乘法器13，导频跳频调制单元3包括导频调制模块32、跳频频率合成模块31、乘法器33。 

快跳频接收机用于生成信道信息估计值；利用所述信道信息估计值检测发送的数据。快跳频接收机包括：信道估计单元5和数据检测单元6，其中信道估计单元5包括跳频频率合成模块54、乘法器51、信号分离模块52、信道估计模块53，数据检测单元包括跳频频率合成模块63、乘法器64、信号分离模块65、取复共轭模块61、延迟模块62、合并模块66、最大似然估计模块67。 

图5是本发明基于导频叠加的快跳频通信方法的一种具体实施方式流程图，如图5所示，本发明基于导频叠加的快跳频通信方法主要包括两个阶段方法：基于导频叠加的快跳频发射方法和基于导频叠加的快跳频接收方法，其中发射方法包括以下步骤： 

步骤S501：发射机生成当前跳频时隙内用于加载数据的跳频载波： 

发射机根据跳频图案生成当前跳频时隙数据所需跳频载波其频率f₁与上一跳频时隙导频的跳频载频相同，其中跳频图案为一发射机与接收机均已知的频率序列，其相邻频率正交。 

步骤S502：发射机利用跳频载波与已调制数据信号相乘，生成跳频调制的 数据信号： 

发射机对原始数据信号进行调制得到已调制数据信号S_data，本实施例中采用的是BPSK调制；根据实际情况设置数据部分发射功率占总发射功率的比例ρ,0＜ρ＜1，得到数据功率分配系数将数据功率分配系数、数据载频信号与已调制数据信号相乘，生成跳频调制的数据信号

步骤S503：发射机生成当前跳频时隙内用于加载导频的跳频载波： 

发射机根据跳频图案生成当前跳频时隙导频所需跳频载波f₂为跳频图案中f₁的下一个频率。 

步骤S504：发射机用跳频载波与已调制导频信号相乘，生成跳频调制的导频信号： 

发射机对导频信号进行调制得到已调制导频信号S_pilot，其中导频信号为发射机与接收机均已知的导频；导频功率分配系数为将导频功率分配系数、导频载频信号与已调制导频信号相乘，生成跳频调制的导频信号  $\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t.}$

步骤S505：发射机将跳频调制的数据信号和跳频调制的导频信号相加，在同一跳频时隙内发送： 

发射机将跳频调制的数据信号和跳频调制的导频信号叠加得到一路信号  $x\left(t\right)=\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 在同一跳频时隙内发送，发送信号可采用一路或多路叠加，多路叠加时在同一跳频时隙内所有数据信号和导频信号频率两两正交。 

图6是图5所示具体实施方式中一路发送信号的示意图。如图6所示，同一跳频时隙内采用一路数据与一路导频叠加，数据与导频的载频频率正交，当前跳频时隙数据所使用的跳频载频是上一跳频时隙导频所使用的跳频载频，T_hop 表示跳频周期。图7是图5所示具体实施方式中多路叠加发送信号的示意图。如图7所示，同一跳频时隙内采用多路数据与多路导频叠加，且所有数据与导频的载频频率两两正交。 

接收方法包括以下步骤： 

步骤S506：接收机接收发射机发送的跳频信号，生成导频信号和数据信号对应的载频，利用接收信号对导频信号和数据信号解跳： 

接收机接收发射机发送的信号，接收信号记为  $y\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}+n\left(t\right),$ 其中g₁(t)是数据经历的信道衰落过程，g₂(t)是导频经历的信道衰落过程，g₁(t)和g₂(t)是复高斯随机过程，n(t)是零均值复高斯白噪声；接收信号的基带模型可表示为 g₁、g₂、n分别表示g₁(t)、g₂(t)、n(t)的基带形式。 

接收机根据跳频图案得到导频信号对应的解跳载波与接收信号相乘，对接收信号进行解跳，得到  $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t};$ 根据跳频图案得到数据信号对应的解跳载波与接收信号相乘，对接收信号进行解跳，得到  $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{+g}_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{-j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}.$

