CN112260712B - 一种短波抗干扰超窄带数据传输系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于短波通信技术领域，公开了一种短波抗干扰超窄带数据传输系统和方法，本发明通过引入信道探测波形的概念并将其叠加在原有的信息波形上，形成混叠波形进行发送；在接收端首先在混叠波形中提取信道探测波形；其次利用探测波形对传输信道类型进行判断，根据判断的类型选取对应参数从而对信道进行估计；而后基于信道估计结果将接收信号中关于探测波形的信息去除；最后在剩余的波形中提取软信息，并送入译码器进行译码。本发明采用超窄带进行数据传输且不需反馈重传协议，仅需要很窄的频谱范围就可以工作，降低了对外界电磁环境与信道的要求，能够适应各种干扰并在超窄带实现关键信息远距离传输。

Description

一种短波抗干扰超窄带数据传输系统和方法

技术领域

本发明属于短波通信技术领域，尤其涉及一种短波抗干扰超窄带数据传输系统和方法。

背景技术

短波通信是指波长在10米--100米，频率范围3MHz--30MHz的一种无线电通信技术。短波通信发射的电波要经电离层的反射才能到达接收端，通信距离较远，是远程通信的主要手段。

短波信号具有一定带宽会占据一定的频谱资源，因此为了防止两个短波信号互相干扰，通常会将它们‘放置’在收发双发约定的频率点上，这些频率点互相保持一定间隔。例如常用的短波信号带宽为3KHz，即待传输的信息经调制后被‘放置’在范围为3KHz的频带上；接收端根据发送端的发射中心频率对短波信号进行接收。由于短波通信的特殊性与电离层的随机性，可能会出现人为主动干扰或电离层不稳定等情况从而导致不存在较为‘纯净’的3KHz频带，进而出现无法通信的情况。

现有抗干扰通信的基本思路是采用跳频、扩频或跳扩结合的方式来进行的，在跳频前对频率进行侦听，选择纯净的、没有干扰的频率点进行信息发送，这种方案能够主动避开有干扰的频率点，但发射信号带宽仍然需要具有一定宽度，在复杂多变的环境下很难寻找到符合条件的信道。还有一种是基于ACK(应答反馈重传)机制来实现的抗干扰通信技术，在这种方式下接收端把接收错误的数据帧索引号反馈给发送端，发送端再次发送这个数据帧，这样就提高了可靠性。但这种方式需要有反馈信道，同时还需要收发两端制定反馈重传的协议。

然而在特殊应用场景下，如抢险救灾、指挥控制、战略部署等环境中，通信环境非常差，但却需要在极端恶劣的环境下及时可靠地传输信息，通信畅通与否会直接影响事态发展方向。因此在复杂的、具有强电磁干扰的环境下如何提高关键信息传输的可靠性成了短波通信领域亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提出一种短波抗干扰超窄带数据传输系统和方法，本发明提出的抗干扰传输系统采用超窄带进行数据传输且不需反馈重传协议，仅需要很窄的频谱范围就能工作，降低了对外界电磁环境与信道的要求，能够适应各种干扰并在“夹缝”中实现关键信息远距离传输。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以解决。

一种短波抗干扰超窄带数据传输系统，包括：由依次连接的信息预处理模块、调制器、成型滤波器和上变频模块及信道探测模块组成的发送端，由依次连接的下变频模块、同步捕获模块、探测信号提取模块、频偏/信道估计模块、消息头信息提取模块、参数匹配加载模块、码字软信息提取模块和译码器组成的接收端；

所述信息预处理模块用于将待发送信息进行二进制编码形成二进制LDPC码字，并添加相应的消息头和功率控制序列；

所述信道探测模块用于产生信道探测序列，并将其叠加至成型滤波器产生的信息波形上，形成时域混叠波形，使接收端能够据此进行信道类型识别与信道估计；其中，信息带宽与信道探测序列的带宽不同；

所述频偏/信道估计模块包含频偏估计/跟踪模块和信道探测/估计模块，所述探测信号提取模块提取的探测序列信息分别传输至频偏估计/跟踪模块和信道探测/估计模块，分别进行频偏估计和信道估计，并将估计的频偏和信道结构传输至信息头信息提取模块，同时，信道探测/估计模块将信道估计结果传输至码字软信息提取模块。

