CN108923820B - 基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，属于无线通信技术领域。将索引调制技术(Subcarrier Index Modulation，SIM)引入基于IFFT/FFT的跳频(FH based on IFFT/FFT，FI)通信技术，采用消息驱动和跳频随机序列驱动结合的方式从IFFT/FFT模块的所有子载波中选择部分子载波进行激活来传输调制符号，其他子载波保持静默状态。本发明用消息和跳频随机序列联合索引调制的方式实现频率跳变，与FI通信技术相比，本发明具有更高的频谱效率、传输效率；与基于IFFT/FFT框架的索引调制跳频(SIM‑FH based on IFFT/FFT，SFI)通信技术相比，本发明具有更高的频点跳变随机性，更好的隐蔽性和抗干扰性能。

Description

基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，具体涉及的是子载波索引调制(SIM)技术，基于IFFT/FFT的跳频(FH based onIFFT/FFT，FI)通信技术，基于IFFT/FFT框架的索引调制跳频(SIM-FH based on IFFT/FFT，SFI)通信技术。

背景技术

现有的FI通信技术是将IFFT/FFT技术与跳频技术相结合，由跳频序列生成跳频图案，控制选择子载波传输数据，其他子载波设置为0，信息源比特首先进行映射调制，然后经过串并转换、IFFT操作和并串转换发送数据，经过信道到达接收端，在接收端根据跳频图案确定传输数据的子载波，经过串并转换、FFT、并串转换和逆映射后输出。现有技术的缺点是由于只有部分子载波传输信息，导致频谱利用率不高，频谱效率低，在现今通信系统频谱需求紧张的情况下，在现有技术的基础上增大频谱效率显得极为重要，在未来通信领域有很大发展前景。

现有的SFI通信技术是在系统发射端引入索引调制，将信息比特分为两部分，一部分作为信号调制比特，映射为M进制的星座点符号；一部分作为索引信息比特，在所有子载波中选择激活部分子载波去传输星座点符号，达到利用消息驱动的索引方式实现频率跳变。现有技术的缺点是子载波位置携带的信息比特是信息源比特，存在连0或连1的情况，即子载波位置的跳变缺少一定的随机性，抗干扰能力不足。

发明内容

本发明针对现有的FI通信技术频谱效率低和SFI通信技术频率跳变随机性不足的问题，提供了一种基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，不仅增大了频谱效率，同时也有很好的频率跳变随机性。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，通过消息驱动和随机序列驱动联合的索引方式激活部分子载波，实现频率跳变并传输调制符号，包括以下步骤：

(1)由数字化信源分帧，每帧有m＝m₁+m₂位信息比特；其中前m₁位作为联合索引调制的消息比特，后m₂位作为信息调制比特，产生M阶调制符号；

(2)联合索引调制；假设子载波总个数为N，激活其中k个子载波进行数据传输，则

[·]表示向下取整，一共有

种子载波激活组合；将m₁位消息比特与随机跳频序列异或得到一个新的m₁位信息比特，称为联合索引比特，通过联合索引比特的取值来确定一种子载波激活组合；对信息调制比特进行M阶调制，每个激活子载波携带一个符号，则m₂＝klog₂M，k个子载波携带k个星座点符号；

(3)做N点IFFT运算，并串转换；信源信息根据不同的联合索引比特选择不同的子载波激活组合，实现频率跳变；

(4)信源信息经以上步骤(1)到(3)后发送，经过信道到达接收端；

(5)串并转换，再做N点FFT运算；

(6)联合索引解调，输出比特。

所述的步骤(2)中联合索引比特，具体可以表述为：

随机序列采用一个周期要求周期大于信息源全部索引比特数量的m序列，将m序列的第i～(i+m₁-1)个比特与信息源第i帧的消息比特异或得到的即为m₁位消息和随机序列联合的索引比特。

所述的步骤(3)中根据联合索引比特实现频率跳变具体可以表述为：

信息源的每帧信息根据步骤(2)中得到的联合索引比特，从N个子载波中选择k个子载波被激活，存在

个子载波激活组合，组合集合表示为

其中Ω_l＝{β_i,1,β_i,2,…β_i,k}，β_i,k∈{1,2,…N}，β_i,k表示第i帧信息比特激活第β_i,k个子载波；信息源的第i帧信息的联合索引比特所对应的值为ρ_i，由ρ_i决定子载波激活组合，则联合索引比特控制子载波激活生成跳频图案表示为：

ρ_i→{f_i,1,f_i,2,…f_i,k}

其中f_i,k表示第β_i,k个子载波的频率。

所述的步骤(4)中信源经过信道到达接收端的信号可以表示为：

X_i＝[0,…,s_i,1,0,…,s_i,2,0,…,s_i,j,…,s_i,k,0,…]

