基于信息驱动的跳频通信系统新方案

摘要：跳频通信系统抗干扰能力强，易于组网，可在多种模式下工作，兼容性好，广泛应用于抗干扰通信系统，但是传统跳频通信系统的频谱利用率低。信息驱动跳频通信方案利用信息数据取代传统跳频系统中的跳频序列，大大提高了频谱利用率，但抗定频干扰能力较差。在此基于信息驱动跳频思想，结合纠错编码技术，提出了一种基于信息驱动的跳频通信新方案。理论分析和仿真结果表明，新方案的抗定频干扰能力明显提高。
关键词：跳频；信息驱动跳频；抗定频干扰；频谱利用率

0 引言
    跳频技术以其优越的性能在抗干扰通信中得到广泛应用，它能在恶劣的环境下进行安全可靠的通信。在传统的跳频通信系统中，通信双方预先约定一个伪随机序列和可用频率集，发送端的载频按照某种伪随机序列跳变，接收端的本振频率在同样的伪随机序列控制下与发送端同步跳变，从而实现抗干扰通信。
    传统的跳频通信系统频谱利用率低。为了提高频谱利用率，可在传统跳频通信系统中引入多维调制技术，也可将跳频技术与高效编码调制技术结合。文献提出了一种跳频通信新方案，它基于信息驱动跳频(Message-Driven Frequency Hopping，MDFH)思想，实现跳频通信。M-DFH系统的频谱利用率比现有跳频通信系统有了很大提高，但抗定频干扰的能力较差。
    本文基于信息驱动跳频思想，提出了一种基于信息驱动的跳频通信新方案，与文献相比，新方案的抗定频干扰能力明显提高。

1 信息驱动跳频
    与传统的跳频通信系统不同，在MDFH系统中，发送端载频的跳变不是按照预先约定的PN码序列，而是取决于传送的基带信息，即用部分基带信息决定载波频率的跳变。
    假设{f1，f2，…，fNc)为可用频率集，其中Nc(Nc为2的整次幂)为可用频率数，令：
   
    所以每Bcb二进制信息可以从Nc个可用频率中选定一个。
    假定码元符号集共有M个码元符号，则每个符号可用Bs=log2 M比特表示。通过Ts和Tb分别表示码元周期和每一跳持续时间，可以求出每一个码元持续时间内载波频率的跳变次数为Nh=Ts／Th。
    将发送的数据按照数据格式：
   
    分段划分，每段数据包括两部分。NhBc为载频信息，Bs为调制信息。在发送端先将Bsb信息进行基带调制，然后将调制后的基带信号变频到由载频信息选定的Nh个频率上，实现跳频。
    在接收端，与传统FH系统不同，不再采用与发送端结构相同的频率合成器对接收信号进行变频处理，而是采用类似FSK系统的方法，用Nc个中心频率分别为fi(i=1，2，…，Nc)的滤波器捕获信息。在每一跳时间Th内，选择信号强度最强的一路，恢复出相应的Bcb二进制信息。这样在一个码元持续时间内，可恢复出NhBcb载频信息，再通过基带解调恢复出Bsb调制信息，然后将恢复出来的载频信息与调制信息合并，完成信息检测。
    假设在某一时刻Bcb二进制信息选定某一载波频率，而此时干扰频率也对准该载频，当干扰信号的相位与有效信号的相位相反时，就可能出现信号相抵现象，使得接收端可能检测不到该有效信号，从而无法恢复出对应的Bcb载频信息。这是由于接收端采用滤波器检测信号，根据信号强弱来判断发送信号频率，所以其抗定频干扰能力有限，尤其是当发送信息在某一段时间内连续选定某一个频率时，这种载频信息无法恢复的现象会更加严重，进而会产生很大的误码率，导致系统无法正常工作。
    基于MDFH系统抗定频干扰能力有限这一缺陷，本文提出了一种改进型结构，新系统具有较好的抗定频干扰性能。

