CN109495411B - 一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，属于短波通信时频调制技术领域。本发明利用了瞬时频率算法来对不同时隙间的频率相对值进行估计，并对估计结果进行原址排序，根据排序结果来找到频率值与频率顺序之间的对应关系，再根据频率顺序与码元组合顺序的关系得到当前发送端发送的码元顺序，实现时频调制信号的解调，由于在估计过程中不需要对当前信号的频率值进行准确的估计，因此，该方法能在较低的信噪比下对信号进行解调，且实现方法简单，误码率性能更好，运算时间更快。

Description

一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法
技术领域
本发明属于短波通信时频调制技术领域，特别涉及一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法。
背景技术
时频调制技术是短波通信中的一种，短波通信是利用波长为10m-100m频率为3MHz-30MHz的电磁波通过电离层进行的无线电通信。短波通信具有费用低廉，抗毁性强，组网灵活等特点，并且短波是唯一不受网络枢纽和有源中继体制制约的远程通信手段，但短波通信中存在一定的局限性限制了通信质量，其中最为明显的就是短波中存在的严重的衰落和由于多径效应造成的码间串扰，为了解决短波中存在的问题，提出了时频调制技术，时频调制技术实际上是一种分集技术，对不同类型的时频调制信号而言，时频调制技术对有的信号能起到分集接收的效果，或者能克服或减少码间干扰的影响，或者既能起到分集接收的效果也能起到减少码间干扰的影响，该技术是克服信道衰落的有效技术之一。研究时频调制接收解调技术对提高短波通信系统的性能及实用性具有较大的意义。
就时频调制信号的解调问题中，目前采用得较多的两种解调方法，两种解调方法各有优劣。基于能量的算法结构复杂且该技术涉及到匹配滤波器的设计，而匹配滤波器的设计较为；基于边带相关算法其时延的选择以及信号的连续性对解调的好坏有着较大的影响。
发明内容
本发明的目的在于解决时频调制接收系统中的信号解调问题，提出了一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，根据时频调制信号的调制原理，信号中不同码元组合对应着不同的频率组合顺序，也即不同的码元组合对应不同的频率值顺序，那么在解调信号时可以根据得到的当前的频率值的顺序找到对应的码元。一方面规避瞬时频率估计值受噪声的影响大的问题，另一方面该发明能够较为简单的对时频调制信号进行解调并在与基于能量的解调技术相同的环境情况下降低解调的误码率，提高时频调制系统的抗干扰能力和通信质量。
一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，包括以下步骤：
S1、调制并发送四时四频时频调制信号，其中，所述四时四频时频调制信号的调制过程为：两个二进制符号编为一组构成一个码元组合，将两个二进制符号的长度分别均分，得到四个时隙，在每个时隙选用不同的频率调制后得到四时四频时频调制信号，每个码元组合对应一个包括四个频率顺序的频率顺序组合，获取频率顺序组合中四个频率值的相对大小关系；
S2、接收所述时频调制信号，对所述时频调制信号中每个时隙的瞬时频率进行估计并将估计值进行平均，得到的平均值为每个时隙的瞬时频率值；
S3、将得到的各时隙的瞬时频率值以从大到小进行排序标号，并根据时频调制信号调制中频率值相对大小关系将得到的排序标号替换对应的瞬时频率值，得到四个时隙的频率值大小的频率顺序组合，从而得到与频率顺序组合对应的码元组合，实现对时频调制信号的解调。
进一步地，所述步骤1中调制四时四频时频调制信号的过程包括以下流程：
将两个二进制符号编为一组构成一个码元组合，将两个二进制符号的长度分别均分，得到四个时隙，在每个时隙选用不同的频率调制后得到四时四频时频调制信号，每个码元组合对应一个包括四个频率顺序的频率顺序组合，获取频率顺序组合中四个频率值的相对大小关系；
