CN110138415A - 跳频通信的频点干扰判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种跳频通信的频点干扰判定方法，主要解决现有跳频通信系统在频偏和部分频点干扰下无法正常通信的问题。其方案是：在发送端对一帧数据分组进行RS编码并将RS码的各个码元分配到跳频系统不同的数据跳上；分别对每跳数据依次进行Turbo编码、添加前导码元序列、进行QPSK调制；对调制信号添加频偏，并通过部分频点干扰信道；在接收端，判断删除跳和非删除跳，并将删除跳数据置0，对非删除跳数据进行频偏估计及turbo译码，得到对删除跳和非删除跳处理完的数据；对删除跳和非删除跳处理完的数据进行RS纠删译码。本发明具有误码率性能好，实现复杂度低的优点，可用于移动通信、卫星通信、深空通信及遥测系统。

Description

跳频通信的频点干扰判定方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别涉及一种频点干扰判定方法，可用于跳频通信中的抗干扰。

背景技术

“跳频”是一种通信收发双方同步地改变载波频率传递信息的通信方式，是最常用的扩谱通信方式之一。与定频或者选频通信相比，跳频技术主要依靠频率捷变来躲避窄带干扰或者跟踪干扰，从而提高设备的抗干扰能力。

跳频通信由于在通信隐蔽性和增大设备干扰容限等方面有优越的性能，很多国家都把它当做无线通信抗干扰的重要手段，广泛应用在遥感通信和深空通信等领域。跳频通信系统的抗干扰技术中最为典型的是抗部分频点干扰，有效的解决了部分频点干扰造成的接收信号严重失真，使系统的误码率降低，保证了良好的通信质量。

在专利号为201410273010.2.的专利中提出一种基于纠错纠删RS-Turbo级联码的跳频抗部分频点干扰的方法。该方法的核心思想是通过设计合理的跳频帧格式，采用RS纠错纠删译码算法纠正频点干扰带来的错误，此专利中确定干扰跳数据的方法是：通过内码Turbo码译码输出软信息的大小准确可靠的给出被干扰的数据跳，即让受干扰的码元成为RS码的删除位，通过RS纠删译码达到抗频点干扰，但这种方法实现复杂度高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种跳频通信的频点干扰判定方法，以通过接收端接收到的前导码元与本地前导码元进行相关，给出RS码的删除位，降低实现复杂度。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

1.一种跳频通信的频点干扰判定方法，其特征在于，包括如下：

(1)在发送端将N比特数据分成H组，将每组的比特数据在GF(2^m)域上进行参数为(n,k,d)的RS编码，其中n为码字长度，k为信息码元长度，d为最小码距，每个码元包含的比特数为m，得到H个RS码为C¹,C²,…,C^t,…,C^H，每个RS码包含n个码元，其表示为其中表示第t个RS码的第j个码元，t＝1,2,…,H,j＝1,2,…,n；

(2)将H个RS码的所有码元分配到跳频系统n个数据跳上，每一跳的数据为 表示第t个RS码的第i个码元，i＝1,2,…,n,t＝1,2,…,H,得到所有n跳RS编码数据W为：

(3)分别对每跳数据wⁱ进行编码，得到编码后的数据g_i，i＝1,2,…,n；

(4)对每跳数据g_i添加前导码元序列p_i，得到添加完前导码元的数据q_i；

(5)对每跳数据q_i进行正交相移键控QPSK调制，得到复基带信号s_i；

(6)对每跳信号s_i添加频偏，然后通过部分频带干扰信道得到接收信号r_i；

(7)找出n跳数据中的删除跳，对删除跳数据和不是删除跳的数据进行不同的处理：

在接收端，从每跳的接收信号r_i中提取出导频序列e_i，从s_i中提取出本地导频序列u_i，通过接收到的导频序列e_i与本地导频序列u_i进行相关，求出相关值o_i，设定一个阈值c，将相关值o_i与该阈值c进行比较：