2 改进系统原理
    本文是基于FFH系统，即Nh≥1，讨论系统抗定频干扰能力。
2．1 发送端设计
    设{f1，f2，…，fN}为可用频率集，其中N为可用频率总数。从可用频率集中选取Nc种可用频率组合(每种组合中，同一频率可出现多次)，每种组合包含Nh个可用频率。集合{f1,Nh，f2,Nh，…，fNc,Nh}表示选取的所有组合，该频率跳变集合也可看成Nc种频率跳变图案。其中fi,Nh，i∈(1，2，…，Nc)包含Nh个频率。根据式(1)，Bcb二进制信息与Nc种频率跳变组合一一对应(在MDFH中，每Bcb二进制信息对应于Nc个频率之一)，即从发送信息中每选取Bcb，便可确定一种频率跳变规律。
    为了提高系统抗干扰性能，在选取Nc种频率组合时引入纠错编码思想，使得在任意两个频率组合中不同频率的个数不小于某一整数d，称为各频率组合之间的距离。
    将待发送的二进制数据信息流分块处理，每块数据流格式为：
   
    式中：Bc确定载频跳变规律；Bs为调制信息。
    假设第i块数据为Di，用Bc,i表示Di中用来决定载频跳变规律的Bcb信息，相应的频率跳变组合为fi,Nh，以Bs,i表示Di中用来进行基带调制的数据信息，经过基带调制以后的信号用ai(t)表示。
    系统发送端原理框图如图1所示。频率合成器根据Bcb的载频信息，输出相应的一组频率跳变规律中的Nh个频率。

    由于在跳频通信系统中，合成跳频图样所用频率时很难保持相位相干。同时，当信号在信道中传播时，信号在一个很宽的带宽上从一个频率跳到另一个频率，要保持相位相干也很困难。因此，信息调制方式通常采用非相干检测MFSK。
    在本文的讨论中，基带调制采用MFSK调制方式。由log2M个信息比特决定发送M个符号中的一个。设频率集为MFSK调制的M个频率，并令集合与集合{0，1，2，…，M-1}一一对应。由前述可知，Bs=log2 M。如图1所示，以第i块数据Di为例，可得：
   
    式中：g(t)为矩形脉冲，脉宽为Ts；Ai为第i个信号码元的幅度；θi为第i个信号码元的初始相位。*****为对应s,i进行MFSK调制的角频率，即：
   
    在图1中，跳频调制相当于混频器，将基带调制单频信号ai(t)变频到由Bc,i决定的频率组合fi,Nh中的Nh个频率点上，进而实现跳频。混频为和频过程。

   
    g'(t)为矩形脉冲，脉宽为Th。
2．2 接收端设计
    在发送端，基带调制信息被变频到由频率集{f1，f2，…，fN}指定的频率点上进行传输。因此，在接收端，只要用N个中心频率为fi(i=1，2，…，N)，带宽为基带信号两倍的带通滤波器(BPF)就可检测信号。接收端信号解调原理框图如图2所示。

    接收信号可表示如下：
   
    式中：J(t)为定频干扰信号；n(t)为加性高斯白噪声。
    由发送端原理可知，任何时刻只有一个频率信道处于有效状态。所以接收端用滤波器检测信号，通过比较，选取信号强度最大的一个，就可以确定出每一跳时间内的有效载频。通过累积判决和判决校正可以得到相应的Bcb载频信息，通过解跳和基带解调可以得到Bsb调制信息。
2．3 性能分析
    由于原始信息被分为载频信息和调制信息两部分，而且以不同的形式进行传送与接收，因此分别分析载频信息和调制信息的误比特性能。
2．3．1 载频信息误比特率
    在改进系统中，载频信息的误比特率类似于非相干MFSK系统。非相干MFSK系统的符号错误概率如下：
   