其中，频率顺序组合由四个频率f1、f2、f3、f4组成，获取四个频率值
Figure BDA0001915556710000021
的相对大小关系，
Figure BDA0001915556710000031
来表示频率fi对应的频率值大小，每个码元组合对应的频率顺序组合即为四个频率的频率值大小顺序。
进一步地，所述步骤S3包括以下流程：
将得到的各时隙的瞬时频率值以从大到小进行排序标号，1为最大频率值，4为最小频率值，将“1、2、3、4”四个排序标号根据当前频率值相对大小关系分别替换四个时隙内对应大小的瞬时频率值，根据时频调制信号调制中频率值相对大小关系得到四个时隙的频率值大小的频率顺序组合，得到与频率顺序组合对应的码元组合，实现对时频调制信号的解调。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，本方法较原有的基于信号能量进行解调的算法有更快的运算时间，在运算过程中，相同条件下，基于能量信号的解调算法运行时间约30.0s，而本方案的算法运行时间为约为5.6s，该方法在时间上面具有很大的优势；
第二，本发明中不需要设计相关的滤波器，而在传统的基于能量进行解调的算法中，需要考虑到整个解调过程的滤波器的相关设计；因此就整个解调结构来说，本发明提出的新的解调算法更简洁；
第三，本发明提出的时频调制信号解调算法比传统的解调算法具有更好的性能，在相同干扰环境下，本发明提出的解调方法具有更低的误码率，能对信号进行更准确的解调；
最后，本发明提出的时频调制信号解调算法不需要对当前信号的频率进行准确估计就可以完成接收信号的解调，因此本发明提出的解调方法的估计性能可以很大程度上规避掉瞬时频率估计不够精确引起的问题，使得算法具有较好的抗干扰性能，并且易于实现；
综上，本发明提出的解调方法在运行时间，解调性能以及方法的复杂度方面都具有很好的性能，具有很好的实际应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图。
图2为本发明实施例的四时四频时频调制信号的时域波形图。
图3为本发明实施例的信号在10dB下经过瞬时频率估计的结果图。
图4为本发明实施例的原始不带噪声的信号经过瞬时频率估计的结果图。
图5为本发明实施例的信号在10dB下经过S2后得到的瞬时频率值与纯净信号的结果对比图。
图6为本发明实施例的信号在1dB下经过瞬时频率估计的结果图。
图7为本发明实施例的不带噪声的纯净信号经过S2后得到的瞬时频率估计的结果图。
图8为本发明实施例的信号在1dB下经过S2后得到的瞬时频率值与纯净信号的结果对比图。
图9为本发明实施例的方法与现有技术的解调误码率曲线图。
图10为本发明实施例的方法多次运行的误码率结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例做进一步的说明。
一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调制并发送四时四频时频调制信号，其中，所述四时四频时频调制信号的调制过程为：两个二进制符号编为一组构成一个码元组合，将两个二进制符号的长度分别均分，得到四个时隙，在每个时隙选用不同的频率调制后得到四时四频时频调制信号，每个码元组合对应一个包括四个频率顺序的频率顺序组合，获取频率顺序组合中四个频率值的相对大小关系。
本实施例中，四时四频时频调制信号的调制原理时，码元组合和频率顺序组合的对应关系见下表(一)。
Figure BDA0001915556710000051
表(一)码元组合和对应的频率顺序组合的对应关系表
本实施例中，将两个二进制符号编为一组，则具有四种不同的信息状态，将两个二进制符号的时间长度均分，则可以得到四个时隙，再在调制中选用四种频率则经过调制后得到的信号就是四时四频时频调制信号。
由表(一)可知，发送端不同的码元组合对应不同的频率组合，也即对应不同的频率值组合。例如在发送端发送“00”和“01”组合时，各个时隙的频率组合顺序分别为：f1f2f3f4和f2f3f4f1，设频率fi对应的频率值大小用
