摘要：跳頻通信系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，易于組網(wǎng)，可在多種模式下工作，兼容性好，廣泛應(yīng)用于抗干擾通信系統(tǒng)，但是傳統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)的頻譜利用率低。信息驅(qū)動(dòng)跳頻通信方案利用信息數(shù)據(jù)取代傳統(tǒng)跳頻系統(tǒng)中的跳頻序列，大大提高了頻譜利用率，但抗定頻干擾能力較差。在此基于信息驅(qū)動(dòng)跳頻思想，結(jié)合糾錯(cuò)編碼技術(shù)，提出了一種基于信息驅(qū)動(dòng)的跳頻通信新方案。理論分析和仿真結(jié)果表明，新方案的抗定頻干擾能力明顯提高。
關(guān)鍵詞：跳頻；信息驅(qū)動(dòng)跳頻；抗定頻干擾；頻譜利用率

0 引言
    跳頻技術(shù)以其優(yōu)越的性能在抗干擾通信中得到廣泛應(yīng)用，它能在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行安全可靠的通信。在傳統(tǒng)的跳頻通信系統(tǒng)中，通信雙方預(yù)先約定一個(gè)偽隨機(jī)序列和可用頻率集，發(fā)送端的載頻按照某種偽隨機(jī)序列跳變，接收端的本振頻率在同樣的偽隨機(jī)序列控制下與發(fā)送端同步跳變，從而實(shí)現(xiàn)抗干擾通信。
    傳統(tǒng)的跳頻通信系統(tǒng)頻譜利用率低。為了提高頻譜利用率，可在傳統(tǒng)跳頻通信系統(tǒng)中引入多維調(diào)制技術(shù)，也可將跳頻技術(shù)與高效編碼調(diào)制技術(shù)結(jié)合。文獻(xiàn)提出了一種跳頻通信新方案，它基于信息驅(qū)動(dòng)跳頻(Message-Driven Frequency Hopping，MDFH)思想，實(shí)現(xiàn)跳頻通信。M-DFH系統(tǒng)的頻譜利用率比現(xiàn)有跳頻通信系統(tǒng)有了很大提高，但抗定頻干擾的能力較差。
    本文基于信息驅(qū)動(dòng)跳頻思想，提出了一種基于信息驅(qū)動(dòng)的跳頻通信新方案，與文獻(xiàn)相比，新方案的抗定頻干擾能力明顯提高。

1 信息驅(qū)動(dòng)跳頻
    與傳統(tǒng)的跳頻通信系統(tǒng)不同，在MDFH系統(tǒng)中，發(fā)送端載頻的跳變不是按照預(yù)先約定的PN碼序列，而是取決于傳送的基帶信息，即用部分基帶信息決定載波頻率的跳變。
    假設(shè){f1，f2，…，fNc)為可用頻率集，其中Nc(Nc為2的整次冪)為可用頻率數(shù)，令：
   
    所以每Bcb二進(jìn)制信息可以從Nc個(gè)可用頻率中選定一個(gè)。
    假定碼元符號(hào)集共有M個(gè)碼元符號(hào)，則每個(gè)符號(hào)可用Bs=log2 M比特表示。通過(guò)Ts和Tb分別表示碼元周期和每一跳持續(xù)時(shí)間，可以求出每一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)載波頻率的跳變次數(shù)為Nh=Ts／Th。
    將發(fā)送的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)格式：
   
