CN108923883B - 一种基于多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰方法，利用多进制扩频技术提高无人机数据链在复杂电磁环境中的抗干扰性能，利用多载波技术实现信息的多通道高速率传输。结果表明该方法能有效的提高无人机数据链在复杂电磁环境中的抗干扰性能。

Description

一种基于多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰方法

技术领域

本发明属于无人机技术领域，涉及一种无人机数据链抗干扰方法，通过多进制扩频和多载波调制相结合应用于对无人机数据链的抗干扰性能进行研究。这是一种利用多进制扩频技术提高无人机数据链在复杂电磁环境中的抗干扰性能，利用多载波技术实现信息的多通道高速率传输。结果表明该方法能有效的提高无人机数据链在复杂电磁环境中的抗干扰性能。

背景技术

目前，信息化战争所形成的复杂电磁环境已成为制约无人机发挥作战效能的瓶颈难题，采用传统技术的无人机数据链在复杂电子对抗环境中将难以正常工作。为提高复杂电子战环境下无人机数据链的战场生存能力，亟需加强无人机数据链抗截获，抗干扰和抗欺骗的能力。

文献“基于Simulink的直接序列扩频通信系统抗干扰的仿真实现，中国传媒大学自然科学版，2015，vol.22，No.6，p21-p27”，通过Matlab中的Simulink平台，对直接序列扩频通系统的发射机模块和接收机模块进行仿真设计，在高斯信道中加入不同中心频率、幅度的窄带干扰，仿真分析了直接序列扩频系统的抗干扰能力，但是直接序列扩频技术对系统带宽要求高、传信效率低，在信源高速率、带宽有限的条件下无法实现。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决直接序列扩频技术频谱利用率低、无法传送高速率信息的问题，本发明提出一种将多进制扩频和多载波技术相结合的方法应用于无人机数据链，解决了在高速的传信率下，既节省带宽又能保证系统良好的抗干扰性能的问题。

技术方案

一种基于多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对信号进行编码和交织处理

首先在MATLAB中生成一串0、1的随机数组作为信源，记为S；其次采用1/2卷积编码对信号进行纠错编码，提高系统的抗干扰能力，此时的信号记为S₁；最后为防止突发干扰采用交织技术，使在发送端将要发送的信息码元顺序打乱以便达到大量连续错码被分隔开的目的，信息码元经过交织后为S₂；

步骤2：多进制扩频、多载波调制

对经过交织后的信号进行串并变换为n路信息，使高速率的信息转换成并行的低速率信息，提高传输效率，再分别对每一路信息进行M进制扩频，多进制扩频的扩频增益为：

多进制扩频的扩频带宽为：

其中BWd为射频带宽，Bsd为信号带宽，直接序列扩频的扩频增益为：

在相同的传信率、相同带宽下，多扩的增益为直扩的k倍；用长为N的扩频码代替

位信息进行传送，将编码扩频后的码流做BPSK星座映射，并将信息输入脉冲成形滤波器中；其次对n路信息分别乘载波进行多载波调制，n路信息相加进行数字上变频送入信道中；则此时的发射信号表示为：

其中，P_d为无人机下行数据链载波功率，C_i(t)为第i路的多进制扩频伪随机码PN_i(t)脉冲成型后的波形信号，其中扩频码集包含了M个长度是N的扩频伪随机码{PN₁,PN₂,…,PN_M}；f_c为载波功率，Δf为多载波调制的载波间隔；

步骤3：多进制解扩、多载波解调处理

发射信号经过复杂信道后，到达接收端的信号表示为：

r(t)＝S(t-τ)+n(t)+J(t) (2)

其中，τ为传输延迟，n(t)为零均值高斯白噪声，J(t)为各种干扰的组合；经过数字下变频再进行多载波解调，每一路信号分别为：

y_i(t)＝r(t)cos(2π(f_c+(i-1)Δf)t) (3)