X_i一共有N个元素，其中有N-k个元素为0，s_i,j∈χ，j＝1,2,…,k为M阶星座点符号集合；其中等效基带信号S_q为：

其中q表示元素个数。

所述的步骤(6)中的消息驱动使得每帧可以传输为m位信息比特表示为：

其中频谱效率为：

随机序列有很好的随机性，因此子载波的激活索引也具有一定的跳变随机性。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法在系统发射端引入索引调制；本发明利用消息驱动的方式实现频率跳变，明显增大频谱效率，提升系统传输效率；利用跳频序列驱动的方式实现频率跳变，使得频点跳变存在随机性。两种驱动方式结合，对于系统信号的隐蔽性和抗干扰性有很大的提升。

附图说明

图1是基于IFFT/FFT的跳频(FI)通信系统的链路图；

图2是基于IFFT/FFT框架的索引调制跳频(SFI)通信系统的链路图；

图3是基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信系统的链路图；

图4是消息和随机序列联合索引调制的原理图；

图5是以N＝8，k＝2为例的生成联合索引比特及控制频率跳变示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明作进一步清楚、完整地描述，需要提醒的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的技术方案为：

在系统的发射端引入索引调制与随机序列结合，通过消息驱动和随机序列驱动联合的索引方式激活部分子载波，实现频率跳变并传输调制符号。将信息源比特分为两部分，一部分作为信号调制比特，映射为M进制的星座点符号；一部分作为消息驱动比特，与某一随机序列异或获得联合索引比特，达到利用消息驱动和随机序列驱动结合的方式实现频率跳变。

一种基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，通过消息驱动和随机序列驱动联合的索引方式激活部分子载波，实现频率跳变并传输调制符号，包括以下步骤：

(1)由数字化信源分帧，每帧有m＝m₁+m₂位信息比特；其中前m₁位作为联合索引调制的消息比特，后m₂位作为信息调制比特，产生M阶调制符号；

(2)联合索引调制；假设子载波总个数为N，激活其中k个子载波进行数据传输，则

[·]表示向下取整，一共有2^m1种子载波激活组合；将m₁位消息比特与随机跳频序列异或得到一个新的m₁位信息比特，称为联合索引比特，通过联合索引比特的取值来确定一种子载波激活组合；对信息调制比特进行M阶调制，每个激活子载波携带一个符号，则m₂＝klog₂M，k个子载波携带k个星座点符号；

所述的步骤(2)中联合索引比特，具体可以表述为：

随机序列采用一个周期很长(要求周期大于信息源全部索引比特数量)的m序列，将m序列的第i～(i+m₁-1)个比特与信息源第i帧的消息比特异或得到的即为m₁位消息和随机序列联合的索引比特。

(3)做N点IFFT运算，并串转换；信源信息根据不同的联合索引比特选择不同的子载波激活组合，实现频率跳变；所述的步骤(3)中根据联合索引比特实现频率跳变具体可以表述为：

信息源的每帧信息根据步骤(2)中得到的联合索引比特，从N个子载波中选择k个子载波被激活，存在2^m1个子载波激活组合，组合集合可以表示为

其中Ω_l＝{β_i,1,β_i,2,…β_i,k}，β_i,k∈{1,2,…N}，β_i,k表示第i帧信息比特激活第β_i,k个子载波；信息源的第i帧信息的联合索引比特所对应的值为ρ_i，由ρ_i决定子载波激活组合，则联合索引比特控制子载波激活生成跳频图案表示为：

ρ_i→{f_i,1,f_i,2,…f_i,k}

其中f_i,k表示第β_i,k个子载波的频率。

(4)信源信息经以上(1)到(3)后发送，经过信道到达接收端；所述的步骤(4)中信源经过信道到达接收端的信号可以表示为：

X_i＝[0,…,s_i,1,0,…,s_i,2,0,…,s_i,j,…,s_i,k,0,…]

X_i一共有N个元素，其中有N-k个元素为0，s_i,j∈χ，j＝1,2,…,k为M阶星座点符号集合；其中等效基带信号S_q为：

其中q表示元素个数。

(5)并串转换，做N点FFT运算；

(6)联合索引解调，输出比特。所述的步骤(6)中的消息驱动使得每帧可以传输为m位信息比特表示为：

其中频谱效率为：

随机序列有很好的随机性，因此子载波的激活索引也具有一定的跳变随机性。

实施例

结合图1所示，是FI通信系统的链路图，结合图2是SFI通信系统的链路图，结合图3所示的基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信系统的链路图，发射端主要包括以下几步：

步骤1：确定系统的参数。包括子载波总个数N，激活的子载波个数k，调制的阶数M。由数字化信源分帧，每帧有m＝m₁+m₂位信息比特，根据公式

和m₂＝klog₂M计算出消息比特数量和调制比特数量。

步骤2：联合索引调制。结合图4所示的联合索引调制的原理图，对信号调制比特进行M阶调制，映射成k个星座点符号si＝[s_i,1,s_i,2,…,s_i,k]，消息比特与随机序列作用后经过联合索引选择器确定一种子载波激活组合Ω_l＝{β_i,1,β_i,2,…β_i,k}，每个激活的子载波携带一个星座点符号，未激活的子载波置0。