    分段劃分，每段數(shù)據(jù)包括兩部分。NhBc為載頻信息，Bs為調(diào)制信息。在發(fā)送端先將Bsb信息進(jìn)行基帶調(diào)制，然后將調(diào)制后的基帶信號(hào)變頻到由載頻信息選定的Nh個(gè)頻率上，實(shí)現(xiàn)跳頻。
    在接收端，與傳統(tǒng)FH系統(tǒng)不同，不再采用與發(fā)送端結(jié)構(gòu)相同的頻率合成器對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行變頻處理，而是采用類(lèi)似FSK系統(tǒng)的方法，用Nc個(gè)中心頻率分別為fi(i=1，2，…，Nc)的濾波器捕獲信息。在每一跳時(shí)間Th內(nèi)，選擇信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的一路，恢復(fù)出相應(yīng)的Bcb二進(jìn)制信息。這樣在一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間內(nèi)，可恢復(fù)出NhBcb載頻信息，再通過(guò)基帶解調(diào)恢復(fù)出Bsb調(diào)制信息，然后將恢復(fù)出來(lái)的載頻信息與調(diào)制信息合并，完成信息檢測(cè)。
    假設(shè)在某一時(shí)刻Bcb二進(jìn)制信息選定某一載波頻率，而此時(shí)干擾頻率也對(duì)準(zhǔn)該載頻，當(dāng)干擾信號(hào)的相位與有效信號(hào)的相位相反時(shí)，就可能出現(xiàn)信號(hào)相抵現(xiàn)象，使得接收端可能檢測(cè)不到該有效信號(hào)，從而無(wú)法恢復(fù)出對(duì)應(yīng)的Bcb載頻信息。這是由于接收端采用濾波器檢測(cè)信號(hào)，根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱來(lái)判斷發(fā)送信號(hào)頻率，所以其抗定頻干擾能力有限，尤其是當(dāng)發(fā)送信息在某一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)選定某一個(gè)頻率時(shí)，這種載頻信息無(wú)法恢復(fù)的現(xiàn)象會(huì)更加嚴(yán)重，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生很大的誤碼率，導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法正常工作。
    基于MDFH系統(tǒng)抗定頻干擾能力有限這一缺陷，本文提出了一種改進(jìn)型結(jié)構(gòu)，新系統(tǒng)具有較好的抗定頻干擾性能。

2 改進(jìn)系統(tǒng)原理
    本文是基于FFH系統(tǒng)，即Nh≥1，討論系統(tǒng)抗定頻干擾能力。
2．1 發(fā)送端設(shè)計(jì)
    設(shè){f1，f2，…，fN}為可用頻率集，其中N為可用頻率總數(shù)。從可用頻率集中選取Nc種可用頻率組合(每種組合中，同一頻率可出現(xiàn)多次)，每種組合包含Nh個(gè)可用頻率。集合{f1,Nh，f2,Nh，…，fNc,Nh}表示選取的所有組合，該頻率跳變集合也可看成Nc種頻率跳變圖案。其中fi,Nh，i∈(1，2，…，Nc)包含Nh個(gè)頻率。根據(jù)式(1)，Bcb二進(jìn)制信息與Nc種頻率跳變組合一一對(duì)應(yīng)(在MDFH中，每Bcb二進(jìn)制信息對(duì)應(yīng)于Nc個(gè)頻率之一)，即從發(fā)送信息中每選取Bcb，便可確定一種頻率跳變規(guī)律。
    為了提高系統(tǒng)抗干擾性能，在選取Nc種頻率組合時(shí)引入糾錯(cuò)編碼思想，使得在任意兩個(gè)頻率組合中不同頻率的個(gè)數(shù)不小于某一整數(shù)d，稱(chēng)為各頻率組合之間的距離。
    將待發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)信息流分塊處理，每塊數(shù)據(jù)流格式為：
   
    式中：Bc確定載頻跳變規(guī)律；Bs為調(diào)制信息。
    假設(shè)第i塊數(shù)據(jù)為Di，用Bc,i表示Di中用來(lái)決定載頻跳變規(guī)律的Bcb信息，相應(yīng)的頻率跳變組合為fi,Nh，以Bs,i表示Di中用來(lái)進(jìn)行基帶調(diào)制的數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)基帶調(diào)制以后的信號(hào)用ai(t)表示。
    系統(tǒng)發(fā)送端原理框圖如圖1所示。頻率合成器根據(jù)Bcb的載頻信息，輸出相應(yīng)的一組頻率跳變規(guī)律中的Nh個(gè)頻率。

    由于在跳頻通信系統(tǒng)中，合成跳頻圖樣所用頻率時(shí)很難保持相位相干。同時(shí)，當(dāng)信號(hào)在信道中傳播時(shí)，信號(hào)在一個(gè)很寬的帶寬上從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率，要保持相位相干也很困難。因此，信息調(diào)制方式通常采用非相干檢測(cè)MFSK。
    在本文的討論中，基帶調(diào)制采用MFSK調(diào)制方式。由log2M個(gè)信息比特決定發(fā)送M個(gè)符號(hào)中的一個(gè)。設(shè)頻率集為MFSK調(diào)制的M個(gè)頻率，并令集合與集合{0，1，2，…，M-1}一一對(duì)應(yīng)。由前述可知，Bs=log2 M。如圖1所示，以第i塊數(shù)據(jù)Di為例，可得：
   
