一種面向無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的新型FH-OFDM通信方法

周 帆，劉 博，劉 濤，崔鵬飛，田秉禾

(1.沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159;2.陸軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心，北京 100072)

無(wú)人機(jī)以其低時(shí)延和高保密性的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域，其內(nèi)置數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)菬o(wú)人機(jī)通信系統(tǒng)的重要組成部分，為無(wú)人機(jī)與作戰(zhàn)平臺(tái)提供通信保障，因此需具有較強(qiáng)的抗干擾能力。隨著電子對(duì)抗技術(shù)的不斷發(fā)展，在偵查高清圖像等方面，現(xiàn)有無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈在數(shù)據(jù)傳輸效率與可靠性方面已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代通信的要求，對(duì)于當(dāng)前電子偵察需求不斷提高的態(tài)勢(shì)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)鏈信息傳輸?shù)挠行约翱垢蓴_能力面臨新的挑戰(zhàn)[1-4]。

當(dāng)前針對(duì)提高數(shù)據(jù)鏈信息傳輸有效性的技術(shù)主要包括最小頻移鍵控(Minimum Shift Keying，MSK)、高斯最小頻移鍵控(Gaussian Minimum Shift Keying，GMSK)及正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等調(diào)制方法[5-7]，抗干擾技術(shù)主要以交織技術(shù)、編碼技術(shù)以及擴(kuò)頻技術(shù)為主[8-10]，這些技術(shù)由于傳輸速率相對(duì)較低且信息易被截獲，對(duì)于現(xiàn)有無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈傳輸性能貢獻(xiàn)并不突出。

針對(duì)現(xiàn)有無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈存在的問(wèn)題，諸多學(xué)者提出多種新型的具備高效抗干擾性能的傳輸方法，以適應(yīng)復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境。文獻(xiàn)[11]提出了一種將直接序列擴(kuò)頻、多進(jìn)制擴(kuò)頻、正交頻分復(fù)用與碼分多址技術(shù)結(jié)合的傳輸方案，將多進(jìn)制映射后的數(shù)據(jù)由單載波調(diào)制改為傳輸效率更高的多子載波調(diào)制，并進(jìn)行性能仿真分析，仿真結(jié)果優(yōu)于傳統(tǒng)多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]提出了一種正交碼分多子載波傳輸(Orthogonal Code Time Division Multi Segmented Channel Spread Spectrum Modulation,OC-TDMSCSSM)方案，在文獻(xiàn)[11]研究方案的基礎(chǔ)上結(jié)合了跳頻技術(shù)，在子信道映射后并行傳輸進(jìn)行累加得到發(fā)送信號(hào)，該方案在相同信噪比環(huán)境下誤比特曲線(xiàn)較直擴(kuò)與多進(jìn)制擴(kuò)頻系統(tǒng)下降更為明顯。文獻(xiàn)[13-14]對(duì)文獻(xiàn)[12]提出的方案進(jìn)行了優(yōu)化處理，提出了一種單一正交碼跳頻正交頻分復(fù)用(Single Orthogonal Code Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiplex,SOCFH-OFDM)技術(shù)?；鶐?shù)據(jù)經(jīng)直接序列擴(kuò)頻后進(jìn)行正交擴(kuò)譜碼選擇，對(duì)得到的并行信息逐一進(jìn)行二進(jìn)制相移鍵控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)調(diào)制，再進(jìn)行OFDM子載波調(diào)制，根據(jù)跳頻圖案選擇對(duì)應(yīng)子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，該方案進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的抗干擾性能，但仍無(wú)法滿(mǎn)足高時(shí)效性傳輸要求。

本文基于信道編碼技術(shù)、隨機(jī)交織技術(shù)、直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和傳統(tǒng)跳頻正交頻分復(fù)用(Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,FH-OFDM)技術(shù)等提出一種新型FH-OFDM通信方法——偽隨機(jī)正交碼跳頻正交頻分復(fù)用(Pseudo Noise Orthogonal Code Frequency Hopping Orthogonal Frequency Division Multiplexing，PNOCFH-OFDM)技術(shù)。相比傳統(tǒng)FH-OFDM方案，本文提出的方案中將串并轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交碼偽隨機(jī)選擇，對(duì)選取的正交碼組進(jìn)行調(diào)制，再由跳頻圖案對(duì)正交子信道進(jìn)行選擇，從而提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

1 PNOCFH-OFDM的工作機(jī)理

1.1 信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理

PNOCFH-OFDM信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理如圖1所示。

圖1 PNOCFH-OFDM信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理圖

擴(kuò)頻碼碼片波形pc(t)為

(1)