Figure BDA0001915556710000052
来表示，且在调制中，获取到的的四个频率的频率值有如下的对应关系：
Figure BDA0001915556710000053
即发送端发送“00”时，有这样的频率值关系：频率值最大的在第一个时隙，频率值第二大的位于第二个时隙，频率值第三大的在第三个时隙，频率值第四大的在最后一个时隙，也即频率值大小顺序为1234；
而发送端发送“01”时，有：频率值最大的在最后一个时隙，第二大的在第一个时隙，第三大的在第二个时隙，频率值最小的在最后一个时隙，也即频率值大小顺序为2341。
特别地，本发明实施例中以式(1)表示四时四频时隙调制的频率值关系，但此关系式不做限定，也可以有其它大小关系，如
Figure BDA0001915556710000061
等。
可知，发送端的频率值顺序表示频率的组合顺序，也表示了发送的码元组合。可以由四时隙的频率值大小得知该信号的频率组合顺序，也可得知码元组合。所以在接受该信号时，并不需要知道各个频率的具体数值，只需要得到各时隙频率值的相对大小关系即可，可规避掉瞬时频率估计受噪声影响大的问题。
S2、接收所述时频调制信号，对所述时频调制信号中每个时隙的瞬时频率进行估计并将估计值进行平均，得到的平均值为每个时隙的瞬时频率值。
本实施例中，由于瞬时频率受噪声的影响较大的问题，因此，在较低的信噪比情况下，本发明对瞬时频率估计值进行了一个平均，将一个时隙内估计得到的估计频率值进行平均，并以平均值作为该时隙的瞬时频率值，通过平均在一定程度上降低了噪声对于瞬时频率估计算法的影响，使得估计的结果更准确，也更具有一般性。
S3、将得到的各时隙的瞬时频率值以从大到小进行排序标号，并根据时频调制信号调制中频率值相对大小关系将得到的排序标号替换对应的瞬时频率值，得到四个时隙的频率值大小的频率顺序组合，从而得到与频率顺序组合对应的码元组合，实现对时频调制信号的解调。
本实施例中，通过S2后，可以对四个时隙的频率值大小进行排序。最大的频率值为1，最小的频率值为4。如，处理后得到四个时隙的频率值顺序为“1234”即估计的频率值中第一个时隙的频率值最大，排序为1，第二时隙的频率值第二大，排序为2，第三个时隙的频率值第三大，排序为3，第四个时隙频率值最小，排序为4，则根据此排序值“1234”，由式(1)可知，该大小顺序对应的频率组合顺序为f1f2f3f4，通过表(一)可得对应的码元组合为“00”。
同样，当得到排序顺序为“2341”时，即频率最大的在第四个时隙，排序为1，频率第二大的在第一个时隙，排序为2，频率第三大的在第二个时隙，排序为3，频率值最小的在第三个时隙，排序为3,，因此根据表1和式(1)可以得到，当前的频率顺序为f2f3f4f1，对应的码元组合为“01”。
同理，可以根据四时隙内的频率值大小关系，得到该时频调制信号的频率组合顺序，从而得到该时频调制信号的码元组合，实现对时频调制信号的解调。
综上可知，在S3中，对各时隙估计得到的瞬时频率值排序后，根据调制时的频率大小关系，通过得到的四个时隙的频率值大小关系来确定当前的频率组合顺序，再进一步得到与之对应的码元组合关系，实现信号的解调。
在实际应用中，传输了6×104个码元，采样频率设置为200Hz，采用四时四频的时频调制信号，码元之间的对应关系如表1所示，信噪比从1dB变化到9dB，信噪比变化间隔为1dB，信号振幅设置为4，四个频率分别为f1＝80Hz,f2＝65Hz,f3＝35Hz,f4＝25Hz。四时四频时频调制信号的时域波形图如图2所示，有图2可知，四时四频时频调制信号波形具有四个频率的特征。
信号在10dB下经过瞬时频率估计后的结果如图3所示，原始不带噪声的信号经过瞬时频率估计后的结果如图4所示，对比可知带噪声的信号经过估计后得到的频率值具有一定的对称性，此对称性表现在，瞬时频率估计值在原始信号的当前频率值的两端波动，且波动的大小接近，因此在在本发明中对每一个时隙的估计值进行一个平均，可以具有更好的效果，改进后信号在10dB下的瞬时频率值如图5所示。