再经过低通滤波器，进行相关解扩后输出为：

其中，C(t)为经过成型滤波器后的扩频码集；

相关解扩后得到对应的扩频序列，把对应的扩频序列转换成二进制的比特流；最后经过串并变换转换成一路信息流；

步骤4：对信号进行解交织、译码处理

对相关解扩处理转换成一路后的信号Y(t)进行去交织，再进行维比特译码，其译码思想是采用最大似然估计法，对接受到的信号进行实现状态路径回推，将回推状态的路径与接受信号进行比较，保留自由距离最少的一条路径，抛弃自由距离大的路径，从而实现对误码的纠错；最后对译码后的数据流和原始随机产生的数据流进行对比，得出系统的误比特率。

有益效果

复杂电磁环境无论是在战场侦查、战场监视、战场情报搜查等的军用中，还是在观测环境、电子对抗、航拍、测绘等的民用中，对无人机数据链传输信息的性能造成了很大的威胁，本发明提出了利用多进制扩频和多载波调制技术相结合的方法既节省带宽，又能提高在复杂电磁环境中无人机的抗干扰能力，在仿真中进行在几种不同干扰情况下的误比特率计算并在相同干扰、带宽条件下和直扩相比较。通过仿真结果分析可以看出，本发明提出的方法在传信率高，相同带宽的情况下，比直接序列扩频技术抗干扰性能提高了6dB左右，此方法为提高无人机在复杂电磁环境下的作战能力提供了一定的理论支撑，为无人机数据链抗干扰研究提供了一种新思路，能更快速有效的模拟无人机数据链面临各种干扰时其抗干扰能力。

附图说明

图1无人机数据链抗组合干扰系统框图

图2高斯白噪声下本发明和传统直扩性能对比图

图3单频连续波下本发明和传统直扩性能对比图

图4常规雷达脉冲下本发明和传统直扩性能对比图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

在此以高速并行传输的四路信息，32进制，扩频码长为127的m序列循环移位序列为例进行说明。

1.对信号进行编码和交织处理

首先在MATLAB中用randi函数生成一串0、1的随机数组作为信源，记为S；其次采用1/2卷积编码对信号进行纠错编码，提高系统的抗干扰能力，在此用convenc函数来实现此功能，此时的信号记为S₁；最后为防止突发干扰采用matintrlv函数实现的交织技术，使在发送端将要发送的信息码元顺序打乱以便达到大量连续错码被分隔开的目的，信息码元经过交织后为S₂。

2.多进制扩频、多载波调制技术

对经过交织后的信号进行串并变换转换为四路信息，使高速率的信息转换成并行的低速率信息，提高传输效率，再分别对每一路信息进行32进制扩频，即对信息进行每

比特分组，并一一映射为唯一的扩频码，扩频码集调用子程序m_sequence生成一条长为127的m序列，再用函数circshift实现其循环移位，取前32行的扩频码，构成扩频码集，将编码扩频后的码流做BPSK星座映射和电平转换，使0、1信息转换为1、-1的电平，并将其输入脉冲成形滤波器中；其次对四路信息分别乘载波进行多载波调制，多载波是把经过映射的信息数据调制在多个子载波上，四路信息相加进行数字上变频送入信道中。则此时的发射信号可以表示为：

其中，P_d为无人机下行数据链载波功率，C_i(t)为第i路的多进制扩频伪随机码PN_i(t)脉冲成型后的波形信号，其中扩频码集包含了32个长度是127的扩频伪随机码{PN₁,PN₂,…,PN₃₂}。f_c为载波功率，Δf为多载波调制的载波间隔。

3.多进制解扩、多载波解调处理

发射信号经过复杂信道后，到达接收端的信号可以表示为：

r(t)＝S(t-τ)+n(t)+J(t) (2)