    式中：g(t)為矩形脈沖，脈寬為T(mén)s；Ai為第i個(gè)信號(hào)碼元的幅度；θi為第i個(gè)信號(hào)碼元的初始相位。*****為對(duì)應(yīng)s,i進(jìn)行MFSK調(diào)制的角頻率，即：
   
    在圖1中，跳頻調(diào)制相當(dāng)于混頻器，將基帶調(diào)制單頻信號(hào)ai(t)變頻到由Bc,i決定的頻率組合fi,Nh中的Nh個(gè)頻率點(diǎn)上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)跳頻?；祛l為和頻過(guò)程。

   
    g'(t)為矩形脈沖，脈寬為T(mén)h。
2．2 接收端設(shè)計(jì)
    在發(fā)送端，基帶調(diào)制信息被變頻到由頻率集{f1，f2，…，fN}指定的頻率點(diǎn)上進(jìn)行傳輸。因此，在接收端，只要用N個(gè)中心頻率為fi(i=1，2，…，N)，帶寬為基帶信號(hào)兩倍的帶通濾波器(BPF)就可檢測(cè)信號(hào)。接收端信號(hào)解調(diào)原理框圖如圖2所示。

    接收信號(hào)可表示如下：
   
    式中：J(t)為定頻干擾信號(hào)；n(t)為加性高斯白噪聲。
    由發(fā)送端原理可知，任何時(shí)刻只有一個(gè)頻率信道處于有效狀態(tài)。所以接收端用濾波器檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)比較，選取信號(hào)強(qiáng)度最大的一個(gè)，就可以確定出每一跳時(shí)間內(nèi)的有效載頻。通過(guò)累積判決和判決校正可以得到相應(yīng)的Bcb載頻信息，通過(guò)解跳和基帶解調(diào)可以得到Bsb調(diào)制信息。
2．3 性能分析
    由于原始信息被分為載頻信息和調(diào)制信息兩部分，而且以不同的形式進(jìn)行傳送與接收，因此分別分析載頻信息和調(diào)制信息的誤比特性能。
2．3．1 載頻信息誤比特率
    在改進(jìn)系統(tǒng)中，載頻信息的誤比特率類(lèi)似于非相干MFSK系統(tǒng)。非相干MFSK系統(tǒng)的符號(hào)錯(cuò)誤概率如下：
   
    式中：和Eb/No分別對(duì)應(yīng)載頻信息信噪比、調(diào)制信息信噪比。其中，平均信噪比為：
   
    式中：為碼元平均功率。
    由發(fā)送端原理可知，載頻信息只作用于頻率選擇過(guò)程，并不消耗額外的發(fā)送功率，且每Bcb載頻信息可以確定Nn個(gè)載波頻率，所以每一載波頻率攜帶．Bc／Nhb載頻信息，由此可得：

    在改進(jìn)系統(tǒng)中，只有檢測(cè)出錯(cuò)的頻率數(shù)超過(guò)頻率組合之間的距離d時(shí)，Bcb載頻信息才會(huì)丟失，所以載頻檢測(cè)錯(cuò)誤概率為：
   
2．3．2 調(diào)制信息誤比特率
    在改進(jìn)系統(tǒng)中，調(diào)制信息檢測(cè)方式與MDFH系統(tǒng)相同，故其誤比特率為：
   
    式中：是當(dāng)Nh個(gè)載波頻率中有i個(gè)頻率檢測(cè)出錯(cuò)時(shí)，調(diào)制信息的比特錯(cuò)誤概率。
    當(dāng)載波頻率檢測(cè)正確時(shí)，調(diào)制信息的比特錯(cuò)誤概率決定于基帶調(diào)制方式，即；當(dāng)載波頻率檢測(cè)錯(cuò)誤時(shí)，其比特錯(cuò)誤概率為Pe2=1／2。Pe,i可表示如下：
   
    式中：[x]為大于等于x的最小整數(shù)，且。
2．3．3 系統(tǒng)誤比特率及性能分析
    系統(tǒng)總的誤比特率為載頻信息誤比特率與調(diào)制信息誤比特率的線性組合：
   
