文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2011)01-0087-04
短波通信被廣泛應用于軍事通信領域。但受系統(tǒng)帶寬的限制及信道條件的影響，短波通信的傳輸速率較低。美國Sanders公司推出一種相關跳頻電臺[1-2]能實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，它以差分跳頻為技術核心，有機地將信息調(diào)制與跳頻控制結(jié)合在一起，跳頻速率可達到5 000跳/s，增強了系統(tǒng)抗多徑及抗干擾能力。在差分跳頻系統(tǒng)中，當前一跳的頻率值Fn由上一跳的頻率值Fn-1以及要發(fā)送的數(shù)據(jù)Xn來決定，其關系式可以表示為：
Fn=G(Fn-1,Xn)
其中G為頻率轉(zhuǎn)移函數(shù)，它根據(jù)所要發(fā)送信息數(shù)據(jù)的不同，在相鄰兩跳頻點間建立一定的關聯(lián)。G函數(shù)的設計直接影響差分跳頻系統(tǒng)性能。
在系統(tǒng)接收端，差分跳頻系統(tǒng)的信號檢測技術是差分跳頻系統(tǒng)的一項關鍵技術，使用的信號檢測方法不同，其系統(tǒng)性能也不同[3-4]。如果不考慮前后頻點間的相關性，逐符號進行非相干檢測及判決，則稱這種方法為逐符號檢測；如果考慮前后頻點間的相關性，利用頻點間的對應關系，可對一些錯誤檢測的頻率進行糾正，針對一定長度的頻率序列采用一定的準則來進行信號的檢測與判決，這種方法稱為頻率序列檢測，采用頻率序列檢測可以提高差分跳頻系統(tǒng)性能。維特比算法可以在接收端對頻率序列進行檢測。傳統(tǒng)的序列檢測算法多采用線性合并，本文提出差分跳頻系統(tǒng)噪聲歸一化合并接收，將每個頻點處的非相干檢測值用該頻點處的噪聲功率進行歸一化處理后，再進行維特比譯碼，可提高差分跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能。
1 系統(tǒng)模型
假設差分跳頻頻率集中的跳頻點數(shù)為N，每跳所傳送的比特數(shù)為BPH,發(fā)送的信號經(jīng)過非頻率選擇性慢衰落Rayleigh信道，每跳信號所經(jīng)歷的衰落相互獨立，并受到部分頻帶噪聲的干擾。部分頻帶噪聲可建模為零均值的高斯隨機過程，其總功率在跳頻帶寬的一部分ρ,0<ρ<1上均勻分布，其他部分為零。在功率譜密度不為零的范圍內(nèi)，其值為NJ/ρ，NJ為部分頻帶噪聲干擾的等效單邊功率譜密度。背景噪聲設為零均值、單邊功率譜密度為N0的高斯白噪聲。因此，當信號受到干擾時，總的噪聲功率譜密度為N0+NJ/ρ；當信號未受到干擾時，噪聲功率譜密度為N0?！ ?br/>
差分跳頻系統(tǒng)噪聲歸一化接收機模型如圖1所示。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)經(jīng)G函數(shù)進行編碼，輸出的頻率控制字直接控制DDS,從頻率集中選擇合適的頻率進行發(fā)送。發(fā)送信號經(jīng)過非頻率選擇性Rayleigh衰落信道，同時受到部分頻帶干擾以及加性高斯白噪聲的影響，假設收發(fā)雙方經(jīng)過嚴格的同步，則接收信號可以表示為：
2 性能分析
采用維特比算法進行數(shù)據(jù)解調(diào)時，由于涉及各個頻率轉(zhuǎn)移路徑間的互相關性，推導準確的符號錯誤概率非常復雜，因此可參照卷積編碼差錯概率聯(lián)合邊界的方法，給出差分跳頻系統(tǒng)誤碼率的上邊界。差分跳頻G函數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為計算首次差錯事件概率提供了必要的信息，假設差分跳頻系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)為：
將式(24)、(26)代入式(3)中，即可得到差分跳頻系統(tǒng)噪聲歸一化接收機誤碼界。
3 仿真結(jié)果及分析