进一步地，所述信息预处理模块包含消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块和扰码器，且所述消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块分别通过切换开关与调制器连接，所述扰码器用于产生随机干扰序列，同时对消息头模块和LDPC编码模块产生的消息头序列和二进制LDPC码字进行循环加扰；其中，切换开关按时间顺序在消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块之间切换，将对应模块与调制器依次联通。

进一步地，消息头模块用于产生携带当前传输波形的速率参数的消息头序列，所述TLC/AGC模块用于产生功率控制序列，所述同步头模块产生同步头序列，标示用户信息起点，所述LDPC编码模块用于对待传输信息进行编码形成二进制LDPC码字；

所述调制器用于将输入的扰码符号映射成对应星座点，完成由符号到星座图上对应点的转换；所述成型滤波器用于将星座点转换为相应的波形，使其适应信道传输，同时限制信号带宽；

所述上变频模块利用高频载波将含有得到IQ信号的频谱线性搬移至所需的载波频率上；

所述下变频模块将接收信号中的高频载波去除，同时把信号的频谱线性搬移至基带得到IQ信号；所述同步捕获模块用于从具有噪声干扰的信号中寻找同步头起点，再根据给定的帧格式找到对应的消息头与二进制LDPC码字起点；所述探测信号提取模块用于将探测波形从时域混叠信号中提取出来；所述信道探测/估计模块用于根据提取出的探测波形对信道的类型和信道的轨迹进行估计；所述频偏估计/跟踪模块用于对接收系统中存在的频偏进行估计、跟踪，并将估计的频率偏移量从信号中去除；所述消息头提取模块用于根据信道估计结果从消息头波形中提取出速率信息；所述参数匹配加载模块用于通知后续模块加载相应的参数；所述码字软信息提取模块用于根据信道估计结果与消息头的速率参数进行码字软信息提取，所述LDPC译码模块用于对提取出的软信息进行译码，并将译码结果输出。

更进一步地，所述对消息头模块和LDPC编码模块产生的消息头序列和二进制LDPC码字进行循环加扰，具体为：扰码器产生取值范围为一定长度的K个符号的随机序列，同时对消息头和编码模块输出的序列进行循环加扰；其中，消息头加扰为：消息头的第0个符号与扰码序列第0个符号进行相扰，消息头的第1个符号与扰码序列第1个符号进行相扰，依次类推直至消息头加扰完毕；LDPC码字的加扰顺序与消息头相同，对于LDPC码字中序号大于等于K的符号，对其求余后再与对应的扰码相扰即可；K＞120。

进一步地，所述将探测波形从时域混叠信号中提取出来，具体为：将经下变频和同步头捕获后的基带信号输入低通滤波器，由于探测波形与信息波形的频谱形状不同，提取出探测波形。

(二)一种短波抗干扰超窄带数据传输方法，包括以下步骤：

步骤1，在发射端，待传输信息依次通过二进制LPDC编码、添加消息头、扰码、调制形成信息波形，信道探测序列模块产生探测波形，探测波形与信息波形叠加后形成时域混叠波形，时域混叠波形通过上变频后形成发射信号发出；

步骤2，在接收端，接收信号经过下变频、同步捕获后，得到叠加后的基带信号，采用低通滤波器从叠加后的基带信号中提取探测信号；再根据提取的探测信号进行信道和频偏估计，再进行码字软信息提取和译码，得到目标信息；

其中，数据传输的信道为窄带，探测波形与信息波形的的带宽不同。

进一步地，所述时域混叠波形为：

设消息头波形或LDPC码字波形为x(t)，其功率为P_x；探测波形为d(t)，其功率为P_d，则时域混叠波形表达式为：

s(t)＝ξ_x·x(t)+ξ_d·d(t)，

其中，ξ_x、ξ_d分别为对应波形的功率分配因子，

设叠加后的基带信号功率为P_s，则有P_s＝P_x＝P_d。

进一步地，所述采用低通滤波器从叠加后的基带信号中提取探测信号，具体步骤为：

首先，设经下变频、同步捕获后的基带信号表达式为：

r(t)＝ξ_x·h(t)x(t)+ξ_d·h(t)d(t)+w(t)

