CN104393891A - 采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法 - Google Patents
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Abstract
该发明属于无线通信技术领域的直接序列扩频/跳频的通信方法，包括：发射端的生成跳频比特数据流与直扩比特数据流，获取直接序列扩频信号，获取直接序列扩频/跳频信号，上变频处理及射频信号发射；接收端的信号接收及下变频射频处理，获取解扩信号，解跳，获取跳频比特数据流和直扩比特数据流，获取输入发射端的信息数据；与背景技术相比，在Rayleigh衰落信道下、当误码率为10-3时，背景技术所需的信噪比约为8.5dB，该发明所需信噪比约为5dB，该发明信噪比增益提高约3.5dB左右。因而，该发明具有频谱效率高、数据传输能力强，收、发双方同步要求及直接序列扩频/跳频通信系统的复杂性低，误码率的性能较之背景技术明显提高等特点。
Description
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体而言是利用部分信息数据驱动直接序列扩频/跳频的通信方法。
背景技术
扩展频谱通信方法是一种非常重要的抗干扰通信技术，目前已被广泛运用在民用与军事通信系统中，它与光纤通信、卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。扩展频谱一般简称为扩频，扩频是指用于传输信号的带宽远大于信息本身所需带宽的一种通信方式。
扩频通信技术可按照技术划分类型为：直接序列(DS)扩频、跳频(FH)扩频、跳时(TH)扩频和线性调频(chirp)等通信技术。
所谓直接序列扩频，就是直接用高码率的扩频伪噪声(PN)码在发射端去扩展信号的频谱，得到波特率远大于信息速率、功率谱密度极低的扩频信号，如果信号在信道中受到了干扰，当接收端用与发射端完全同步的扩频PN码接收信号进行解扩处理，在对接收信号解扩的同时也对干扰信号进行了扩频，降低了干扰信号的功率谱密度，接收端只需要窄带滤波器就可以滤除带外干扰，从而提高了接收信号的信干比。但是直接序列扩频对于与其中心频率相同的窄带瞄准式干扰难以滤除，而且直接序列扩频的接收机具有明显的远近效应。
所谓跳频扩频，就是用伪随机码序列构成跳频指令来控制频率合成器，在多个频率中进行有选择的频移键控。因此，跳频扩频没有远近效应，且能抵抗窄带瞄准式干扰。但是，传统跳频扩频通信系统的发射信号功率大于噪声功率，容易被截获。
由于直接序列扩频和跳频扩频都具有很强的抗干扰能力，是用得最多的两种扩展频谱技术，各有自己的优势和不足。《扩跳频系统抗干扰性能分析与仿真》(电子科技大学硕士论文，作者：王勖健)一文公开了一种直接序列扩频/跳频通信技术。该文将直接序列扩频与跳频扩频两者结合构成直接序列扩频/跳频系统，可以大大改善通信系统性能，提高抗干扰能力。
在直接序列扩频/跳频系统的基本结构中，发射机首先对信息数据进行基带调制，得到基带信号，然后对其进行直接序列扩频，形成直接序列扩频信号；然后再对直接序列扩频信号进行跳频扩频，形成直接序列扩频/跳频信号；最后经上变频处理，再通过天线发射出去。在接收机，先对收到的射频信号进行下变频处理，然后解跳，再进行解扩，最后是基带解调恢复原始信息数据。
附图1即为该技术的主流程示意图(方框图)，其具体的步骤如下：
发射端A
步骤A-1.基带调制：对待发射的信息数据进行基带调制，得到基带信号；
步骤A-2.直接序列扩频调制：利用发射端的本地扩频PN对步骤A-1产生的基带信号进行直接序列扩频调制，得到直接序列扩频信号；
步骤A-3.获取直接序列扩频/跳频信号：本地跳频PN控制频率合成器产生载波频率，然后载波频率与步骤A-2产生的直接序列扩频信号混频，实现跳频调制，得到直接序列扩频/跳频信号；
步骤A-4.上变频射频信号发射：对步骤A-3产生的直接序列扩频/跳频信号进行上变频处理，再将处理后所得射频信号通过天线发射出去；
