差分跳频技术的原理、特点及在AWGN的多用户能力分析

描述

1 差分跳频

相关差分跳频(DFH)通信是近年出现的跳频通信方式。美国Sanders公司研制的相关跳频增强扩谱CHESS电台就采用这种差分跳频技术,实现了在短波波段5 000跳/秒的跳频速率和最高19.2 kbit·s-1的数传速率。

差分眺频的基本原理:当前时刻的工作频率fn由上一跳的工作频率fn-1和当前时刻的信息符号Dn决定,即

fn=G(fn-1,Dn)

其中,G(fn-1,Dn)是一个特定函数,文中称为G函数,它决定了差分跳频的数据/频率映射关系。由此可见,相邻跳变频率之间通过数据序列建立了一定的相关性,亦即相邻频率的相关性携带了待发送的数据信息,因此这种跳频方式也被称为相关差分跳频。

2 差分跳频技术的特点

差分跳频技术集跳频图案、信息调制与解调等功能于一体,构成与传统跳频技术完全不同的技术体制,它具有以下特点:

(1)差分跳频体制是一种相关跳频体制,差分跳频通过G函数变换,使相邻或多跳频率之间具有相关性,其相关性携带了待发送的数据信息,收端也是根据其相关性还原数据信息,所以也将这种跳频体制称为相关跳频。在常规跳频体制中,时间上相邻的频率与其传输的数据信息无关。

(2)差分跳频体制是一种异步跳频体制,差分跳频的收端无法预知每个时刻的发端频率,在工作带宽内进行宽带数字化接收,接收端不需要频率合成器,从这个意义上说,差分跳频是一种异步跳频。

(3)G函数具备数据的调制解调功能,差分跳频无需传统定频或跳频体制中的基带和中频调制,发端经G函数变换,实现数据与频率之间的"数/频"编码,收端先对接收到的直接携带信息的射频频率进行有效检测,再经过G函数的逆变换即可恢复出数据信息,实际这也是一种调制解调过程。相同的情况,这是差分跳频图案产生的机理决定的,普通跳频一般不具备这个特点。

(4)跳频图案没有实时时间参与运算在传统跳频图案产生过程中,除跳频时序控制以外,原始跳频密钥Pk和时间参数TOD参与跳频图案运算。而在差分跳频图案的产生过程中,数据流参与跳频图案的运算,相当于跳频密钥,与实时时间TOD无关。数据流对跳频通信的接收端是未知的。

由于差分跳频与传统跳频的原理有很大差别,造成其组网性能也有很大不同。例如,传统跳频电台组网时,相同频率造成频率碰撞,形成多址干扰,而频率不同时,不构成多址干扰;对于差分跳频电台,不同频率可能会造成接收方数据的误判,从而形成多址十扰;频率相同时,如果削弱有效频率的幅度,则形成多址干扰,如果加强频率的幅度,则不形成多址干扰,与两个频率之间的相位有关。

传统的同步组网是指,各跳频网在技术体制、跳频图案算法及跳频密钥相同以及同一张频率表的条件下,各跳频网每一跳的起跳时刻相同,并且任一时刻的各网瞬时频率正交。由于传统的同步组网是同频造成多址干扰,而差分跳频则是异频可能会形成多址干扰。因此差分跳频同步组网的概念应扩展为在同一张频率表的条件下,各跳频网每一跳的起跳时刻相同时,任一时刻各网瞬时频率不相互形成干扰。差分跳频图案是由随机数据信息控制G函数产生的,而每部电台和各跳频网的数据源是不同的,是相互独立的,相互之间不可能有某种约束关系,导致了即使各台及各网之间在时间上有约束关系,也难以实现各台各网之间频率的人工干预,这样一来,当接收方收到的频率为当前G函数映射出的除当前发送频率之外的m-1个频率中的某一个频点时,就会形成多址干扰。也就是说,要做到差分跳频各网当前跳变频率不落在其余网G函数映射的频率子集之内相当困难。需要通过研究G函数的算法,寻找适当的映射途径,使得各网跳变时刻相同,但任一时刻各网瞬时频率不相互形成多址干扰。

3 AWGN下差分跳频系统的多用户能力分析

图1为DFH多用户系统模型。每个发射机提供一种交织编码样式,这种编码的码型同数据比特流一起构成传输波形。在每个接收机处,解码器也使用与对应用户相同的码型。如果某接收机对多个发送信号感兴趣,它为合成信号中每个发送信号创建一种检测交织编码样式。其他的发送信号则被认为是干扰,而DFH解码算法能很好地抑制这些干扰。然而某些时候,在已经投入使用的DFH多用户系统中,用户数量会影响解码的性能,而且对干扰的消减程度也是适当的。

解码器

图1 DFH多用户系统示例

根据频率数、信噪比、产生一个DFH多用户系统的理论上的误码率γ,以及干扰的数量N-1,并使用多用户信干比SINR为γMU。

在DFH解码的每一阶段,干扰信号会造成模糊概率ρ=(2b-1)/M.换句话说,来自功率为S某一干扰信号的有效的干扰为ps=(2b-1)S/M.因此,如果存在N个功率相等的用户,每个用户都以与无干扰状态下的信噪比γ=S0/N相一致的信号电平来进行传送,这样就可以确定有效的信干比

γMU=γ/(1+γ(2b-1)(N-1)/M)      (1)

这样就可以得到高斯白噪声信道条件下的总用户数为N的DFH多用户系统的理论误码率为

解码器

在用户数N=10,b=1的情况下,仿真信噪比随跳频频率个数的变化如图2所示。

解码器

图2 M值不同的条件下DFH系统误码率随信噪比的变化

在图2中,画出了用户数为N=10,M=16、M=32、M=64、M=128的条件下,误码率随信噪比的变化曲线。由图可以看出,可用频点数M越高,误码率随信噪比的变化越快,且M越大,相应信噪比条件下的误码率越小,系统性能越好。

设定仿真参数,跳频频率个数M=64,b=1,用户数以2的指数增加,仿真如图3所示。

解码器

图3 DFH系统在用户数不同的情况下的误码率比较

在图3,中使用Matlab分别画出了用户数N=1、N=2、N=4、N=8、N=16时,DFH系统误码率随信噪比的变化图。由图可以看出,用户越多,DFH系统的误码率越大,信噪比曲线越平缓,即误码率随信噪比变化的速度较慢;用户越少误码率越小,信噪比曲线就越陡峭,即误码率随信噪比变化的速度较快;此外,系统用户数越少,在相应信噪比条件下误码率越小,说明干扰小。

4 结束语

讨论了差分跳频系统的多用户能力,并进行了仿真计算,得出了有益的结论,这将对差分跳频新体制进入实用化有一定的指导意义,为差分跳频组网问题提供了有益的参考,但差分跳频系统的多用户能力还有待于进一步研究,可将其与其他跳频技术的组网能力进行比较研究。

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