其中，h(t)是时变信道特性，w(t)是二维正态分布噪声；

然后，利用低通滤波器从叠加后的基带信号中提取探测波形：叠加后的基带信号通过低通滤波器后的输出为：

F_LPF(r(t))＝ξ_d·h(t)d(t)+w_LPF(t)；

其中，w_LPF(t)为等效的输出噪声，由于低通滤波器的带宽很窄此项忽略，则低通滤波器的输出简化为：

F_LPF(r(t))＝ξ_d·h(t)d(t)

基于上式，探测波形从时域混叠信号中提取出来。

进一步地，根据探测信号进行信道估计为：根据低通滤波器的输出，估计信道特性：

进一步地，所述码字软信息提取的具体步骤为：

将信息波形记作x(t)，则有r(t)-F_LPF(r(t))＝ξ_xh(t)x(t)+w(t)，整理得：

令

则有

r′(t)＝x(t)+w′(t)；

则时刻τ信号x(τ)的软信息为：

其中，σ²为二维正态分布噪声w(t)的方差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提出了短波抗干扰超窄带数据传输系统，不同于现有技术使用跳频或重传机制来克服干扰，本发明采用超窄带进行数据传输且不需反馈重传协议，仅需要很窄的频谱范围就可以工作，降低了对外界电磁环境与信道的要求，能够适应各种干扰并在“夹缝”中实现关键信息远距离传输。通过引入信道探测波形的概念并将其叠加在原有的信息波形上，形成混叠波形进行发送；在接收端首先在混叠波形中提取信道探测波形；其次利用探测波形对传输信道类型进行判断，根据判断的类型选取对应参数从而对信道进行估计；而后基于信道估计结果将接收信号中关于探测波形的信息去除；最后在剩余的波形中提取软信息，并送入译码器进行译码。由于本发明采用窄带数据传输，码元宽度远远大于短波常见的信道时延，因此接收端不需要复杂的均衡模块，能够大大降低方案的实现复杂度。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1是本发明一种短波抗干扰超窄带数据传输系统的发射端框图；

图2是本发明实施例中循环加扰时间顺序示意图；

图3是本发明实施例中的加扰计算规则示意图；

图4是本发明实施例中的格雷映射星座图；

图5是本发明实施例中的成型脉冲时频域波形图，其中(a)为成型脉冲时域波形图，(b)成型脉冲频域特性图；

图6本发明实施例中成型滤波输出波形图；

图7是本发明实施例探测波形图；

图8是本发明实施例中叠加探测波形时间顺序图；

图9是本发明实施例中上变频模块输出的信号频谱图；

图10是本发明一种短波抗干扰超窄带数据传输系统的接收端框图；

图11是本发明实施例中真实信道和有噪环境下信道估计结果对比图；

图12是本发明实施例中不同信道下的速率性能曲线图；其中，(a)高斯信道下10bps速率性能曲线图；(b)衰落信道下10bps速率性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例及效果作进一步详细描述。

参考图1，本发明提出一种短波抗干扰超窄带数据传输系统，包括：由依次连接的信息预处理模块、调制器、成型滤波器和上变频模块及信道探测模块组成的发送端，由依次连接的下变频模块、同步捕获模块、探测信号提取模块、频偏/信道估计模块、消息头信息提取模块、参数匹配加载模块、码字软信息提取模块和译码器组成的接收端；

所述信息预处理模块包含消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块和扰码器，且所述消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块分别通过切换开关与调制器连接，所述扰码器用于产生随机干扰序列，同时对消息头模块和LDPC编码模块产生的消息头序列和二进制LDPC码字进行循环加扰；其中，切换开关按时间顺序在消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块之间切换，将对应模块与调制器依次联通。

所述信道探测模块用于产生信道探测序列，并将其叠加至成型滤波器产生的信息波形上，形成时域混叠波形，使接收端能够据此进行信道类型识别与信道估计；其中，信息带宽与信道探测序列的带宽不同；