接收端B
步骤B-1.下变频射频信号接收：对接收端接收到的叠加了噪声干扰的射频信号进行下变频处理，从而得到直接序列扩频/跳频信号；
步骤B-2.跳频解跳：利用接收端本地的跳频PN对步骤B-1所得到的直接序列扩频/跳频信号进行跳频解跳，得到解跳信号；
步骤B-3.直接序列解扩：对步骤B-2得到的解跳信号进行直接序列解扩，得到解扩信号；
步骤B-4.基带解调：对步骤B-3得到的解扩信号进行基带解调，得到输入发射端的原始信息数据。
因而，上述背景技术主要存在以下缺陷：
1.严格的同步要求：收、发双方必须保持精确的频率同步，即接收机与发射机在相同的时刻必须使用相同的跳频频率，这是正确接收直接序列扩频/跳频信号的前提条件，这种同步要求直接导致了传统直接序列扩频/跳频通信系统的复杂性、设计的难度以及影响系统性能；
2.频谱效率低：传统直接序列扩频/跳频通信系统需要较大的带宽(MHz级)，且带宽与跳频速率及可用的信道数目成正比，因此频谱效率很低。
发明内容
本发明针对上述背景技术的不足，改进研究一种采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，即将发送信息通过数据分离，分成跳频比特数据流与直扩比特数据流两部分并分别进行处理；以达到在降低收、发双方对频率同步的精确度要求的基础上，有效提高频谱的效率及数据传输的能力，大幅度降低误码率等目的。
本发明的方案是：在发射端，首先对待发射的信息数据进行数据分离，分成跳频比特数据流与直扩比特数据流两部分；然后，对直扩比特进行基带调制及直接序列扩频，产生直接序列扩频信号，同时通过跳频比特生成载波频率号来驱动频率合成器，产生载波频率，再经混频器对直接序列扩频信号与载波频率进行混频、实现跳频调制，最后经上变频处理后的射频信号通过天线发射；
在接收端，首先对收到的信号进行下变频处理、得到直接序列扩频/跳频信号，经解扩后再采用匹配滤波器进行盲检测、以实现解跳；然后分别对解跳后信号进行“进制”转换及基带解调，从而恢复出跳频比特数据流及直扩比特数据流；最后通过数据融合，从而恢复发射端输入的信息数据。
本发明的具体实现流程如图2所示，具体的方法如下：
发射端A
步骤A-1.生成跳频比特数据流与直扩比特数据流：将输入待发射的信息数据进行数据分离，分成跳频比特与直扩比特，然后分别生成跳频比特数据流与直扩比特数据流；
步骤A-2.获取直接序列扩频信号：对步骤A-1产生的直扩比特数据流进行基带调制，得到基带信号，然后利用发射端的本地伪噪声码(PN)对基带信号进行直接序列扩频调制，得到直接序列扩频信号；
步骤A-3.获取直接序列扩频/跳频信号：首先对步骤A-1产生的跳频比特数据流进行二进制转十进制的转换，生成载波频率号，然后载波频率号驱动频率合成器产生载波频率，最后将载波频率与步骤A-2产生的直接序列扩频信号进行混频处理，以实现跳频调制，得到直接序列扩频/跳频信号；
步骤A-4.上变频处理及射频信号发射：对步骤A-3产生的直接序列扩频/跳频信号进行上变频处理，再将处理后所得射频信号通过天线发射出去；
接收端B
步骤B-1.信号接收及下变频射频处理：对接收端接收到的叠加了噪声干扰的射频信号进行下变频处理，从而得到直接序列扩频/跳频信号；
步骤B-2.获取解扩信号：利用接收端的本地伪噪声码(PN)对步骤B-1所得到的直接序列扩频/跳频信号进行解扩，得到解扩信号；
步骤B-3.解跳：采用匹配滤波器对步骤B-2所得解扩信号进行盲检测，检测出载波频率、以实现解跳；
步骤B-4.获取跳频比特数据流：对步骤B-3检测出的载波频率所对应的载波频率号进行十进制转二进制的转换，恢复出跳频比特数据流；
步骤B-5.获取直扩比特数据流：对步骤B-3解跳后的信号进行基带解调，得到直扩比特数据流；
步骤B-6.获取输入发射端的信息数据：对步骤B-4得到的跳频比特数据流与步骤B-5得到的直扩比特数据流进行数据融合，得到输入发射端的原始信息数据。