由图5可知，经过在每个时隙内进行平均后，算法的效果更好，具有更强的使用价值，并且经过平均后，算法的抗噪声干扰能力有所提升，在较低的信噪比下也能有较好的结果，在低信噪比下的结果如图6、7所示。
图6和图8信号在1dB低信噪比下的瞬时频率结果，图7为不带噪声的纯净信号的瞬时频率结果，可以得出，在较低信噪比情况下直接采用瞬时频率算法进行估计则得到的频率值显得十分杂乱，但仔细观察对比图7后发现，瞬时频率估计值在纯净信号估计值的附近摆动，仍然具有一定的对称性，因此，对图6中的估计值按信号时隙进行平均后得到的结果如图8所示，从图8中可以看出在较低信噪比的情况下，经过平均处理后使得原本受噪声影响较大的瞬时频率估计算法能较为准确的反映不同时隙间信号的频率值之间的关系，并且经过平均后使得原本受噪声影响较大的瞬时频率估计算法具有更强的估计能力，具备了一定的抗噪声干扰的能力。
图9为本发明提出的解调算法与基于能量的解调算法的误码率对比，由误码率曲线可以看出，本发明提出的解调方法较传统的基于能量的解调算法有更高的误码率性能，能更好的对信号进行解调与恢复，且运算时间更快，整个计算过程中，该算法总运行时间5.578s，算法自用时间为1.983s运算时间较基于能量的解调算法的30s低了很多。
图10为本发明提出的算法在相同条件下，进行多次运算得到的误码率结果，从结果可以看出，该发明具有较好的稳定性。
综上所述，本发明提出的方法能够实现时频调制信号的解调，并且能有较好的解调性能，算法整体实现简单，运算速度快，能够在与传统的基于能量的解调算法相同的情况下完成信号的解调并提高解调的抗噪声干扰的性能，提高时频调制的通信质量。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、调制并发送四时四频时频调制信号，其中，所述四时四频时频调制信号的调制过程为：两个二进制符号编为一组构成一个码元组合，将两个二进制符号的长度分别均分，得到四个时隙，在每个时隙选用不同的频率调制后得到四时四频时频调制信号，每个码元组合对应一个包括四个频率顺序的频率顺序组合，获取频率顺序组合中四个频率值的相对大小关系；
S2、接收所述时频调制信号，对所述时频调制信号中每个时隙的瞬时频率进行估计并将估计值进行平均，得到的平均值为每个时隙的瞬时频率值；
S3、将得到的各时隙的瞬时频率值以从大到小进行排序标号，并根据时频调制信号调制中频率值相对大小关系将得到的排序标号替换对应的瞬时频率值，得到四个时隙的频率值大小的频率顺序组合，从而得到与频率顺序组合对应的码元组合，实现对时频调制信号的解调。
2.如权利要求1所述的基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，其特征在于，所述步骤1中调制四时四频时频调制信号的过程包括以下流程：
将两个二进制符号编为一组构成一个码元组合，将两个二进制符号的长度分别均分，得到四个时隙，在每个时隙选用不同的频率调制后得到四时四频时频调制信号，每个码元组合对应一个包括四个频率顺序的频率顺序组合，获取频率顺序组合中四个频率值的相对大小关系；
其中，频率顺序组合由四个频率f1、f2、f3、f4组成，获取四个频率值
Figure FDA0001915556700000011
的相对大小关系，
Figure FDA0001915556700000012
来表示频率fi对应的频率值大小，每个码元组合对应的频率顺序组合即为四个频率的频率值大小顺序。
3.如权利要求2所述的基于瞬时频率估计的时频调制解调方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下流程：
将得到的各时隙的瞬时频率值以从大到小进行排序标号，1为最大频率值，4为最小频率值，将“1、2、3、4”四个排序标号根据当前频率值相对大小关系分别替换四个时隙内对应大小的瞬时频率值，根据时频调制信号调制中频率值相对大小关系得到四个时隙的频率值大小的频率顺序组合，得到与频率顺序组合对应的码元组合，实现对时频调制信号的解调。
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