所述频偏/信道估计模块包含频偏估计/跟踪模块和信道探测/估计模块，所述探测信号提取模块提取的探测序列信息分别传输至频偏估计/跟踪模块和信道探测/估计模块，分别进行频偏估计和信道估计，并将估计的频偏和信道结构传输至信息头信息提取模块，同时，信道探测/估计模块将信道估计结果传输至码字软信息提取模块。

发射端

如图1所示，信源产生待传输信息；TLC/AGC模块产生功率控制序列，其作用是在接收端自动进行增益控制从而使得进入接收机的信号功率近乎恒定，不会出现输入功率大小起伏的情况，本实施例的TLC/AGC模块的控制序列如表1所示。

表1 TLC/AGC序列(10个符号)

同步头模块产生同步头序列，其作用是使得接收机在接收的信号中寻找到真正的用户信息起点，本实施例的同步头序列如表2所示；开关K按时间顺序依次联通，其作用是按照给定的数据帧格式依次输出。为了达到设计需求，本实施例中TLC/AGC长度10个符号(时长0.333秒)，同步头长度为120个符号(时长4秒)。

表2 同步头序列(120个符号)

(1.1)消息头模块

消息头模块产生消息头序列，携带本次传输波形的必要参数(如速率信息)，接收机识别消息头中的信息后加载对应参数进行相应的解调译码工作。简单起见令速率索引编号的二进制序列作为消息头的待传输信息。例如速率0可以用消息00表示；速率1可以用消息01表示，这样2比特消息可以表示4种速率信息。2比特消息经映射后再进行60次扩展从而形成长度为120个符号(时长4秒)的消息头序列。消息头包含的速率信息、映射及扩展结果见表3。

表3 消息头包含的消息及映射扩展结果

速率	消息(比特)	映射结果(符号)	扩展结果(符号)
				0	0 0	0 0	[0，0，...，0，0，...，0，0]
1	0 1	0 6	[0，6，...，0，6，...，0，6]
				2	1 0	6 0	[6，0，...，6，0，...，6，0]
3	1 1	6 6	[6，6，...，6，6，...，6，6]

说明：消息头可以表明4种信息速率，这里仍然以10bps为例进行说明抗干扰超窄带数据传输体制。例如可以令速率0表示10bps。

(1.2)LDPC编码模块

LDPC编码模块对信源产生的信息进行编码从而形成二进制LDPC码字。本实施例选取参数为(2400，7200)码率为1/3的LDPC码字进行编码，即2400个比特进入编码器经编码后得到7200比特的码字，而后将7200比特进行映射得到7200个符号。映射规则为：码字中的比特0映射符号0；比特1映射为符号6。

LDPC码字校验基矩阵见附表4。表4中基矩阵的维数为12×18，采用扩展因子z＝400进行扩展，基矩阵的每个元素都用400×400的方阵替代。若元素为-1，则利用全0的400×400的方阵替代；若元素为m，(m≠-1)，则首先构造400×400的单位阵(仅主对角元素为1，其他元素均为0的矩阵)，而后将此单位阵的每一行循环左移m位，最后将基矩阵中的元素m替换为左移后的方阵。这样就得到了扩展后的矩阵，其维数为4800×7200，利用此矩阵进行编码与译码。

表4 LDPC码字校验基矩阵

(1.3)扰码器

扰码器产生取值范围为0～7的长度为120符号的随机序列，如表5所示，同时对消息头和编码模块输出的序列进行循环加扰，其作用是使其呈现出随机特性。循环加扰时间顺序如图2所示。

表5 扰码序列(120个符号)

消息头的第0个符号与扰码序列第0个符号进行相扰，消息头的第1个符号与扰码序列第1个符号进行相扰，以此类推直至将消息头加扰完毕；对于LDPC码有相同的加扰顺序，只是对于序号大于等于120的符号需要对120进行求余后再与对应的扰码相扰，例如第120个LDPC码字符号对120求余后为0，则第120个LDPC码字符号与扰码序列第0个符号进行相扰；又如第121个LDPC码字符号对120求余后为1，则第121个LDPC码字符号与扰码序列第1个符号进行相扰，依次类推，直至将所有码字加扰完毕。从上述可知，将消息头和LDPC码字加扰共需61段扰码序列。加扰的计算规则如图3。例如若原消息头(或LDPC码字)符号为6，加扰符号为3，则信息头(或LDPC码字)加扰后变为符号4，如图3中阴影区域。