在步骤A-1中所述将输入待发射的信息数据进行数据分离，其方法为：把每个符号L比特的二进制信息通过串并转换分成βL比特的跳频比特与(1-β)L比特的直扩比特，其中β为比例系数、取值为：0<β<1，L为符号长度。在步骤A-3中所述进行二进制转十进制的转换，转换的方法为：跳频比特数据流每个βL比特进行二进制转十进制，生成一个十进制数的载波频率号，其中β为比例系数、取值为：0<β<1，L为符号长度。在步骤B-3中所述采用匹配滤波器对所得解扩信号进行盲检测，盲检测方法为平方律检测。在步骤B-4中所述进行十进制转二进制的转换，转换的方法为：对每一个载波频率号进行“十进制转二进制”的转换，生成βL比特的跳频比特。在步骤B-6中数据融合的方法为：把βL比特的跳频比特与(1-β)L比特的直扩比特通过并串转换生成L比特的二进制信息，其中β为比例系数、取值为：0<β<1，L为符号长度。
本发明由于在发射端首先对待发射的信息数据进行数据分离，分别生成跳频比特数据流与直扩比特数据流，然后，对直扩比特进行基带调制及直接序列扩频，产生直接序列扩频信号，同时通过跳频比特生成载波频率号以驱动频率合成器、产生载波频率，再经混频器对直接序列扩频信号与载波频率进行混频、实现跳频调制，最后经上变频处理后的射频信号通过天线发射；而接收端对收到的信号进行下变频处理、得到直接序列扩频/跳频信号，经解扩后再采用匹配滤波器进行盲检测解跳；然后分别对解跳后信号进行“进制”转换及基带解调，恢复出跳频比特数据流及直扩比特数据流；最后通过数据融合，恢复发射端输入的信息数据；在Rayleigh衰落信道下、在误码率为10-3时，背景技术所需的信噪比约为8.5dB，本发明的所需信噪比降到了约5dB，信噪比增益提高约3.5dB左右，本发明的误码率性能明显优于背景技术。因而，本发明具有频谱效率高、数据传输能力强，收、发双方同步要求及直接序列扩频/跳频通信系统的复杂性低，误码率的性能较之背景技术明显提高等特点。
附图说明
图1是传统DS/FH通信方法流程图(背景技术)；
图2是MD-DS/FH通信方法流程图(本发明)；
图3是背景技术与本发明在Rayleigh衰落信道下的误码率性能曲线对比图。
具体实施方式
本实施方式：符号长度L：10；
比例系数β：0.6；
基带调制方式：16PSK；
直接序列扩频的扩频因子：64；
载波频率数：64；
跳频速率：1000hop/s；
无线信道环境：Rayleigh衰落信道；
信道信噪比范围：[-20:30]dB；
数据分离方法：把每符号10比特的二进制信息通过串并转换分成6比特的跳频比特与4比特的直扩比特；
盲检测方法：平方律检测；
发射端A
步骤A-1.生成跳频比特数据流与直扩比特数据流：发射端的信息数据每10比特通过数据分离，分成跳频比特(长度为6比特)与直扩比特(长度为4比特)，以此方式发射端的信息数据[1 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1…]分成跳频比特数据流[0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1…]与直扩比特数据流[1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1…]；
步骤A-2.获取直接序列扩频信号：对步骤A-1产生的直扩比特数据流[1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1…]进行16PSK调制，得到基带信号[0.9239+0.3827i 0.7071-0.7071i -0.3827+0.9239i…]，然后利用发射端的本地扩频PN[1 1 1 1 1 1 0 0 0 0…]对基带信号[0.9239+0.3827i 0.7071-0.7071i -0.3827+0.9239i…]进行直接序列扩频调制，得到直接序列扩频信号
