CN113411100B - 一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法 - Google Patents
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Abstract
针对已有跳频系统对抗不同干扰的能力不足或不够全面的问题,提出一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰算法。通过引入时频交叉编码,对多序列跳频系统进行收发联合设计:发送端将信息交叉冗余编码,分别从时域和频域多维传输,干扰方难以跟踪对偶信道;接收端依据不同的特征提取设计窄带匹配解码,采用择多判决获取信息,从而有效获取编码增益和分集增益。仿真结果表明,相比于常规跳频算法,中等干扰下部分频带干扰有约13db的性能增益,跟踪干扰大约有8dB增益,且信号更难被侦察跟踪,能够全面有效提升抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法。
背景技术
随着科学技术发展,通信系统的传输速率不断提升,满足人们日益增长物质生活需求。然而,通信系统抗干扰能力不足却成为其发展的短板,尤其是对于军事通信系统,这一不足会被利用和放大,从而导致系统瘫痪,因此通信系统的可靠性十分值得研究和关注。
常规跳频技术(Frequency Hopping/Binary Frequency-shift-keying,FH/BFSK)通过随机切换载波频率,可以有效地躲避部分频带干扰,但是跳频通常依据固定的跳频图案,易被实施跟踪干扰,导致其性能会急剧下降。差分跳频(Differential Frequencyhopping,DFH)采用信息即信道的思想,将信息调制和跳频编码有效结合在一起,跳频图案依靠传输的信息来控制而更加随机,具有较强的抗跟踪干扰能力。但是增加了接收方难度,接收方无法预判接收频点,普遍采用宽带接收,导致硬件开销大、易受部分频带干扰等问题。
为了解决FH/BFSK受跟踪干扰威胁和DFH受部分频带干扰威胁的问题,减小系统瘫痪的危机,唐志强等提出的多序列跳频基于多序列跳频的抗干扰通信方法。该方法有效隐藏了对偶信道,从而难以被实施跟踪干扰;接收机可窄带接收来有效滤除带外干扰,因而具备抗部分频带干扰能力。然而,上述方法都主要依托于躲避干扰的方式,即尽量降低被干扰概率,误码率性能与信道被干扰状况密切相关,抗干扰的手段和能力有进一步提升空间。
为此,在多序列跳频的基础上,融入时频多维分集传输思想,提出一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法。该方法发送端通过时频编码,将相邻符号信息冗余交错编码,分别用于控制多序列的跳频频率和单个符号周期的传输时隙,实现利用载波表征信息,不易被干扰混淆,能够有效抵抗跟踪干扰;接收端根据接收到信号不同的时频特征,以干扰抵消为原则,构建独立的信号检测处理通道,通过择多判决准则将结果汇总,通过获取分集增益和编码增益,提高系统抗部分频带干扰能力。仿真结果表明,所提算法具有较强的抗部分频带干扰和跟踪干扰的能力,且信号更难于被侦察,促使跳频系统抗干扰能力明显地全面提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有较强的抗部分频带干扰和跟踪干扰的能力,且信号更难于被侦察,跳频系统抗干扰能力全面提升的基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法。
本发明采用如下技术方案:
一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法,其包括如下步骤:
(1)系统初始化,收发双方各自分别产生本地的两组随机调频序列,并完成基本的同步和信道估计;
(2)发送端将n跳频周期的数据信息An经时频编码后生成信道码Cn和时隙码Tn,并分别控制第n个跳频符号进行频率和时隙选择,再进行信号发送;
(3)接收端在每个时隙内进行积分,绝对值运算,分别获得检测量;
(4)分别计算出判决量频率信道判决量Gn、时域时隙判决量Hn以及时频资源块判决量In;
(5)奇偶位置两两交换前后顺序得到调整后的时域时隙判决量Dn;
进一步的,所述发送端独立产生相互正交的两路跳频序列集FS0(n)和FS1(n)(n=1,2,…,N),分别用于构建子信道0和子信道1的对偶信道,每个发送时隙被均匀等分为TS0和TS1两个子时隙。
进一步的,发送端控制跳频符号的频率和时隙选择方法为:
①频率选择:当信道码Cn为0时,使用FS0当前的频率fn,0作为信道调制频率;如果信道码Cn为1时,使用FS1当前的频率fn,1作为发送信道调制频率;
②时隙选择:如果时隙码Tn为0,利用TS0时隙发送单音信号;如果时隙码Tn为1,利用TS1时隙发送单音信号。
进一步的,所述时频编码方法为:假设发送的用户数据序列为An(n=1,2,…,N),其中N为帧数据的长度,设其为偶数;如果N为奇数,则在末尾添加一位奇偶校验比特,即 表示异或运算,则具体时频编码结构码如下:
进一步的,发送端信号发送时,假设发送端信号的符号能量为ES,跳频周期为TS,则第n个跳频周期t时刻发送符号的基带等效表示为:
进一步的,接收端采用多通道匹配并行接收方式,本地产生FS0和FS1两个跳频序列集,分别与接收信号进行同步窄带接收;
设第n个跳频周期接收信号Rn(t)在第j个时隙与本地子信道i产生的频率为fn,i单频信号进行积分,得检测量Yij可以表示为:
进一步的,步骤(6)的判决方法为:当判决量大于0,则判为1;当判决量小于0,则判为0。
本发明的有益效果在于:本发明的算法通过时频编码的收发设计,能够有效的抵消来自不同频率和不同时隙的干扰,时频联合处理来获取编码增益和分集增益,具有较强的抗部分频带干扰和跟踪干扰的能力,且信号更难于被侦察,促使跳频系统抗干扰能力明显地全面提升。
附图说明
图1为时频编码双序列发送端示意图。
图2为时频编码双序列发送端示意图。
图3为部分频带干扰不同算法性能对比图。
图4为宽带噪声干扰不同算法性能对比图。
图5为不同干扰成功率ξ下跟踪干扰对不同算法误码率性能的影响。
图6为基于时频编码的双序列和普通双序列跳频图案。
具体实施方式
下面结合附图及实例进一步详细描述本发明的技术方案,但本发明的保护范围不局限于以下所述。
为了全方位增强系统的抗干扰能力,采用时频二维编码设计:一方面依据数据信息,从两路随机调频序列选取频域信道,来实现信息传递;另一方面,将每一跳时隙等分为两个子时隙,依据同样的数据信息进行选择选取时域信道,并通过时频编码加载到挑选的信道上,增强信息传递的稳健性。为了分析方便且不失一般性,以双序列为例,多序列的具体设计可以类推得到。
1.发送端设计
发送端将信息通过时频编码,将信息分别加载在频率和时间域上,首先介绍发送结构,然后重点给出时频交织编码措施。
(1)发送结构设计
发送端独立产生相互正交的两路跳频序列集FS0(n)和FS1(n)(n=1,2,…,N),分别用于构建子信道0和子信道1的对偶信道,每个发送时隙被均匀等分为TS0和TS1两个子时隙,如图1所示。用户n跳频周期的数据信息An经时频编码后生成信道码Cn和时隙码Tn,分别控制第n个跳频符号的频率和时隙选择:①频率选择:当信道码Cn为0时,使用FS0当前的频率fn,0作为信道调制频率;如果信道码Cn为1时,使用FS1当前的频率fn,1作为发送信道调制频率。②时隙选择:如果时隙码Tn为0,利用TS0时隙发送单音信号;如果时隙码Tn为1,利用TS1时隙发送单音信号。
(2)时频编码设计
为了获取更佳的抗干扰效果和分集增益,采用一种交织策略将发信信息进行时频编码,即将数据信息进行冗余备份,交织加载在时间和频率资源上,具体编码方案如下:
即信道码Cn和时隙码Tn采用交织错位加载信息An,以防止突发干扰导致其信息因时频域同时失效而丢失。
(3)发送信号描述
不妨假设发送端信号的符号能量为ES,跳频周期为TS,则第n个跳频周期t时刻发送符号的基带等效表示:
2.接收端设计
(1)接收信号描述
接收端经射频下变频、滤波处理后,接收信号第n个跳频周期t时刻的基带等效表示为:
Rn(t)=αsejθSn(t)+N(t)+J(t) (3)
其中αs和θ分别为接收信号等效基带的包络和相位,θ服从[-π,π]均匀分布;N(t)表示加性高斯白噪声,其单边功率谱密度为N0;J(t)表示干扰,具体与干扰方式、功率等有关。
(2)接收结构设计
接收机采用多通道匹配并行接收方式,本地产生FS0和FS1两个跳频序列集,分别与接收信号进行同步窄带接收,如图2所示。为了便于描述和分析,图中区分时隙积分来获得相应的检测量,实际中同频的不同时隙接收可通过时延实现通道复用。不妨设第n个跳频周期接收信号Rn(t)在第j个时隙与本地子信道i产生的频率为fn,i单频信号进行积分,得检测量Yij可以表示为:
(3)时频解码设计
为了对抗不同的干扰,接收端对检测量进行组合,来获得不同时频特征的判决量,据此采用择多判决方式来提取所需的数据信息,具体时频解码设计如下
第n个跳频周期,频率信道判决量其表征了信道1与信道0之间一跳周期能量差值,用于对抗跟踪干扰;时域时隙判决量其表征了时隙1与时隙0之间能量差值,用于对抗多音、部分频带等固定频率干扰;时频资源块判决量In=|Y11(n)-Y10(n)|-|Y01(n)-Y00(n)|,其表征了不同时隙不同频率的时频块能量均衡性之间差值,用于来对随机时频干扰。
由于发送端采用了交织编码方式,接收端需要对判决量Hn进行时序调整,即将奇偶位置的Tn两两交换前后顺序,得到D2m=H2m+1D2m+1=H2m。然后对各个判决量Gn、Dn、In进行独立判决得到对应判决值Gn'、当判决量大于0,则判为1;当判决量小于0,则判为0。分别得到。最后采用择多准则,合并判决值得到最终的信息具体如下:
3.流程设计
(1)系统初始化,收发双方各自分别产生本地的两组调频序列,并完成基本的同步、信道估计等;
(2)发送依据式1完成时频编码,并控制信号输出;
(3)接收端在每个时隙内进行积分,绝对值运算,分别获得检测量Yij;
(4)分别计算出判决量Gn、Hn、In;