式中：t為碼片持續(xù)時(shí)間；Tc為碼片周期。

偽隨機(jī)正交碼集中第λ個(gè)擴(kuò)頻序列可表示為Cλ={W(λ,1),W(λ,2),…,W(λ,N)}，偽隨機(jī)正交碼集構(gòu)成矩陣為

(2)

(3)

式中α、γ、δ為偽隨機(jī)變換后的行數(shù)。

(4)

由以上各式構(gòu)造發(fā)射端信號(hào)模型為

(5)

式中：Re(x)表示對(duì)復(fù)數(shù)變量取實(shí)部；Pq為第q個(gè)信息碼元功率；fλ為第λ個(gè)調(diào)制器的載波頻率；Ts為基帶信息碼元寬度。

1.2 信號(hào)接收機(jī)理

在高斯白噪聲環(huán)境下PNOCFH-OFDM信號(hào)接收機(jī)理如圖2所示。

圖2 PNOCFH-OFDM信號(hào)接收機(jī)理圖

接收信號(hào)r(t)模型為

r(t)=s(t)+n(t)

(6)

式中：s(t)為發(fā)射端調(diào)制信號(hào)；n(t)為信道噪聲。

接收信號(hào)經(jīng)過(guò)下變頻后進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)換，對(duì)并行數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到變換后的接收數(shù)據(jù)Gλ(λ=1，2，…，M)。由于接收端與發(fā)射端由完全相同的跳頻圖案控制，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行解跳得到發(fā)射端子載波選擇順序，并對(duì)應(yīng)得到M條解調(diào)序列Dλ(λ=1，2，…，M)，該序列分別與本地正交序列選擇表的各行做相關(guān)運(yùn)算，取最大值得到并行數(shù)據(jù)，經(jīng)由并/串轉(zhuǎn)換、解擴(kuò)、解交織解碼等處理獲得最終的接收數(shù)據(jù)。

2 PNOCFH-OFDM系統(tǒng)性能分析

2.1 抗噪聲性能分析

假設(shè)接收機(jī)已獲得同步，發(fā)送端的第μ個(gè)信號(hào)為

rμ(t)=sμ(t)+n(t)

(7)

第μ個(gè)相關(guān)器輸出信號(hào)Rμ(t)可表示為

jsin2πfμt)dt

(8)

式中fμ為第μ個(gè)相關(guān)器輸出信號(hào)的頻率。

整理得到第μ個(gè)相關(guān)器接收到的信號(hào)為

(9)

式中N(λ,r)是均值為λ、方差為r的高斯隨機(jī)變量。

解調(diào)后誤比特率Peb為

(10)

(11)

式中：Eb為每個(gè)比特的平均能量；N0為噪聲功率譜密度；Q(x)為誤差函數(shù)。

第i個(gè)偽隨機(jī)擴(kuò)頻碼判決錯(cuò)誤的概率Pc(i)為

Pc(i)={1-P[Ri>(R1,R2,…,Ri-1,Ri+1,…,RM)]}Peb

(12)

式中

P[Ri>(R1,R2,…,Ri-1,Ri+1,…,RM)]=

(13)

結(jié)合式(11)、式(13)，Pc(i)可以表示為

(14)

式中

(15)

式中σ2=NTcN0/4。

(16)

代入Q函數(shù)得

(17)

因此，相干檢測(cè)后此系統(tǒng)的誤比特率Pb可表示為

(18)

2.2 抗干擾性能分析

設(shè)寬帶干擾信號(hào)功率譜密度為J0，則經(jīng)過(guò)相干解調(diào)后系統(tǒng)的誤比特率可表示為

(19)

在部分頻帶干擾的條件下，設(shè)干擾信號(hào)占調(diào)制信號(hào)的比例為ξ，即若原調(diào)制信號(hào)帶寬為B0時(shí)，部分頻帶帶寬為B=ξB0，干擾信號(hào)的功率譜密度為J=J0/ξ。此時(shí)，受到部分頻帶干擾的信號(hào)概率為ξ，未受到干擾的信號(hào)概率為(1-ξ)，則該系統(tǒng)的誤比特率為

(20)

3 仿真與分析

3.1 仿真參數(shù)

在高斯白噪聲的環(huán)境下，采用PNOCFH-OFDM方案進(jìn)行仿真，傳輸OFDM符號(hào)1000個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸速率為14.4kbps，選擇隨機(jī)交織及碼率為1/2的信道編碼，子載波調(diào)制方式選用16QAM。