    式中：和Eb/No分别对应载频信息信噪比、调制信息信噪比。其中，平均信噪比为：
   
    式中：为码元平均功率。
    由发送端原理可知，载频信息只作用于频率选择过程，并不消耗额外的发送功率，且每Bcb载频信息可以确定Nn个载波频率，所以每一载波频率携带．Bc／Nhb载频信息，由此可得：

    在改进系统中，只有检测出错的频率数超过频率组合之间的距离d时，Bcb载频信息才会丢失，所以载频检测错误概率为：
   
2．3．2 调制信息误比特率
    在改进系统中，调制信息检测方式与MDFH系统相同，故其误比特率为：
   
    式中：是当Nh个载波频率中有i个频率检测出错时，调制信息的比特错误概率。
    当载波频率检测正确时，调制信息的比特错误概率决定于基带调制方式，即；当载波频率检测错误时，其比特错误概率为Pe2=1／2。Pe,i可表示如下：
   
    式中：[x]为大于等于x的最小整数，且。
2．3．3 系统误比特率及性能分析
    系统总的误比特率为载频信息误比特率与调制信息误比特率的线性组合：
   
     综上所述，与MDFH系统相比，改进系统的主要区别在于决定频率跳变的方式不同。
    在MDFH系统中，发送端按每Bcb二进制信息对应Nc个载频中的一个进行频率跳变。在接收端，只要任何一跳时间里载频检测出错，Bcb载频信息就会丢失。所以，当存在定频干扰时，MDFH系统的性能会明显降低。而在改进系统中，发送端按每Bcb二进制信息对应Nc种频率跳变组合中的一种进行频率跳变。由于在Nc种频率跳变组合的构造中引入纠错编码的思想，使得在接收端，只要检测出错的频率数小于各频率组合之间的距离d，通过判决校正仍可恢复出Bcb载频信息。
    如果存在多个干扰频率，使得接收端检测出错的频率数不小于d时，Bcb载频信息同样会丢失。此时，可以通过改变Nc种频率跳变组合来使d值增加，进而提高性能。然而，d的增加会使系统的复杂度提高。

3 系统仿真
    根据式(20)，当Bc=4，M=4，Nh=3，d=1和d=2时，改进系统的误比特性能曲线如图3所示。其中：Bc=4，M=4，Nh=3，d=1和d=2。作为对比，图中还给出了相同参数下，MDFH系统的误比特率曲线。

    在改进系统中，由于引入了纠错编码机制，如式(17)，式(18)，使得载频信息比特错误概率小于MDFH系统。如图3所示，改进系统的抗定频干扰性能好于MDFH系统，且随着d值的增大而增加。
    本文采用蒙特卡洛仿真方法对MDFH和改进系统的抗定频干扰性能进行了仿真分析。
    在仿真过程中，加性高斯白噪声功率定为N0=0．5，定频干扰也以高斯形式加到信号中，其功率为J0=1．0。设S为信号功率，信噪比定义为S／(N0+J0)，用SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)表示。取可用频率总数Nc为16，基带调制采用2FSK。另外在改进系统中取N=Nc，各频率组合之间的距离为2，即Bc=4，Bs=1，d=2。
    当Nh=3时，分别存在一个干扰和两个干扰的仿真结果如图4所示。

    由图可知，在改进系统中，由于各频率组合之间的距离d=2，固在两个频率受干扰时其性能相比一个频率受干扰时差。而在MDFH系统中，只要载频信息不连续选定某一个受干扰频率，两个频率受干扰时的性能略差于一个频率受干扰的情况。
    为了进一步分析改进系统的抗干扰性能，本文还对Nh=5时，一个频率受干扰的情况进行了仿真测试，结果如图5所示。从图中可看出，当SINR>5 dB时，改进系统的抗干扰性能明显好于MDFH系统。

4 结语
    本文基于信息驱动跳频(MDFH)思想，结合纠错编码技术，提出一种基于信息驱动的跳频通信系统的新方案。理论分析和仿真结果表明，新方案的抗定频干扰能力明显提高。