(5)调整Hn的顺序得到Dn;
4.仿真实验及结果分析
为了验证所提方法的合理性和有效性,通过计算机蒙特卡洛仿真实验模拟双序列通信链路,分析所提算法在不同干扰下的抗干扰性能。系统采用的仿真条件如下:跳频频率集的频点数为64,跳频频点间间隔为1kHz,信息速率为2kbit/s,采样速率160KHz,蒙特卡洛仿真次数100次,每次仿真的数据帧长度为1024bit,随机产生独立且正交的跳频序列集FS0(n)和FS1(n)。为了方便分析干扰对不同跳频方式的影响,不妨假设收发双方的跳频序列已经严格同步,跟踪干扰信号随数据信道频率进行跳变,而部分频带干扰的频点则固定不动。
图3给出了不同干扰比例β下部分频带干扰对三种算法误码率性能影响。MSFH采用了支路差分的结构,误码率性能略优于FH/BFSH,大约有3dB性能的改善。而所提STC-MFSH由于采用了时频编码和收发联合设计,提高系统的干干扰能力,误码率性能有明显提升,尤其在干扰β=1/4中等信干比时,比MSFH和FH/BFSH算法分别有10dB和13dB的性能提升,性能优化较为明显。
图4给出了宽带噪声干扰下三种调频方式的误码率性能随着信干比变化曲线。该情况下噪声干扰覆盖了跳频占用所有的频点,相当于部分频带干扰β=1的情况,此时由于无法直接躲避干扰,MSFH性能退化较为严重,基本与FH/BFSH一致,而所提算法通过收发设计能够有效抵消干扰的影响,误码率性能仍然较好,且随着信干比增加,性能提升更加明显。
图5给出了在不同干扰成功率ξ下,跟踪干扰对不同算法误码率性能的影响。所提STC-MFSH性能要明显优于MSFH和FH/BFSH,且随着信干比的提升误码率曲线变化更快,说明了所提算法可以有效对抗不同类型干扰,均能获得分集增益和编码增益。然而从整体上看,跟踪干扰采用针对性的窄带干扰,对信号的影响要比部分干扰更有效;但是跟踪干扰对跳频系统,尤其是所提STC-MFSH实施难度较大,一般成功率很低。
为了分析不同算法实施跟踪干扰的难度,图6给出STC-MFSH、MSFH和FH/BFSH的跳频图案。从图中可以看出,FH/BFSH的跳频图案频点分布存在规律性,变化趋势和周期性相对明显,易被发现而导致其信号被针对性实施跟踪干扰;MSFH随机使用信道0或信道1的频点,具体由发送信息控制,跳频频点完全随机,对偶信道可以被很好的隐藏,因此跳频图案无规律,干扰方因无法预测跳频图案而难以实施针对性干扰;时频编码双序列在其基础上,增加了时间域的变化性和信号突发性,利用在不同时隙间切换通信,既承载“校验信息”又减小了干扰椭圆范围,有效的提高了系统整体抗跟踪干扰的能力。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然,根据本说明书的内容,可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例,是为了更好地解释本发明的原理和实际应用,从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (8)
1.一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法,其特征在于,其包括如下步骤:
(1)系统初始化,收发双方各自分别产生本地的两组随机调频序列,并完成基本的同步和信道估计;
(2)发送端将n跳频周期的数据信息An经时频编码后生成信道码Cn和时隙码Tn,并分别控制第n个跳频符号进行频率和时隙选择,再进行信号发送;
(3)接收端在每个时隙内进行积分,绝对值运算,分别获得检测量;
(4)分别计算出判决量频率信道判决量Gn、时域时隙判决量Hn以及时频资源块判决量In;
(5)奇偶位置两两交换前后顺序得到调整后的时域时隙判决量Dn;
2.根据权利要求1所述的一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法,其特征在于,所述发送端独立产生相互正交的两路跳频序列集FS0(n)和FS1(n)(n=1,2,…,N),分别用于构建子信道0和子信道1的对偶信道,每个发送时隙被均匀等分为TS0和TS1两个子时隙。
3.根据权利要求2所述的一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法,其特征在于,发送端控制跳频符号的频率和时隙选择方法为:
①频率选择:当信道码Cn为0时,使用FS0当前的频率fn,0作为信道调制频率;如果信道码Cn为1时,使用FS1当前的频率fn,1作为发送信道调制频率;
②时隙选择:如果时隙码Tn为0,利用TS0时隙发送单音信号;如果时隙码Tn为1,利用TS1时隙发送单音信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于时频编码的多序列跳频收发联合抗干扰方法,其特征在于,步骤(6)的判决方法为:当判决量大于0,则判为1;当判决量小于0,则判为0。
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