(1.4)调制器

调制器将输入的符号映射成对应星座点，完成由符号到单位圆上的点的转换工作。由于采用的是现代编译码，因此星座图需采用格雷映射(Gray mapping)，格雷映射是指相邻两符号的二进制表示中仅有1位比特不同。例如图4中的8个符号均匀的分布在单位圆上，符号0的二进制表示为000，相邻符号4(或1)的二进制表示为100(或001)，仅有1位不同。当有符号输入调制器时，调制器会根据给定的星座映射图将符号转换为相应的点。假设输入调制器的符号串为(5，6，3，3)，则调制器输出(0-1i，-1+0i，0+1i，0+1i)。其中i为虚数单位。

(1.5)成型滤波器

成型滤波器将星座点转换为相应的波形，使其适应信道的传输，同时也限制了信号的带宽。选取α＝0.25的升余弦成型脉冲，其时域表达式为

对应的成型脉冲波形如图5(a)所示，其频谱特性如图5(b)所示，对应的频谱宽度为B＝(1+α)R_s，α为滚降系数，将α＝0.25、R_s＝30带入上式得到理论带宽为B＝37.5Hz。

将调制器输出的星座点依次通过具有上述特性的成型滤波器即得到输出波形。例如对于输入(0-1i，-1+0i，0+1i，0+1i)，成型滤波器输出波形如图6所示。同时从输出的波形中可以读出输入的星座点。例如在时刻0秒波形实部采样值为0，波形虚部采样值为-1，则第0星座点为0-1i；同理在时刻0.1秒波形实部采样值为0，波形虚部采样值为1，则第3星座点为0+1i(由于每秒传输30个符号，因此两符号间隔Δt为0.0333秒)。

(1.6)信道探测模块

信道探测模块产生信道探测序列，其作用是在接收端进行信道类型识别与信道估计。探测序列由80个符号构成，如表6所示，表6中的每个元素乘以

得实际信道探测序列。

表6 信道探测序列(80个符号)

为了在接收端能够从接收信号中提取探测波形，信号带宽应与探测波形的带宽不同，因此令探测符号波特率R_t＝1。即每秒传输1个符号，在一个符号周期内探测波形保持恒定不变且实部与虚部相同，这样探测波形的带宽远远小于信号带宽。图7给出了前4秒的探测波形，从图中可以读出前4个探测序列的符号为：

其中ξ为功率归一化系数，其目的是令探测波形的功率与成型滤波器输出波形的功率相同。图8给出了探测波形与成型滤波器输出波形叠加的时间顺序。需要说明的是，探测波形仅仅叠加在消息头波形和LDPC码字波形上，同时为了保证探测波形的首尾连续性将其最后4秒波形叠加至信息头波形上。

将消息头波形(LDPC码字波形)记做x(t)其功率为P_x，探测波形记做d(t)其功率为P_d，(适当选取ξ使得P_x＝P_d)，则叠加后的基带信号表达式为

并将其功率记做P_s，由约束条件

有P_s＝P_x＝P_d。系数ξ_x和ξ_d为功率分配因子，若ξ_x＞ξ_d则在叠加信号中信息波形占主导地位，有利于译码；若ξ_x＜ξ_d则在叠加信号中探测波形占主导地位，有利于信道估计。本发明提出的抗干扰超窄带通信体制需要在电磁环境复杂、具有干扰的情况下应用，同时又要确保信息可靠传输，为了兼顾有效性和可靠性这里选取

(1.7)上变频模块

上变频模块的作用是利用高频载波将实部虚部两路信号的频谱线性搬移至所需的载波频率上。本地载波产生频率为f_c的正弦波cos(2πf_ct)并对其进行相移

得到正弦波sin(2πf_ct)，分别与基带信号s(t)的实部I(t)以及虚部Q(t)相乘并求和即得到射频信号f(t)。数学表达式为

f(t)＝I(t)cos(2πf_ct)-Q(t)sin(2πf_ct).........(3)