步骤S507：接收机分离解跳后的导频接收信号和数据接收信号： 

接收机分离解跳后的导频接收信号和数据接收信号，分离得到的导频接收信号基带形式为其中n₂为分离后导频接收信号中的噪声；分离得到的数据接收信号的基带形式为其中n₁为分离后数据接收信号中的噪声。本实施例中，导频接收信号和数据接收信号的分离可采用常规的滤波器，也可采用积分器进行分离： 

对 $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}$ 进行积分，由于f₁和f₂正交，则第一项g₁(t)的积分为0，从而分离出导频接收信号。 

对 $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{(f_2-f_1)}^t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}$ 进行积分，由于f₁和f₂正交，则第二项的积分为0，从而分离出数据接收信号。 

步骤S508：接收机利用导频接收信号估计信道信息： 

本发明中，当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频，考虑一个跳频驻留时间短于信道相干时间，在两个跳频时隙内信道缓慢变化或保持近似不变，因此根据上一跳频时隙的导频信道估计即可得到当前跳频时隙的数据信道估计值。 

接收机将上一跳频时隙的导频信道估计值取复共轭得到延迟一个跳频时隙得到当前跳频时隙数据信道估计值的复共轭对于当前跳频时隙的导频接收信号，根据导频接收信号得到当前跳频时隙的导频信道估计值并存储，用于下一跳频时隙的数据信道估计。 

步骤S509：接收机根据一个数据符号包含的所有跳频时隙的数据信道估计值和数据接收信号生成合并值： 

利用一个数据符号内产生的所有数据信道估计将对应的数据接收信号r_data进行合并，得到合并值。 

步骤S510：采用最大似然估计方法得到原始数据信号对应的调制信号的估计值，通过调制映射关系得到原始数据信号的估计值： 

接收机搜索所有数据接收信号星座点中与合并值欧氏距离最小的点，作为原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值，最后通过调制映射关系得到原始数据信号的估计值。 

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。 

Claims (6)

1.一种基于导频叠加的快跳频接收机，其特征在于包括：

一信道估计单元，用于根据接收信号 $y\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}+n\left(t\right)$ 进行导频信道估计，其中g₁(t)是数据经历的信道衰落过程，ρ,0＜ρ＜1为发射机中设置的数据部分发射功率占总发射功率的比例，为数据功率分配系数，S_data为发射机中原始数据信号的调制信号，为发射机中数据跳频调制所需跳频载波，f₁为数据跳频载频，g₂(t)是导频经历的信道衰落过程，为导频功率分配系数，S_pilot为发射机中已知导频信号的调制信号，为发射机中导频跳频调制所需跳频载波，f₂为导频跳频载频，g₁(t)和g₂(t)是复高斯随机过程，n(t)是零均值复高斯白噪声，接收信号的基带模型可表示为g₁、g₂、n分别表示g₁(t)、g₂(t)、n(t)的基带形式；根据跳频图案得到导频信号对应的解跳载波对接收信号进行解跳，得到 $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 再从中将导频接收信号分离出来，分离得到的导频接收信号的基带形式为其中n₂为分离后导频接收信号中的噪声，得到导频信道估计值并存储；

一数据检测单元，用于根据跳频图案得到数据信号对应的解跳载波对接收信号进行解跳，得到 $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t},$ 再从中将数据接收信号分离出来，分离得到的数据接收信号的基带形式为其中n₁为分离后数据接收信号中的噪声；在发射机中设置当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频，将上一跳频时隙的导频信道估计值取复共轭得到将延迟一个跳频时隙得到当前跳频时隙的数据信道估计值的复共轭利用一个数据符号内产生的所有数据信道估计将对应的数据接收信号r_data进行合并，得到合并值，在数据接收信号星座点中搜索与合并值欧氏距离最小的点，作为原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值，再根据数据调制的映射关系，从而得到原始数据信号的估计值。

2.根据权利要求1所述的快跳频接收机，其特征在于，所述的信道估计单元包括：

一跳频频率合成模块，用于根据跳频图案生成导频解跳载波

一乘法器，用于将导频解跳载波与接收信号y(t)相乘，得到乘积值 $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t};$

一信号分离模块，用于将导频接收信号从接收信号中分离出来，导频信号基带形式为 $r_{\mathrm{pilot}}=g_2\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n_2;$