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算得到高斯信道下發(fā)射端基帶信號(hào)時(shí)域波形與接收端解調(diào)后信號(hào)時(shí)域波形如圖3所示。由圖3可見(jiàn)，解調(diào)后數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)完全相同。

圖3 PNOCFH-OFDM基帶信號(hào)波形

PNOCFH-OFDM信號(hào)頻域圖如圖4所示。

圖4 PNOCFH-OFDM信號(hào)頻域圖

由圖4可以看出，由于系統(tǒng)將較寬的信道劃分為多個(gè)較窄的子信道，每個(gè)子信道近似平坦，使得輸出信號(hào)幅度變化不大。

高斯白噪聲下PNOCFH-OFDM傳輸方案與傳統(tǒng)FH-OFDM方案的信號(hào)抗噪聲性能曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 PNOCFH-OFDM與FH-OFDM信號(hào)抗噪聲性能曲線(xiàn)

由圖5可以看出，隨著信噪比逐漸增大，PNOCFH-OFDM系統(tǒng)與FH-OFDM系統(tǒng)的誤碼率均逐漸降低。PNOCFH-OFDM系統(tǒng)在信噪比大于-15dB時(shí)，誤碼曲線(xiàn)下降趨勢(shì)明顯，信噪比大于-4dB時(shí)系統(tǒng)可接收到準(zhǔn)確信息；傳統(tǒng)FH-OFDM在信噪比大于-5dB時(shí)系統(tǒng)才可接收到準(zhǔn)確信息?？梢?jiàn)PNOCFH-OFDM系統(tǒng)的抗噪聲性能良好，優(yōu)于傳統(tǒng)的FH-OFDM系統(tǒng)。

為進(jìn)一步驗(yàn)證PNOCFH-OFDM系統(tǒng)與傳統(tǒng)FH-OFDM系統(tǒng)的抗干擾性能差異，以Matlab為仿真工具，對(duì)兩系統(tǒng)分別在相同的部分頻帶干擾和全頻帶干擾下的性能進(jìn)行仿真。兩系統(tǒng)抗部分頻帶干擾的性能曲線(xiàn)如圖6所示。

圖6 PNOCFH-OFDM與FH-OFDM信號(hào)抗部分頻帶干擾性能曲線(xiàn)

由圖6可見(jiàn)，兩系統(tǒng)的誤碼率均隨著信干比的增大而減小，在信干比小于-14dB時(shí)兩條曲線(xiàn)近似重合，誤碼率基本一致，說(shuō)明二者性能近似相同。而在信干比大于-14dB時(shí)，傳統(tǒng)FH-OFDM誤碼率偏高，誤碼率為15%時(shí)PNOCFH-OFDM的信干比較傳統(tǒng)FH-OFDM的信干比降低約1dB，即PNOCFH-OFDM系統(tǒng)的抗干擾性能優(yōu)于傳統(tǒng)FH-OFDM系統(tǒng)。

兩系統(tǒng)抗全頻帶干擾的性能曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 PNOCFH-OFDM與FH-OFDM信號(hào)抗全頻帶干擾性能曲線(xiàn)

由圖7可見(jiàn)，相同誤碼率下傳統(tǒng)FH-OFDM系統(tǒng)傳輸過(guò)程中信干比小于PNOCFH-OFDM系統(tǒng)，抗干擾能力較差。信干比大于-14dB時(shí)PNOCFH-OFDM系統(tǒng)誤碼曲線(xiàn)下降更為明顯，誤碼率為1%時(shí)兩系統(tǒng)信干比相差1dB，表明PNOCFH-OFDM通信方法具有良好的抗干擾性能。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾能力差的問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)FH-OFDM技術(shù)的基礎(chǔ)上提出一種面向無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈的新型FH-OFDM通信方法，即偽隨機(jī)正交碼FH-OFDM技術(shù)?；诎l(fā)射機(jī)和接收機(jī)的工作機(jī)理推導(dǎo)出發(fā)送端的信號(hào)模型，給出接收端誤碼性能公式，并仿真分析其基帶波形及頻域特性，在高斯白噪聲環(huán)境下對(duì)其抗噪聲性能及部分頻帶干擾和全頻帶干擾下的抗干擾性能進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真結(jié)果表明，PNOCFH-OFDM方案具有良好的抗噪聲性能和抗干擾性能，相比于傳統(tǒng)的FH-OFDM方案抗干擾容限提高超過(guò)1dB，滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)鏈抗干擾通信的要求。