经上变频模块后原基带IQ两路信号就变成了一路实数信号，其频谱以频率f_c对称并向两边扩展，但信号频谱主瓣被限制在B＝37.5Hz范围内。图9给出了上变频器输出信号的频谱。从图中可以看到信号的中心频率f_c＝3000Hz，信号的频谱被限制在37.5Hz内。同时在信号的频谱上存在一个‘峰’，这个‘峰’是探测波形的频谱。在实际应用时可以灵活选取载波频率f_c使上变频模块将实部虚部两路信号的频谱线性搬移至所需的载波频率上。

接收端

短波抗干扰超窄带数据传输系统接收端的逻辑框图如图10所示。图中下变频模块将接收信号中的高频载波去除，同时把信号的频谱线性搬移至基带得到IQ信号；同步捕获模块的作用是在受到了噪声干扰的信号中寻找到同步头起点，从而根据给定的帧格式找到对应的消息头与码字起点；探测信号提取模块将探测波形从时域混叠的信号中提取出来；信道探测与估计模块基于提取出的探测波形对信道的类型(高斯/衰落)进行评估，并对信道的轨迹进行估计；频偏估计/跟踪模块对接收系统中存在的频偏进行估计、跟踪并将此频率偏移量从信号中去除；消息头提取模块基于信道估计的结果从消息头波形中提取出关键的速率信息，并告知后续模块加载相应的参数；码字软信息提取模块结合信道估计结果与消息头的参数一起进行码字软信息提取工作，提取出的软信息送入LDPC译码模块进行译码，最后译码结果送入信宿(用户端)。

下面对探测信号提取、信道探测与估计以及码字软信息提取这三个关键模块进行详细说明。

(2.1)探测信号提取模块

假设经下变频、同步捕获后的基带信号表达式为

r(t)＝ξ_x·h(t)x(t)+ξ_d·h(t)d(t)+w(t).........(4)

其中，h(t)是时变信道特性，w(t)是二维正态分布噪声。探测波形d(t)的频谱与信息波形x(t)的频谱有重叠但频谱形状有显著区别，可以利用低通滤波器(Low PassFilter，LPF)提取探测波形。虽然低通滤波器同时输出了信息波形的低频分量，但是在极窄频谱范围(探测波形所占带宽)内信息波形频谱密度远远小于探测波形频谱密度，不会对探测波形产生影响。低通率波器的输出表达式可以近似为F_LPF(r(t))＝ξ_d·h(t)d(t)+w_LPF(t)。符号F_LPF(x)表示将信号x通过低通滤波器，w_LPF(t)为等效的输出噪声。由于低通滤波器的带宽很窄因此可以将w_LPF(t)忽略，这样低通滤波器的输出可进一步简化为

F_LPF(r(t))＝ξ_d·h(t)d(t).........(5)

从式(5)看到探测信号提取模块利用低通滤波器将探测波形从时域混叠的信号中提取出来。

(2.2)信道探测与估计

考察低通滤波器的输出表达式(5)，其中的功率因子以及探测序列均已知，那么就可以计算出信道的特性，计算如下

图11给出了在噪声环境下信道估计的结果，从图11中可以看到估计的信道特性与真实信道特性基本相似，能够紧紧跟随真实信道的变化，估计的信道真实的刻画了信道的特性。这里把由式(6)计算出的信道估计结果作为真实的信道特性，即

同时，基于估计出的信道轨迹可以进行如下工作：

(a)判断所经信道的类型(高斯、衰落)；

(b)通过对x(t)的硬判决结果估计二维正态分布噪声w(t)的方差σ²。

(2.3)码字软信息提取

将探测序列从时域叠加的信号中提取出来后，可以很方便的将含有信息分量的波形提取，将含有信息的波形记做x(t)，则有r(t)-F_LPF(r(t))＝ξ_xh(t)x(t)+w(t)，对此式进行整理得：

令

则有

r′(t)＝x(t)+w′(t).........(7)

给定时刻τ基于式(7)可以计算出信号x(τ)信的软信息LLR_x(τ)

例如，令信息头起点时刻为0，则信息头第i个符号采样时刻为iΔt，因此第i个符号的软信息为

对于LDPC码字符号的软信息有相同的计算方法，只是需要将符号与时间建立一一对应的关系即可。将信息头的软信息进行解重复并提取速率信息；LDPC码字的软信息送入译码器进行译码即可。