步骤A-3.获取直接序列扩频/跳频信号：首先对步骤A-1产生的跳频比特数据流[0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1…]进行“二进制转十进制”的转换，生成载波频率号[28 48 17…]，然后利用载波频率号[28 48 17…]驱动频率合成器产生载波频率[0 2800 4800…]，最后将载波频率[0 2800 4800…]与步骤A-2产生的直接序列扩频信号 进行混频处理，以实现跳频调制，得到直接序列扩频/跳频信号[0.9239+0.3827i 0.9239+0.3827i 0.9239+0.3827i 0.9239+0.3827i 0.9239+0.3827i0.9239+0.3827i -0.9239-0.3827i -0.9239-0.3827i -0.9239-0.3827i -0.9239-0.3827i…]；
步骤A-4.上变频射频信号发射：对步骤A-3产生的直接序列扩频/跳频信号 进行上变频处理，再将调制后所得射频信号通过天线发射出去；
接收端B
步骤B-1.下变频射频信号接收：对接收端接收到的叠加了噪声干扰的射频信号进行下变频处理，从而得到直接序列扩频/跳频信号，例如，当信道信噪比为-20dB时，所得到的直接序列扩频/跳频信号为[0.3194+0.7661i 0.0975-1.8783i-2.2714-2.9319i-1.9372+1.0885i 3.4999-3.8149i-2.3366+6.2661i -0.1272+0.0184i -0.1161-7.2560i -3.7165-1.9278i 5.6764-0.2981i…]；
步骤B-2.获取解扩信号：利用接收端的本地扩频PN[1 1 1 1 1 1 0 0 0 0…]对步骤B-1所得到的直接序列扩频/跳频信号[0.3194+0.7661i 0.0975-1.8783i-2.2714-2.9319i-1.9372+1.0885i 3.4999-3.8149i-2.3366+6.2661i -0.1272+0.0184i -0.1161-7.2560i -3.7165-1.9278i 5.6764-0.2981i…]
进行解扩，得到解扩信号[0.3194+0.7661i 0.0975-1.8783i-2.2714-2.9319i-1.9372+1.0885i 3.4999-3.8149i-2.3366+6.2661i 0.1272-0.0184i 0.1161+7.2560i 3.7165+1.9278i -5.6764+0.2981i…]；
步骤B-3.解跳：采用匹配滤波器对步骤B-2产生的解扩信号[ 进行盲检测，检测出载波频率[2800 0 2800…]；
步骤B-4.获取跳频比特数据流：对步骤B-3检测出的载波频率[2800 0 2800…]所对应的载波频率号[48 28 48…]进行“十进制转二进制”的转换，恢复出跳频比特数据流[1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0…]；
步骤B-5.获取直扩比特数据流：对步骤B-3解跳后的信号进行16PSK解调，得到直扩比特数据流[1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1…]；
步骤B-6.获取输入发射端的信息数据：对步骤B-4得到的跳频比特数据流[1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0…]与步骤B-5得到的直扩比特数据流[1 0 1 1 1 0 0 1 0 11 1…]进行数据融合，即将6比特的跳频比特与4比特的直扩比特通过并串转换生成10比特的二进制信息，得到输入发射端的原始信息数据[1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 11 1 0 0 0 0…]。
本实施方式采用蒙特卡洛仿真方法利用Matlab提供的Simulink仿真平台搭建链路级仿真系统进行仿真，从而对比本发明和背景技术在瑞利(Rayleigh)衰落信道的误码率性能，其仿真对比结果如附图3所示；图中带圆圈的虚线为背景技术性能曲线、带方框的虚线为本实施方式性能曲线：基带调制方式均采用16PSK直接序列扩频的扩频因子为64、跳频频率数为64、跳频速率为1000hop/s、信道采用Rayleigh衰落信道、信道信噪比范围为[-20:30]dB。