步骤3：做N点IFFT运算，并串转换。

随机序列采用一个周期很长的m序列，将m序列的第i～(i+m₁-1)个比特与信息源第i帧的消息比特异或得到m₁位联合索引比特。

信源信息根据联合索引比特的不同选择不同的子载波组合，实现频率跳变。以N＝8，k＝2为例，结合图5所示为一个简单的联合索引比特生成过程及其控制频率跳变的示意图。设m序列为1000010010110011111000…，m₁＝4，消息比特以{1000010010110011111000…}为例，与m序列作用后生成对应的联合索引比特，经过联合索引选择器依次确定子载波激活组合为Ω₁＝{2,7}，Ω₂＝{1,5}，Ω₂＝{3,8}，Ω₂＝{4,6}，…。

以N＝8，k＝2为例的生成联合索引比特及控制频率跳变示意图结合图5所示。

系统接收端主要包括以下几步：

步骤4：信源信息经步骤1到步骤3后发送，经过信道到达接收端。

步骤5：串并转换，做N点FFT运算。

步骤6：联合索引解调，输出比特。能量择大器判断出被激活的子载波，确定子载波激活组合，根据索引选择器输出m₁位索引比特，对激活子载波上输出的数据串进行M阶解调输出m₂位调制比特，将索引比特和调制比特串连在一起输出比特。发送信号为：

X_i＝[x_i,1,x_i,2…,x_i,N]^T，

接收信号为Y_i＝[y_i,1,y_i,2,…y_i,N]^T，对接收信号进行判决和联合索引解调，确定被激活的子载波，根据m序列推出索引比特信息，同时对激活子载波上的符号进行解调，最后输出比特。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，通过消息驱动和随机序列驱动联合的索引方式激活部分子载波，实现频率跳变并传输调制符号，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由数字化信源分帧，每帧有m＝m₁+m₂位信息比特；其中前m₁位作为联合索引调制的消息比特，后m₂位作为信息调制比特，产生M阶调制符号；

(2)联合索引调制；设子载波总个数为N，激活其中k个子载波进行数据传输，则

[·]表示向下取整，一共有

种子载波激活组合；将m₁位消息比特与随机跳频序列异或得到一个新的m₁位信息比特，称为联合索引比特，通过联合索引比特的取值来确定一种子载波激活组合；对信息调制比特进行M阶调制，每个激活子载波携带一个符号，则m₂＝klog₂M，k个子载波携带k个星座点符号；

(3)做N点IFFT运算，并串转换；信源信息根据不同的联合索引比特选择不同的子载波激活组合，实现频率跳变；

(4)信源信息经以上步骤(1)到(3)后发送，经过信道到达接收端；

(5)串并转换，再做N点FFT运算；

(6)联合索引解调，输出比特。

2.根据权利要求1所述的基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，其特征在于：所述的步骤(2)中联合索引比特，具体可以表述为：

随机序列采用一个周期大于信息源全部索引比特数量的m序列，将m序列的第i～(i+m₁-1)个比特与信息源第i帧的消息比特异或得到的即为m₁位消息和随机序列联合的索引比特。

3.根据权利要求2所述的基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，其特征在于：所述的步骤(3)中根据联合索引比特实现频率跳变具体可以表述为：

信息源的每帧信息根据步骤(2)中得到的联合索引比特，从N个子载波中选择k个子载波被激活，存在

个子载波激活组合，组合集合表示为

其中Ω_l＝{β_i,1,β_i,2,…β_i,k}，β_i,k∈{1,2,…N}，β_i,k表示第i帧信息比特激活第β_i,k个子载波；信息源的第i帧信息的联合索引比特所对应的值为ρ_i，由ρ_i决定子载波激活组合，则联合索引比特控制子载波激活生成跳频图案表示为：

ρ_i→{f_i,1,f_i,2,…f_i,k}

其中f_i,k表示第β_i,k个子载波的频率。

4.根据权利要求3所述的基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，其特征在于：所述的步骤(4)中信源经过信道到达接收端的信号可以表示为：

X_i＝[0,…,s_i,1,0,…,s_i,2,0,…,s_i,j,…,s_i,k,0,…]

X_i一共有N个元素，其中有N-k个元素为0，s_i,j为M阶星座点符号集合，s_i,j∈χ，j＝1,2,…,k，χ为M阶星座点符号集合。

5.根据权利要求1所述的基于消息和随机序列联合索引调制的跳频通信技术方法，其特征在于：所述的步骤(6)中输出为m位信息比特表示为：

其中频谱效率为：

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