仿真实验

为了验证本发明提出的短波抗干扰超窄带数据传输体制性能，这里对其进行了仿真。仿真中信噪比定义为

单位为dB。其中，P_s为接收到的信号功率；N为分布在3KHz带宽上服从正态分布的二维噪声功率。这里分别对高斯信道和衰落信道通信的性能进行了仿真。其中，衰落信道参数：2ms/1Hz，参数2ms是指两条路径时间间隔，1Hz是指由于收发台相对运动及多角度反射而引起的多普勒频谱带宽为1Hz。结果如12(a)和图12(b)所示。

从图中可以看到在高斯信道下，窄带抗干扰数据传输体制在非常恶劣的环境仍然能够进行数据传输，在-18.4dB其误码率大约为10^-5。这一点有着切实的应用背景，例如在抢险救灾、指挥控制、战略部署等必需实时传送关键信息的场合。同时从图12(b)中看到在短波衰落信道下该体制仍然具有非常强的可靠性，在-10.0dB其误码率大约为10^-5。

本发明给出了短波抗干扰超窄带数据传输体制，同时提出了时域叠加探测波形思路以及提取方法和时域叠加系统中符号软信息的提取方法；能够有效对抗频谱压制干扰，仅需要很窄的带宽就可进行通信；符号波特率较低，不需均衡模块就能够有效地对抗多径效应，简化了接收机流程；能够在各种干扰情况下可靠地进行信息传输。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种短波抗干扰超窄带数据传输系统，其特征在于，包括：由依次连接的信息预处理模块、调制器、成型滤波器和上变频模块及信道探测模块组成的发送端，由依次连接的下变频模块、同步捕获模块、探测信号提取模块、频偏/信道估计模块、消息头信息提取模块、参数匹配加载模块、码字软信息提取模块和译码器组成的接收端；

所述信息预处理模块用于将待发送信息进行二进制编码形成二进制LDPC码字，并添加相应的消息头和功率控制序列；

所述信息预处理模块包含消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块和扰码器，且所述消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块分别通过切换开关与调制器连接，所述扰码器用于产生随机干扰序列，同时对消息头模块和LDPC编码模块产生的消息头序列和二进制LDPC码字进行循环加扰；其中，切换开关按时间顺序在消息头模块、TLC/AGC模块、同步头模块、LDPC编码模块之间切换，将对应模块与调制器依次联通；

所述消息头模块用于产生携带当前传输波形的速率参数的消息头序列，所述TLC/AGC模块用于产生功率控制序列，所述同步头模块产生同步头序列，标示用户信息起点，所述LDPC编码模块用于对待传输信息进行编码形成二进制LDPC码字；

所述调制器用于将输入的扰码符号映射成对应星座点，完成由符号到星座图上对应点的转换；所述成型滤波器用于将星座点转换为相应的波形，使其适应信道传输，同时限制信号带宽；

所述上变频模块利用高频载波将含有得到IQ信号的频谱线性搬移至所需的载波频率上；

所述下变频模块将接收信号中的高频载波去除，同时把信号的频谱线性搬移至基带得到IQ信号；所述同步捕获模块用于从具有噪声干扰的信号中寻找同步头起点，再根据给定的帧格式找到对应的消息头与二进制LDPC码字起点；所述探测信号提取模块用于将探测波形从时域混叠信号中提取出来；所述信道探测/估计模块用于根据提取出的探测波形对信道的类型和信道的轨迹进行估计；所述频偏估计/跟踪模块用于对接收系统中存在的频偏进行估计、跟踪，并将估计的频率偏移量从信号中去除；所述消息头提取模块用于根据信道估计结果从消息头波形中提取出速率信息；所述参数匹配加载模块用于通知后续模块加载相应的参数；所述码字软信息提取模块用于根据信道估计结果与消息头的速率参数进行码字软信息提取，所述LDPC译码模块用于对提取出的软信息进行译码，并将译码结果输出；

