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：

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：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。