CN110677367A - 一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及提高了频谱利用率和频率跳变的随机性的一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法，包括如下步骤：(1)由数字化信息源分帧；(2)消息驱动与2QFSK调制；(3)将调制完成的比特作IFFT，加入循环前缀，并串转换；(4)信源信息经步骤1‑3后发送，经过信道到达接收端；(5)串并转换，去除循环前缀，做FFT运算；(6)根据波形所在的一对子信道解调出驱动比特。本发明提供的基于2QFSK调制和IFFT/FFT的跳频与消息驱动跳频技术相结合，相较于传统跳频技术明显提升了频谱效率，相较于消息驱动跳频技术本发明具有更简单的解调方法和一定的抗噪性能提升。

Description

一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及提高了频谱利用率和频率跳变的随机性的一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法。
背景技术
为了将消息驱动技术应用到基于IFFT/FFT结构的跳频通信系统中，在现有的二进制频移键控(2FSK)的基础上提出了一种新的映射方式，正交频移键控(QuadratureFrequency Shift Keying，QFSK)。所谓的正交频移键控是将整个可用频带划分为N个互相重叠50％的子信道，将这些子信道中的前一半发送代表“0”的波形，后一半发送代表“1”的波形。所有子信道中，第i个子信道与第(i+N/2)个子信道称为一对子信道，其中i<N/2。全部子信道可分为N/2对子信道。调制时根据驱动比特的值选择一对子信道，再根据常规比特的值在这一对子信道中选择是用代表“0”的子信道还是代表“1”的子信道传输波形。在选定相应的子信道之后，用N个“0”或“1”代表N个子信道是否被选定的状态，“0”代表不选定此子信道，“1”代表选定此子信道。对于二进制正交频移键控来说，N个子信道中只有一个子信道被选定。再将这N个“0”或“1”去做IFFT即可得到调制后的波形。正交频移键控与频移键控主要有两个方面的差别，一是调制后的波形不同，二是应用场合不同，FSK可广泛用于各种通信体制，QFSK主要用在基于IFFT/FFT结构的通信系统。
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。
现有的消息驱动跳频(MDFH)技术是利用消息代替传统跳频系统中的跳频图案，用消息本身来控制跳频的频点，在收端比较全频带能量，即可解调出跳频点携带的消息。消息驱动跳频技术相比于传统跳频系统可以节省大量的同步耗费的硬件资源，同时可以提升频谱效率。但是当收端比较能量出错时会导致大量误码。
与传统MPSK/QAM调制的多载波通信系统相比，由于采用2QFSK调制及IFFT/FFT框架来进行调制解调，因此对于多普勒频移具有很好的抵抗效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法，包括如下步骤：
(1)由数字化信息源分帧，每帧有m＝m1+m2位信息比特；其中前m1位作为消息驱动的驱动比特，后m2位作为常规比特，产生m2个2QFSK波形；
(2)消息驱动与2QFSK调制；
(3)将调制完成的比特作IFFT，加入循环前缀，并串转换；
(4)信源信息经步骤1-3后发送，经过信道到达接收端；
(5)串并转换，去除循环前缀，做FFT运算；
(6)根据波形所在的一对子信道解调出驱动比特，根据波形在这一对子信道中代表“1”的子信道还是“0”的子信道解调出常规比特。
本方法步骤(2)所述的消息驱动与2QFSK调制，具体可表述为：
将信息按照m＝m1+m2分帧，其中前m1比特信息称为驱动比特，将整个信道划分为N个子信道，N为偶数，驱动比特决定跳频的频点；后m2比特信息称为常规比特，采用2QFSK调制的方式，根据驱动比特和常规比特的值在N个子信道上选择一个子信道传送信息。
本方法步骤(6)所述的消息驱动与2QFSK解调，具体可表述为：
对接收到的波形做FFT，选出能量最大的一路，据此解调出驱动比特和所携带的1比特常规比特，重复此过程m2次即可解调出整帧的所有信息。
本发明的有益效果在于：
本发明提供的基于2QFSK调制和IFFT/FFT的跳频与消息驱动跳频技术相结合，相较于传统跳频技术明显提升了频谱效率，相较于消息驱动跳频技术本发明具有更简单的解调方法和一定的抗噪性能提升。
附图说明
图1是基于IFFT/FFT的跳频(FI)通信系统的框架图；
图2是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统框架图；
图3是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统子信道划分示意图；
图4是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统调制及解调映射示意图；
图5是子信道跳变示意图；
图6是2QFSK、BPSK、QPSK三种映射误码率的对比情况图；
图7是2QFSK、BPSK、QPSK三种映射误码率的对比情况图；