所述信道探测模块用于产生信道探测序列，并将其叠加至成型滤波器产生的信息波形上，形成时域混叠波形，使接收端能够据此进行信道类型识别与信道估计；其中，信息带宽与信道探测序列的带宽不同；

所述频偏/信道估计模块包含频偏估计/跟踪模块和信道探测/估计模块，所述探测信号提取模块提取的探测序列信息分别传输至频偏估计/跟踪模块和信道探测/估计模块，分别进行频偏估计和信道估计，并将估计的频偏和信道结构传输至信息头信息提取模块，同时，信道探测/估计模块将信道估计结果传输至码字软信息提取模块。

2.根据权利要求1所述的短波抗干扰超窄带数据传输系统，其特征在于，所述对消息头模块和LDPC编码模块产生的消息头序列和二进制LDPC码字进行循环加扰，具体为：扰码器产生取值范围为一定长度的K个符号的随机序列，同时对消息头和编码模块输出的序列进行循环加扰；其中，消息头加扰为：消息头的第0个符号与扰码序列第0个符号进行相扰，消息头的第1个符号与扰码序列第1个符号进行相扰，依次类推直至消息头加扰完毕；LDPC码字的加扰顺序与消息头相同，对于LDPC码字中序号大于等于K的符号，对其求余后再与对应的扰码相扰即可；K>120。

3.根据权利要求2所述的短波抗干扰超窄带数据传输系统，其特征在于，所述将探测波形从时域混叠信号中提取出来，具体为：将经下变频和同步头捕获后的基带信号输入低通滤波器，由于探测波形与信息波形的频谱形状不同，提取出探测波形。

4.一种短波抗干扰超窄带数据传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在发射端，待传输信息依次通过二进制LPDC编码、添加消息头、扰码、调制形成信息波形，信道探测序列模块产生探测波形，探测波形与信息波形叠加后形成时域混叠波形，时域混叠波形通过上变频后形成发射信号发出；

步骤2，在接收端，接收信号经过下变频、同步捕获后，得到叠加后的基带信号，采用低通滤波器从叠加后的基带信号中提取探测信号；再根据提取的探测信号进行信道和频偏估计，再进行码字软信息提取和译码，得到目标信息；

所述采用低通滤波器从叠加后的基带信号中提取探测信号，具体步骤为：

首先，设经下变频、同步捕获后的基带信号表达式为：

r(t)＝ξ_x·h(t)x(t)+ξ_d·h(t)d(t)+w(t)

其中，h(t)是时变信道特性，w(t)是二维正态分布噪声；

然后，利用低通滤波器从叠加后的基带信号中提取探测波形：叠加后的基带信号通过低通滤波器后的输出为：

F_LPF(r(t))＝ξ_d·h(t)d(t)+w_LPF(t)；

其中，w_LPF(t)为等效的输出噪声，由于低通滤波器的带宽很窄此项忽略，则低通滤波器的输出简化为：

F_LPF(r(t))＝ξ_d·h(t)d(t)

基于上式，探测波形从时域混叠信号中提取出来；

根据探测信号进行信道估计为：根据低通滤波器的输出，估计信道特性：

其中，F_LPF(r(t))为低通滤波器的输出，探测波形为d(t)，ξ_d为探测波形的功率分配因子；

所述码字软信息提取的具体步骤为：

将信息波形记作x(t)，则有r(t)-F_LPF(r(t))＝ξ_xh(t)x(t)+w(t)，整理得：

其中，信息波形为消息头波形或LDPC码字波形，

令

则有

r'(t)＝x(t)+w'(t)；

则在时刻τ，信号x(τ)的软信息为：

其中，σ²为二维正态分布噪声w(t)的方差；

其中，数据传输的信道为窄带，探测波形与信息波形的带宽不同。

5.根据权利要求4所述的短波抗干扰超窄带数据传输方法，其特征在于，所述时域混叠波形为：

设消息头波形或LDPC码字波形为x(t)，其功率为P_x；探测波形为d(t)，其功率为P_d，则时域混叠波形表达式为：

s(t)＝ξ_x·x(t)+ξ_d·d(t)，

其中，ξ_x、ξ_d分别为对应波形的功率分配因子，

设叠加后的基带信号功率为P_s，则有P_s＝P_x＝P_d。

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