如果o_i＜c，则判定这一跳数据被干扰，标记为删除跳，并将这些删除跳的所有数据置0，

否则，判定这一跳数据没有被干扰，并对这跳数据进行频偏估计，然后进行频偏补偿，得到补偿后的信号y_i，再将y_i送入Turbo译码器译码；

(8)根据(7)的判定处理结果得到n跳数据，对这n跳数据进行RS纠删译码，以实现对被干扰数据的纠正。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明中判定被干扰的数据跳的方法是通过接收到的导频序列与本地导频序列进行相关，得到相关值，根据相关值的大小给出该跳数据是否被干扰的判断，相比于现有的通过内码Turbo码译码输出软信息的大小给出被干扰的数据跳的方法，其复杂度低。

第二，本发明在判断出被干扰的数据跳后，通过RS纠删码译码实现被干扰数据跳的纠正，提高了误码率性能。

仿真结果表明，在频点干扰信道下，本发明给出的跳频通信的频点干扰判定方法，能准确可靠的给出被干扰的数据跳，明显提高了误码率的性能。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中一跳数据的帧结构图；

图3为本发明中采用加性高斯白噪声信道，在不同信噪比下的误码率性能曲线图；

图4为本发明中采用50％频点干扰信道，在不同信噪比下的误码率性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例和效果做进一步的描述。

本实例的应用场景是跳频通信系统，其包括发送端和接收端，发送端将每跳的信息调制之后送入信道，其中调制使用QPSK调制，信道采用部分频点干扰信道，设定50％的频点干扰，并对被干扰的数据跳添加很大的噪声，未被干扰的数据跳添加不同信噪比的高斯白噪声。在接收端，通过本地导频序列与接收导频序列进行相关，根据相关值的大小给出被干扰的数据跳，再通过RS纠删码译码实现被干扰数据跳的纠正。

参照图1，本实例的具体实现步骤如下：

步骤1，对一帧数据分组进行RS编码，并将其分配到跳频系统相应的跳上。

(1a)在发送端将N比特数据分成H组，将每组的比特数据在GF(2^m)域上进行参数为(n,k,d)的RS编码，其中n为码字长度，k为信息码元长度，d为最小码距，每个码元包含的比特数为m，得到H个RS码为C¹,C²,…,C^t,…,C^H，每个RS码包含n个码元，其表示为其中表示第t个RS码的第j个码元，t＝1,2,…,H,j＝1,2,…,n，RS码中的码字长度n＝28，信息码元长度k＝12，最小码距d＝17，每个码元包含的比特数为m＝5；

(1b)将H个RS码的所有码元分配到跳频系统n个数据跳上，每一跳的数据为 表示第t个RS码的第i个码元，i＝1,2,…,n,t＝1,2,…,H,得到所有n跳RS编码数据W为：

步骤2，对每跳数据进行编码。

对每跳数据wⁱ采用生成矩阵为(31,37)，码率为1/2的Turbo编码，得到编码后的数据g_i，该数据g_i的长度为编码之前数据wⁱ长度的两倍。

步骤3，在每跳数据前添加引导码元。

将发送端与接收端两方约定的引导码元序列p_i添加到每一跳数据序列c_i前，得到由引导码元序列p_i和数据c_i组成的将要调制的序列：q_i＝[p_i c_i]，q_i的帧结构如图2所示。

步骤4，对每一跳数据进行正交相移键控QPSK调制。

对每跳将要调制的序列q_i按照(0,0)→(-1,-1)，(0,1)→(-1,1)，(1,0)→(1,-1)，(1,1)→(1,1)的规则进行正交相移键控QPSK调制，得到发送的复基带信号s_i。

步骤5，对复基带信号s_i添加频偏，并对部分数据跳加入干扰。

对复基带信号s_i加入频偏，得到加完频偏后的数据ε_i,i＝1,2,…,n，即ε_i共有n跳数据；

从n跳数据中随机取跳数据，对这跳数据添加SNR＝-20dB的噪声施加干扰，剩余没有被干扰的跳数据添加不同信噪比的高斯白噪声，得到接收信号r_i。

步骤6，对干扰的数据跳和未被干扰的数据跳进行判定，并对判定的不同数据跳进行不同的处理。

(6a)在接收端，从每跳的接收信号r_i中提取出导频序列e_i，从复基带信号s_i提取出本地导频序列u_i，通过接收到的导频序列e_i与本地导频序列u_i进行相关，求出相关值o_i：