其中，τ为传输延迟，n(t)为零均值高斯白噪声，高斯白噪声信道用函数awgn实现，J(t)为复杂电磁环境中各种干扰及其组合。经过数字下变频以及带通滤波再进行多载波解调，第i路信号表达式为：

y_i(t)＝r(t)cos(2π(f_c+(i-1)Δf)t) (3)

再经过FIR低通滤波器，进行相关解扩后输出为：

其中，C(t)为经过成型滤波器后的扩频码集。

相关解扩后得到每5bit信息对应的扩频序列，把对应的扩频序列转换成二进制的比特流。最后经过串并变换转换成一路信息流。

4.对信号进行解交织，译码处理

对相关解扩处理转换为一路的信号Y(t)用matdeintrlv函数实现去交织，再用函数vitdec进行维比特译码，对译码后的数据流和原始随机产生的数据流S用biterr函数进行比较，得出系统的误比特率。

5.采用本发明的无人机数据链抗干扰方法，在相同带宽下，参照图1进行系统设计，在高斯白噪声下本系统和传统的直接序列扩频系统进行性能对比，结果参照图2。在加窄带干扰(如：单频连续波)时和传统直扩的性能对比，结果参照图3。在加宽带干扰(如：常规雷达脉冲)时和传统直扩的性能对比，结果参照图4。

Claims (1)

1.一种基于多进制扩频和多载波调制相结合的抗干扰方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对信号进行编码和交织处理

首先在MATLAB中生成一串0、1的随机数组作为信源，记为S；其次采用1/2卷积编码对信号进行纠错编码，提高系统的抗干扰能力，此时的信号记为S₁；最后为防止突发干扰采用交织技术，使在发送端将要发送的信息码元顺序打乱以便达到大量连续错码被分隔开的目的，信息码元经过交织后为S₂；

步骤2：多进制扩频、多载波调制

对经过交织后的信号进行串并变换为n路信息，使高速率的信息转换成并行的低速率信息，提高传输效率，再分别对每一路信息进行M进制扩频，多进制扩频的扩频增益为：

多进制扩频的扩频带宽为：

其中BWd为射频带宽，Bsd为信号带宽，直接序列扩频的扩频增益为：

在相同的传信率、相同带宽下，多扩的增益为直扩的k倍；用长为N的扩频码代替k＝log₂M位信息进行传送，将编码扩频后的码流做BPSK星座映射，并将信息输入脉冲成型滤波器中；其次对n路信息分别乘载波进行多载波调制，n路信息相加进行数字上变频送入信道中；则此时的发射信号表示为：

其中，P_d为无人机下行数据链载波功率，C_i(t)为第i路的多进制扩频伪随机码PN_i(t)脉冲成型后的波形信号，其中扩频码集包含了M个长度是N的扩频伪随机码{PN₁,PN₂,…,PN_M}；f_c为载波功率，Δf为多载波调制的载波间隔；

步骤3：多进制解扩、多载波解调处理

发射信号经过复杂信道后，到达接收端的信号表示为：

r(t)＝S(t-τ)+n(t)+J(t) (2)

其中，τ为传输延迟，n(t)为零均值高斯白噪声，J(t)为各种干扰的组合；经过数字下变频再进行多载波解调，每一路信号分别为：

y_i(t)＝r(t)cos(2π(f_c+(i-1)Δf)t) (3)

再经过低通滤波器，进行相关解扩后输出为：

其中，C(t)为经过成型滤波器后的扩频码集；

相关解扩后得到对应的扩频序列，把对应的扩频序列转换成二进制的比特流；最后经过串并变换转换成一路信息流；

步骤4：对信号进行解交织、译码处理

对相关解扩处理转换成一路后的信号Y(t)进行去交织，再进行维比特译码，其译码思想是采用最大似然估计法，对接受到的信号进行实现状态路径回推，将回推状态的路径与接受信号进行比较，保留自由距离最少的一条路径，抛弃自由距离大的路径，从而实现对误码的纠错；最后对译码后的数据流和原始随机产生的数据流进行对比，得出系统的误比特率。

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