从附图3可以看出，本发明在Rayleigh衰落信道下的误码率性能明显优于背景技术。在误码率为10-3时，背景技术所需的信噪比约为8.5dB，本发明的所需信噪比降到了约5dB，信噪比增益提高约3.5dB左右。
Claims (6)
1.一种采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，包括：
发射端A
步骤A-1.生成跳频比特数据流与直扩比特数据流：将输入待发射的信息数据进行数据分离，分成跳频比特与直扩比特，然后分别生成跳频比特数据流与直扩比特数据流；
步骤A-2.获取直接序列扩频信号：对步骤A-1产生的直扩比特数据流进行基带调制，得到基带信号，然后利用发射端的本地伪噪声码对基带信号进行直接序列扩频调制，得到直接序列扩频信号；
步骤A-3.获取直接序列扩频/跳频信号：首先对步骤A-1产生的跳频比特数据流进行二进制转十进制的转换，生成载波频率号，然后载波频率号驱动频率合成器产生载波频率，最后将载波频率与步骤A-2产生的直接序列扩频信号进行混频处理，以实现跳频调制，得到直接序列扩频/跳频信号；
步骤A-4.上变频处理及射频信号发射：对步骤A-3产生的直接序列扩频/跳频信号进行上变频处理，再将处理后所得射频信号通过天线发射出去；
接收端B
步骤B-1.信号接收及下变频射频处理：对接收端接收到的叠加了噪声干扰的射频信号进行下变频处理，从而得到直接序列扩频/跳频信号；
步骤B-2.获取解扩信号：利用接收端的本地伪噪声码对步骤B-1所得到的直接序列扩频/跳频信号进行解扩，得到解扩信号；
步骤B-3.解跳：采用匹配滤波器对步骤B-2所得解扩信号进行盲检测，检测出载波频率、以实现解跳；
步骤B-4.获取跳频比特数据流：对步骤B-3检测出的载波频率所对应的载波频率号进行十进制转二进制的转换，恢复出跳频比特数据流；
步骤B-5.获取直扩比特数据流：对步骤B-3解跳后的信号进行基带解调，得到直扩比特数据流；
步骤B-6.获取输入发射端的信息数据：对步骤B-4得到的跳频比特数据流与步骤B-5得到的直扩比特数据流进行数据融合，得到输入发射端的原始信息数据。
2.按权利要求1所述采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，其特征在于步骤A-1中所述将输入待发射的信息数据进行数据分离，其方法为：把每个符号L比特的二进制信息通过串并转换分成βL比特的跳频比特与(1-β)L比特的直扩比特，其中β为比例系数、取值为：0<β<1，L为符号长度。
3.按权利要求1所述采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，其特征在于步骤A-3中所述进行二进制转十进制的转换，转换的方法为：跳频比特数据流每个βL比特进行二进制转十进制，生成一个十进制数的载波频率号，其中β为比例系数、取值为：0<β<1，L为符号长度。
4.按权利要求1所述采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，其特征在于在步骤B-3中所述采用匹配滤波器对所得解扩信号进行盲检测，盲检测方法为平方律检测。
5.按权利要求1所述采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，其特征在于在步骤B-4中所述进行十进制转二进制的转换，转换的方法为：对每一个载波频率号进行“十进制转二进制”的转换，生成βL比特的跳频比特。
6.按权利要求1所述采用信息驱动直接序列扩频/跳频的通信方法，其特征在于在步骤B-6中数据融合的方法为：把βL比特的跳频比特与(1-β)L比特的直扩比特通过并串转换生成L比特的二进制信息，其中β为比例系数、取值为：0<β<1，L为符号长度。
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