一信道估计模块，用于将r_pilot除以已知导频得到当前跳频时隙的导频信道估计值 ${\hat{g}}_2=\frac{r_{\mathrm{pilot}}}{\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}}$ 并存储。

3.根据权利要求1所述的快跳频接收机，其特征在于，所述的数据检测单元包括：

一跳频频率合成模块，用于根据跳频图案生成数据解跳载波

一乘法器，用于将数据解跳载波与接收信号y(t)相乘，得到乘积值 $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t};$

一信号分离模块，用于将数据接收信号从接收信号中分离出来，数据接收信号的基带形式为 $r_{\mathrm{data}}=g_1\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+n_1;$

一取复共轭模块，用于从信道估计单元中读取上一跳频时隙的导频信道估计值并取复共轭得到

一延迟模块，用于将延迟一个跳频时隙，输出即为当前跳频时隙的数据信道估计值的复共轭

一合并模块，用于利用一个数据符号内产生的所有数据信道估计将对应的数据接收信号r_data进行合并，得到合并值；

一最大似然估计模块，用于在数据接收信号星座点中搜索与合并值欧氏距离最小的点，作为原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值，再根据数据调制的映射关系，得到原始数据信号的估计值。

4.一种基于导频叠加的快跳频系统，包括基于导频叠加的快跳频发射机，用于生成快跳频调制的数据信号和快跳频调制的导频信号，叠加后发送给快跳频接收机，其特征在于，还包括如权利要求1至3任一所述的快跳频接收机。

5.一种基于导频叠加的快跳频接收方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、接收机接收发射机发送的信号，接收信号记为 $y\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{1}t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}{f}_{2}t}+n\left(t\right),$ 其中g₁(t)是数据经历的信道衰落过程，ρ,0＜ρ＜1为发射机中设置的数据部分发射功率占总发射功率的比例，为数据功率分配系数，S_data为发射机中原始数据信号的调制信号，为发射机中数据跳频调制所需跳频载波，f₁为数据跳频载频，g₂(t)是导频经历的信道衰落过程，为导频功率分配系数，S_pilot为发射机中已知导频信号的调制信号，为发射机中导频跳频调制所需跳频载波，f₂为导频跳频载频，g₁(t)和g₂(t)是复高斯随机过程，n(t)是零均值复高斯白噪声；接收信号的基带模型可表示为g₁、g₂、n(t)分别表示g₁(t)、g₂(t)、n(t)的基带形式；

(2)、接收机根据跳频图案得到导频信号对应的解跳载波与接收信号相乘，对接收信号进行解跳，得到 $y_2\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_1-f_2)t}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{2}t},$ 再从中将导频接收信号分离出来，分离得到的导频接收信号基带形式为其中n₂为分离后导频接收信号中的噪声，得到当前跳频时隙的导频信道估计值并存储；

(3)、接收机根据跳频图案得到数据信号对应的解跳载波与接收信号相乘，对接收信号进行解跳，得到 $y_1\left(t\right)=g_1\left(t\right)\sqrt{\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{data}}+g_2\left(t\right)\sqrt{1-\mathrm{\ρ}}{S}_{\mathrm{pilot}}{e}^{j2\mathrm{\π}(f_2-f_1)t}+n\left(t\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{1}t},$ 再从中将数据接收信号分离出来，分离得到的数据接收信号的基带形式为其中n₁为分离后数据接收信号中的噪声；

(4)、在发射机中设置当前跳频时隙的数据跳频载频是上一跳频时隙的导频跳频载频，接收机将上一跳频时隙的导频信道估计值取复共轭得到延迟一个跳频时隙得到当前跳频时隙数据信道估计值的复共轭利用一个数据符号内产生的所有数据信道估计将对应的数据接收信号r_data进行合并，得到合并值；

(5)、接收机搜索所有数据接收信号星座点中与合并值欧氏距离最小的点，作为原始数据信号对应的调制信号S_data的估计值，最后通过调制映射关系得到原始数据信号的估计值。

6.一种基于导频叠加的快跳频通信方法，包括基于导频的快跳频发射方法，生成快跳频调制的数据信号和快跳频调制的导频信号，叠加后进行发送，其特征在于，还包括如权利要求5所述的快跳频接收方法。