為了驗證理論誤碼界推導的正確性，在Rayleigh信道條件下，將理論誤碼界與仿真結(jié)果相比較，由于當跳頻系統(tǒng)中的跳率點數(shù)過多時，推導G函數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程較為復雜，因此，為簡單起見，設跳頻系統(tǒng)的頻點個數(shù)為8，每跳傳送的比特數(shù)為1，信噪比SNR=20 dB。圖2給出了不同干擾比例情況下的理論誤碼界與仿真結(jié)果，由圖中可以看出，當信干比較低時，仿真結(jié)果在理論誤碼界之下，當信干比增大時，仿真結(jié)果與理論誤碼界完全重合，驗證了理論推導的正確。由圖中還可以看出，不同干擾比例的誤碼率曲線在信干比較大時重合，這是因為當信干比較大時，干擾功率較小，受干擾影響較小,此時系統(tǒng)性能主要由信噪比所決定。
圖3給出了傳統(tǒng)線性序列合并接收機與噪聲歸一化接收機在不同干擾比例條件下的性能對比。仿真條件為：跳頻點數(shù)N=16，每跳傳送的比特數(shù)BPH=2，信噪比SNR=20 dB。由圖中可以看出，噪聲歸一化接收機的性能明顯好于性線接收機的性能。由圖3還可以看出，當信干比較大時，誤碼率曲線趨于水平，且不同干擾比例條件下的兩種接收機誤碼率曲線重合，這是因為當信干比增大時，干擾功率越來越小，系統(tǒng)性能趨近于在沒有干擾條件下的差分跳頻系統(tǒng)性能。由圖3還可以看出，線性序列合并接收機在干擾比例?籽=0.5時的系統(tǒng)性能要好于?籽=0.1時的系統(tǒng)性能，而噪聲歸一化接收機則正好相反。這是因為，差分跳頻系統(tǒng)可看作是一種編碼調(diào)制系統(tǒng)，其接收端對誤跳有一定的糾錯能力，這種糾錯能力在系統(tǒng)誤碼率小于一定數(shù)值時表現(xiàn)良好，但系統(tǒng)誤碼率大于一定數(shù)值時，其性能會惡化。在線性序列合并接收機中，當干擾比例減小時，干擾較集中，干擾的功率譜密度增大，干擾比例較小時的系統(tǒng)性能要差于干擾比例較大時的系統(tǒng)性能。在噪聲歸一化接收機中，當干擾功率較大時，由于每跳的非相干檢測值采用噪聲功率進行歸一化處理，所以受到干擾的那跳在整個合并結(jié)果中所占的比例會隨著噪聲功率的增大而減小，從而減少了干擾對系統(tǒng)性能的影響，其性能會隨著干擾比例的減小而變好。
差分跳頻是一種新型的跳頻體制，它有機地將信號調(diào)制與跳頻控制相結(jié)合，為短波通信提供了一種高速數(shù)據(jù)傳輸方法。提出了差分跳頻噪聲歸一化接收機，能有效減少干擾及衰落對系統(tǒng)性能帶來的損傷；采用復變函數(shù)相關論理，給出了噪聲歸一化接收機在部分頻帶干擾Rayleigh衰落信道下的誤碼界。仿真結(jié)果表明理論分析的正確性，同時也可以看出，噪聲歸一化接收機能顯著提高差分跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能。
參考文獻
[1] HERRICK D L, LEE P K. CHESS a new reliable high speed HF radio. MILCOM’96, 1996,3:684-690.
[2] HERRICK D L, LEE P K, LEDLOW L L. Correlated frequency hopping-an improved approach to HF spread
spectrum. Tactical communication conference,1996:319-324.
[3] 陳智，李少謙，董彬紅. 差分跳頻通信系統(tǒng)抗部分頻帶噪聲干擾的性能分析[J]. 電子與信息學報, 2007,29(6):1324-1327.
[4] 潘武, 周世東, 姚彥. 差分跳頻通信系統(tǒng)性能分析[J]. 電子學報, 1999,27(11):102-104.
[5] ZHU Li Ping, YAO Yan, ZHU Yi Sheng. Antijam perfor mance of FFH/BFSK with Noise-Normalization Combining in a Nakagami-m Fading Channel with Partial-Band Interference. IEEE Commun. Lett,2006(10):429-431.
[6] PROAKIS J G,Digital Communications.New York, McGraw-Hill, 2001.