其中，f为e_i序列的长度，e_i(b)表示e_i序列的第b个符号，u_i(b)表示u_i序列的第b个符号；

(6b)根据没有被干扰的数据跳相关值相比于干扰数据跳的相关值会大很多的理论，通过大量统计得出干扰的数据跳相关值的最大值λ和没有被干扰的数据跳相关值的最小值β，设定一个阈值c，

(6c)将相关值o_i与阈值c进行比较：

如果o_i＜c，则判定这一跳数据被干扰，标记为删除跳，并将这些删除跳的所有数据置0；

否则，判定这一跳数据没有被干扰，执行(6d)；

(6d)对没有被干扰这些数据跳进行频偏估计：

(6d1)在接收端，从每跳的接收信号r_i中提取出导频序列e_i，将接收的导频序列e_i与本地导频序列u_i作共轭相乘，得到去调制后的序列Z＝{z₁,z₂,…,z_x…，z_v}：

其中表示序列Z的第x个数，x＝1,2,…,v，v为u_i序列的长度，e_i(x)表示导频序列e_i的第x个符号，表示本地导频序列u_i的第x个符号的共轭；

(6d2)对去调制后的序列Z作E次频偏旋转，每次相应的旋转频偏为f_l，得到频偏旋转信号Z_l:

其中，N_fft为快速傅里叶变换点数，T为符号周期；

(6d3)对频偏旋转信号Z_l作平均周期图，得到平均周期图信号A_y：

其中，A_y,l(f_l)＝FFT(Z_l,N_fft)，y＝0,1,…,N_fft-1，FFT(Z_l,N_fft)表示对频偏旋转信号Z_l作N_fft点快速傅里叶变换，A_y,l(f_l)表示对频偏旋转信号Z_l作N_fft点快速傅里叶变换后的信号；

(6d4)计算频偏估计值Δf：

其中， 为求表达式A_y取最大值时对应的自变量y值，为求当y＝y_a时表达式A_y,l(f_l)最大值对应的自变量l；

(6e)由(6d)得到频偏估计值Δf，对接收信号r_i进行频偏大小为Δf的频偏补偿，得到补偿后的信号y_i，再将y_i送入Turbo译码器进行译码；

(6f)根据(6c)和(6e)得到对删除跳数据和非删除跳处理完的数据σ_i。

步骤7，对(6)处理完的n跳数据进行RS纠删译码，将译码中RS纠删码的删除位与(6)判断出的干扰跳数据相对应，实现对被干扰数据的纠正。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明：

1.仿真参数：

本发明的仿真使用MATLAB R2017a仿真软件，仿真中信道编码为RS码和Turbo码，其参数分别如下：RS码中的码字长度n＝28，信息码元长度k＝12，最小码距d＝17，每个码元包含的比特数为m＝5，即本实验采用GF(2⁵)上的(28,12,17)的缩短RS编码；Turbo码的生成矩阵为(31,37)，码率为1/2，调制方式为QPSK。

2.仿真内容：

仿真1，在信噪比为[0dB,0.5dB,1dB,1.2dB,1.4dB,1.5dB]下，信道模型为加性高斯白噪声信道，仿真本发明误码率与信噪比的关系，结果如图3。

从图3可以看出，在加性高斯白噪声信道下，由于RS纠删码极强的纠错能力，可以纠正噪声造成的错误，所以信噪比在1.5dB时误码率性能达到10^-5级别。

仿真2，在信噪比[0dB,0.5dB,1dB,1.5dB,2dB,2.5dB]，在信道模型为部分频点干扰信道，设定50％的频点干扰，仿真误码与信噪比的关系，结果如图4。

从图4中可以看出，虽然设定了50％的频点干扰，但是误码率性能相比于图3基本没有受到影响，原因有两点：

一是因为本发明给出的跳频通信的频点干扰判定方法比较准确可靠，能准确的指出哪些数据跳被干扰；

二是因为本发明采用GF(2⁵)上的(28,12,17)的缩短RS编码，码率为12/28，d＝17，

若RS码译码时全部用来纠删，则可以纠正(d-1)个删除位，由于这些删除位与删除跳数据相对应，即这些删除跳数据就是被干扰的数据跳数据，因此可以达到抗50％的干扰。

Claims (5)