图8是两种跳频系统传输效率对比图。
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。
图1是基于IFFT/FFT的跳频(FI)通信系统的框架图；
图2是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统框架图；
图3是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统子信道划分示意图；
图4是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统调制及解调映射示意图；
图5是以N＝8，m2＝3为例的子信道跳变示意图；
图6是在无多普勒情况下，2QFSK、BPSK、QPSK三种映射误码率的对比情况；
图7是在多普勒频移100Hz的情况下，2QFSK、BPSK、QPSK三种映射误码率的对比情况；
图8是在128个频点，64个跳点，单位时间传输2个波形的条件下，在每跳传输符号数不同时，基于2QFSK调制及IFFT/FFT框架的消息驱动跳频通信系统与普通2QFSK跳频通信系统传输相同比特数所花费单位时间的对比。
具体的来讲，图1是FI通信系统的框架图，图2是基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统框架图，发射端主要包括以下几步：
步骤1：确定系统的参数。包括子信道总个数N和常规比特数目m2。由数字化信源分帧，每帧有m＝m1+m2位信息比特，根据公式m1＝log2N计算出驱动比特个数。图3为子信道划分规则，将整个频段分为N个子信道，每个子信道之间重叠50％。其中前N/2个子信道用来传“0”，其中后N/2个子信道用来传“1”。
步骤2：消息驱动与2QFSK调制；如图4所示，首先根据驱动比特选定一对子信道，再根据常规比特的值在这一对子信道中选择一个子信道传输信息。选取的子信道用“1”来表示，其他关断子信道用“0”来表示。
步骤3：将代表子信道状态的N比特信息做N点IFFT得到时域波形。
步骤4：将调制后的波形添加循环前缀、并串转换后经上变频发送到信道中。
信源信息根据驱动比特的不同选择不同的子信道组合，实现频率跳变。以N＝8，m2＝3为例，一共存在8种子载波激活组合，即存在8种频率跳变，如图5所示为N＝8，k＝3的一个简单的频率跳变示意图。所携带的两帧信息为{010100,111101}，每帧的前3bit代表载波的信息，后3bit表示携带的常规比特信息。
系统接收端主要包括以下几步：
步骤5：下变频，串并转换，去除循环前缀，做N点FFT运算；
步骤6：根据最大能量所在频点一次即可解调出全部的驱动比特及1比特常规比特，重复步骤5m2次即可解调出整帧的信息。同时可对m2次的解调结果进行软判决，可在一定程度上纠正一些误码。解调出一帧比特后，输出解调信息，完成整个通信过程。
总的来说，本发明属于无线通信技术领域，具体涉及二进制正交频移键控(2QFSK)技术，消息驱动跳频(Message Driven Frequence Hopping，MDFH)技术，基于IFFT/FFT的跳频(FH based on IFFT/FFT，FI)通信技术。
本发明是一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信系统,属于无线通信技术领域。提出了一种正交频移键控(QFSK)的调制，并将其与基于IFFT/FFT的跳频(FHbased on IFFT/FFT，FI)通信技术相结合，利用消息驱动的方式将信息分别调制到波形与频点上。与普通跳频相比，本专利具有更高的频谱效率和更好的系统性能；与基于IFFT/FFT框架的索引调制跳频相比，本专利具有更简单的收端结构、更简单的解调方法及更好的抗衰落性能。与基于MPSK/QAM调制的多载波通信系统相比，本专利具有更好的抗多普勒频移的能力。
本发明针对现有的FI通信技术频谱效率低和现有的消息驱动跳频(MDFH)技术在解调时误码较高的问题，提出了一种基于2QFSK调制及IFFT/FFT框架的消息驱动跳频通信系统，在现有的FI通信技术基础上加入消息驱动跳频(MDFH)技术提高了频谱利用率和频率跳变的随机性，同时采用2QFSK调制，在一定程度上提高了抗噪性能。
本发明的技术方案为：
在系统发端引入2QFSK调制和消息驱动技术结合FI通信技术，实现频率跳变并提升频谱效率。将信息比特分为驱动比特和常规比特，通过驱动比特确定一对子信道传输信息；通过常规比特，具体确定一对子信道中的哪个子信道传输信息，达到利用消息驱动跳频和2QFSK调制技术与FI通信技术相结合实现跳频功能。
本发明的整体系统链路如图2所示，包括数字化信源、驱动比特映射、2QFSK调制、信道、驱动比特解调、常规比特解调。
一种基于2QFSK的消息驱动跳频通信系统，包括以下步骤：
步骤1：由数字化信息源分帧，每帧有m＝m1+m2位信息比特；其中前m1位作为消息驱动的驱动比特，后m2位作为常规比特，产生m2个2QFSK波形；
步骤2：消息驱动与2QFSK调制；假设有N个子载波，激活其中两个子载波进行数据传输，则m1＝log2(N/2)，根据m1位驱动比特的值选择某一对子载波βi,k和βi,k+N/2来传输波形，其中子载波βi,k用来传输常规比特中的信息“0”，子载波βi,k+N/2用来传输常规比特中的信息“1”。驱动比特共有m2位，因此在这一对子信道上共传递m2个波形；