     綜上所述，與MDFH系統(tǒng)相比，改進(jìn)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于決定頻率跳變的方式不同。
    在MDFH系統(tǒng)中，發(fā)送端按每Bcb二進(jìn)制信息對(duì)應(yīng)Nc個(gè)載頻中的一個(gè)進(jìn)行頻率跳變。在接收端，只要任何一跳時(shí)間里載頻檢測(cè)出錯(cuò)，Bcb載頻信息就會(huì)丟失。所以，當(dāng)存在定頻干擾時(shí)，MDFH系統(tǒng)的性能會(huì)明顯降低。而在改進(jìn)系統(tǒng)中，發(fā)送端按每Bcb二進(jìn)制信息對(duì)應(yīng)Nc種頻率跳變組合中的一種進(jìn)行頻率跳變。由于在Nc種頻率跳變組合的構(gòu)造中引入糾錯(cuò)編碼的思想，使得在接收端，只要檢測(cè)出錯(cuò)的頻率數(shù)小于各頻率組合之間的距離d，通過(guò)判決校正仍可恢復(fù)出Bcb載頻信息。
    如果存在多個(gè)干擾頻率，使得接收端檢測(cè)出錯(cuò)的頻率數(shù)不小于d時(shí)，Bcb載頻信息同樣會(huì)丟失。此時(shí)，可以通過(guò)改變Nc種頻率跳變組合來(lái)使d值增加，進(jìn)而提高性能。然而，d的增加會(huì)使系統(tǒng)的復(fù)雜度提高。

3 系統(tǒng)仿真
    根據(jù)式(20)，當(dāng)Bc=4，M=4，Nh=3，d=1和d=2時(shí)，改進(jìn)系統(tǒng)的誤比特性能曲線如圖3所示。其中：Bc=4，M=4，Nh=3，d=1和d=2。作為對(duì)比，圖中還給出了相同參數(shù)下，MDFH系統(tǒng)的誤比特率曲線。

    在改進(jìn)系統(tǒng)中，由于引入了糾錯(cuò)編碼機(jī)制，如式(17)，式(18)，使得載頻信息比特錯(cuò)誤概率小于MDFH系統(tǒng)。如圖3所示，改進(jìn)系統(tǒng)的抗定頻干擾性能好于MDFH系統(tǒng)，且隨著d值的增大而增加。
    本文采用蒙特卡洛仿真方法對(duì)MDFH和改進(jìn)系統(tǒng)的抗定頻干擾性能進(jìn)行了仿真分析。
    在仿真過(guò)程中，加性高斯白噪聲功率定為N0=0．5，定頻干擾也以高斯形式加到信號(hào)中，其功率為J0=1．0。設(shè)S為信號(hào)功率，信噪比定義為S／(N0+J0)，用SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)表示。取可用頻率總數(shù)Nc為16，基帶調(diào)制采用2FSK。另外在改進(jìn)系統(tǒng)中取N=Nc，各頻率組合之間的距離為2，即Bc=4，Bs=1，d=2。
    當(dāng)Nh=3時(shí)，分別存在一個(gè)干擾和兩個(gè)干擾的仿真結(jié)果如圖4所示。

    由圖可知，在改進(jìn)系統(tǒng)中，由于各頻率組合之間的距離d=2，固在兩個(gè)頻率受干擾時(shí)其性能相比一個(gè)頻率受干擾時(shí)差。而在MDFH系統(tǒng)中，只要載頻信息不連續(xù)選定某一個(gè)受干擾頻率，兩個(gè)頻率受干擾時(shí)的性能略差于一個(gè)頻率受干擾的情況。
    為了進(jìn)一步分析改進(jìn)系統(tǒng)的抗干擾性能，本文還對(duì)Nh=5時(shí)，一個(gè)頻率受干擾的情況進(jìn)行了仿真測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。從圖中可看出，當(dāng)SINR>5 dB時(shí)，改進(jìn)系統(tǒng)的抗干擾性能明顯好于MDFH系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文基于信息驅(qū)動(dòng)跳頻(MDFH)思想，結(jié)合糾錯(cuò)編碼技術(shù)，提出一種基于信息驅(qū)動(dòng)的跳頻通信系統(tǒng)的新方案。理論分析和仿真結(jié)果表明，新方案的抗定頻干擾能力明顯提高。