1.一种跳频通信的频点干扰判定方法，其特征在于，包括如下：

(1)在发送端将N比特数据分成H组，将每组的比特数据在GF(2^m)域上进行参数为(n，k，d)的RS编码，其中n为码字长度，k为信息码元长度，d为最小码距，每个码元包含的比特数为m，得到H个RS码为C¹，C²，…，C^t，…，C^H，每个RS码包含n个码元，其表示为其中表示第t个RS码的第j个码元，t＝1，2，…，H，j＝1，2，…，n；

(2)将H个RS码的所有码元分配到跳频系统n个数据跳上，每一跳的数据为 表示第t个RS码的第i个码元，i＝1，2，…，n，t＝1，2，…，H，得到所有n跳RS编码数据W为：

(3)分别对每跳数据wⁱ进行编码，得到编码后的数据g_i，i＝1，2，…，n；

(4)对每跳数据g_i添加前导码元序列p_i，得到添加完前导码元的数据q_i；

(5)对每跳数据q_i进行正交相移键控QPSK调制，得到复基带信号s_i；

(6)对每跳信号s_i添加频偏，然后通过部分频带干扰信道得到接收信号r_i；

(7)找出n跳数据中的删除跳，对删除跳数据和不是删除跳的数据进行不同的处理：

在接收端，从每跳的接收信号r_i中提取出导频序列e_i，从s_i中提取出本地导频序列u_i，通过接收到的导频序列e_i与本地导频序列u_i进行相关，求出相关值o_i，设定一个阈值c，将相关值o_i与该阈值c进行比较：

如果o_i＜c，则判定这一跳数据被干扰，标记为删除跳，并将这些删除跳的所有数据置0，

否则，判定这一跳数据没有被干扰，并对这跳数据进行频偏估计，然后进行频偏补偿，得到补偿后的信号y_i，再将y_i送入Turbo译码器译码；

(8)根据(7)的判定处理结果得到n跳数据，对这n跳数据进行RS纠删译码，以实现对被干扰数据的纠正。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(3)中对每跳数据wⁱ进行编码，是采用生成矩阵为(31，37)，码率为1/2的Turbo编码，得到编码后的数据g_i是编码之前数据wⁱ长度的两倍。

3.根据权利要求1所述的方法，其中(5)对每跳数据q_i进行正交相移键控QPSK调制，其规则如下：

(0，0)→(-1，-1)，(0，1)→(-1，1)，(1，0)→(1，-1)，(1，1)→(1，1)。

4.根据权利要求1所示的方法，其中(7)中求出相关值O_i，是在接收端，从每跳的接收信号r_i中提取出导频序列e_i，从s_i提取出本地导频序列u_i，将e_i与u_i进行相关，计算公式如下：

其中，f为e_i序列的长度，e_i(b)表示e_i序列的第b个符号，u_i(b)表示u_i序列的第b个符号。

5.根据权利要求1所述的方法，其中(7)中对没有被干扰的跳数据进行频偏估计，实现如下：

(7a)在接收端，从每跳的接收信号r_i中提取出导频序列e_i，将接收的导频序列e_i与本地导频序列u_i作共轭相乘，得到去调制后的序列Z＝{z₁，z₂，…，z_x…，z_v}：

其中表示序列Z的第x个数，x＝1，2，…，v，v为u_i序列的长度，e_i(x)表示导频序列e_i的第x个符号，表示本地导频序列u_i的第x个符号的共轭；

(7b)对去调制后的序列Z作E次频偏旋转，每次相应的旋转频偏为f_l，得到频偏旋转信号Z_l：

其中，N_fft为快速傅里叶变换点数，T为符号周期；

(7c)对频偏旋转信号Z_l作平均周期图，得到平均周期图信号A_y：

其中，A_y，l(f_l)＝FFT(Z_l，N_fft)，y＝0，1，…，N_fft-1，FFT(Z_l，N_fft)表示对频偏旋转信号Z_l作N_fft点快速傅里叶变换，A_y，l(f_l)对频偏旋转信号Z_l作N_fft点快速傅里叶变换后的信号；

(7d)计算频偏估计值：

其中，为求表达式A_y取最大值时对应的自变量y值，为求当y＝y_a时表达式A_y，l(f_l)最大值对应的自变量l。