步骤3：将调制完成的代表N个子载波开关状态的比特作N点IFFT，加入循环前缀，并串转换；信源信息根据驱动比特选择跳频点，实现频率跳变。再经2QFSK调制将信息“0”与信息“1”在不同的子信道上发送；
步骤4：信源信息经步骤1～3后发送，经过信道到达接收端；
步骤5：串并转换，去除循环前缀，做N点FFT运算；
步骤6：根据波形所在的一对子信道解调出驱动比特，根据波形在这一对子信道中代表“1”的子信道还是“0”的子信道解调出常规比特。结合驱动比特和常规比特，输出解调比特。
步骤2种所述的消息驱动与2QFSK调制，具体可表述为：
将信息按照m＝m1+m2分帧，其中前m1比特信息称为驱动比特，将整个信道划分为N个子信道(N为偶数)，驱动比特决定跳频的频点，也即是N个子信道中具体会用那一对子信道传输信息；后m2比特信息称为常规比特，采用2QFSK调制的方式，根据驱动比特和常规比特的值在N个子信道上选择一个子信道传送信息。将这个子信道信息映射为N个比特，将这N比特信息做IFFT便得到时域的波形，完成整个调制的过程。
步骤6种所述的消息驱动与2QFSK解调，具体可表述为：
对接收到的波形做FFT，选出能量最大的一路，据此解调出驱动比特和所携带的1比特常规比特，重复此过程m2次即可解调出整帧的所有信息。
综上所述，本发明将2QFSK调制技术与IFFT/FFT框架及消息驱动技术相结合。通过消息驱动选择IFFT/FFT框架中的一对子载波，采用2QFSK调制的方式实现频率跳变并传输调制波形，包括以下步骤：
步骤1：由数字化信息源分帧，每帧有m＝m1+m2位信息比特；其中前m1位作为消息驱动的驱动比特，后m2位作为常规比特，产生m2个2QFSK波形；
步骤2：消息驱动与2FSK调制；假设有N个子载波，激活其中两个子载波进行数据传输，则m1＝log2(N/2)，根据m1位驱动比特的值选择某一对子载波βi,k和βi,k+N/2来传输波形，其中子载波βi,k用来传输常规比特中的信息“0”，子载波βi,k+N/2用来传输常规比特中的信息“1”。驱动比特共有m2位，因此在这一对子信道上共传递m2个波形；
步骤3：将调制完成的代表N个子载波开关状态的比特作N点IFFT，加入循环前缀，并串转换；信源信息根据驱动比特选择跳频点，实现频率跳变。再经2QFSK调制将信息“0”与信息“1”在不同的子信道上发送；
步骤4：信源信息经步骤1～3后发送，经过信道到达接收端；
步骤5：串并转换，去除循环前缀，做N点FFT运算；
步骤6：根据波形所在的一对子信道解调出驱动比特，根据波形在这一对子信道中代表“1”的子信道还是“0”的子信道解调出常规比特。结合驱动比特和常规比特，输出解调比特。
步骤2中所述的消息驱动与2QFSK调制，具体可表述为：
将信息按照m＝m1+m2分帧，其中前m1比特信息称为驱动比特，将整个信道划分为N个子信道(N为偶数)，驱动比特决定跳频的频点，也即是N个子信道中具体会用那一对子信道传输信息；后m2比特信息称为常规比特，采用2QFSK调制的方式，根据驱动比特和常规比特的值在N个子信道上选择一个子信道传送信息。将这个子信道信息映射为N个比特，将这N比特信息做IFFT便得到时域的波形，完成整个调制的过程。
步骤6中所述的消息驱动与2QFSK解调，具体可表述为：
对接收到的波形做FFT，选出能量最大的一路，据此解调出驱动比特和所携带的1比特常规比特，重复此过程m2次即可解调出整帧的所有信息。

Claims (3)

1.一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)由数字化信息源分帧，每帧有m＝m1+m2位信息比特；其中前m1位作为消息驱动的驱动比特，后m2位作为常规比特，产生m2个2QFSK波形；
(2)消息驱动与2QFSK调制；
(3)将调制完成的比特作IFFT，加入循环前缀，并串转换；
(4)信源信息经步骤1-3后发送，经过信道到达接收端；
(5)串并转换，去除循环前缀，做FFT运算；
(6)根据波形所在的一对子信道解调出驱动比特，根据波形在这一对子信道中代表“1”的子信道还是“0”的子信道解调出常规比特。
2.根据权利要求1所述的一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法，其特征在于，步骤(2)所述的消息驱动与2QFSK调制，具体可表述为：
将信息按照m＝m1+m2分帧，其中前m1比特信息称为驱动比特，将整个信道划分为N个子信道，N为偶数，驱动比特决定跳频的频点；后m2比特信息称为常规比特，采用2QFSK调制的方式，根据驱动比特和常规比特的值在N个子信道上选择一个子信道传送信息。
3.根据权利要求1所述的一种基于二进制正交频移键控调制的消息驱动跳频通信方法，其特征在于，步骤(6)所述的消息驱动与2QFSK解调，具体可表述为：
对接收到的波形做FFT，选出能量最大的一路，据此解调出驱动比特和所携带的1比特常规比特，重复此过程m2次即可解调出整帧的所有信息。
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