《電子技術(shù)應(yīng)用》
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差分跳频噪声归一化接收机性能分析
来源:电子技术应用2011年第1期
周志强, 李少谦, 程郁凡
电子科技大学 通信抗干扰国家重点实验室, 四川 成都 610054
摘要： 差分跳频系统的信号检测方法是差分跳频系统的关键技术之一。如果在接收端采用序列检测，能大幅提高差分跳频系统性能。提出了差分跳频噪声归一化接收机，并对该接收机在部分频带干扰Rayleigh衰落信道下的性能进行了分析，采用复变函数相关理论，给出了衰落信道下的误码界；计算机仿真结果表明其理论分析的正确性，同时可看出采用噪声归一化接收机能显著提高系统性能。
中圖分類(lèi)號(hào)： TN9
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2011)01-0087-04
Performance analysis of DFH noise-normalized receivers over rayleigh fading channels with partial-band jamming
Zhou Zhiqiang, Li Shaoqian, Cheng Yufan
National Key Laboratory of Communication, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China
Abstract： Signal detection method is one of the key technologies of differential frequency hopping. If sequence decoding is used to detect the signal in the receiver, the performance of the system can be dramatically improved. In this paper, the noised-normalized combining receiver is proposed. The performance of the noised-normalized receiver over Rayleigh channels with partial-band jamming is analyzed. The bit error probability bound is obtained based on the theory of complex variables. Simulation results validate our analytical results. It is shown that the noised-normalized receiver can significantly improved the system performance.
Key words : differential frequency hopping; noised-normalization; partial-band jamming; rayleigh fading


    短波通信被廣泛應(yīng)用于軍事通信領(lǐng)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(guó)Sanders公司推出一種相關(guān)跳頻電臺(tái)[1-2]能實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，它以差分跳頻為技術(shù)核心，有機(jī)地將信息調(diào)制與跳頻控制結(jié)合在一起，跳頻速率可達(dá)到5 000跳/s，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗多徑及抗干擾能力。在差分跳頻系統(tǒng)中，當(dāng)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(lái)決定，其關(guān)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(diǎn)間建立一定的關(guān)聯(lián)。G函數(shù)的設(shè)計(jì)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(hào)檢測(cè)技術(shù)是差分跳頻系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使用的信號(hào)檢測(cè)方法不同，其系統(tǒng)性能也不同[3-4]。如果不考慮前后頻點(diǎn)間的相關(guān)性，逐符號(hào)進(jìn)行非相干檢測(cè)及判決，則稱(chēng)這種方法為逐符號(hào)檢測(cè)；如果考慮前后頻點(diǎn)間的相關(guān)性，利用頻點(diǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可對(duì)一些錯(cuò)誤檢測(cè)的頻率進(jìn)行糾正，針對(duì)一定長(zhǎng)度的頻率序列采用一定的準(zhǔn)則來(lái)進(jìn)行信號(hào)的檢測(cè)與判決，這種方法稱(chēng)為頻率序列檢測(cè)，采用頻率序列檢測(cè)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(duì)頻率序列進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)的序列檢測(cè)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(gè)頻點(diǎn)處的非相干檢測(cè)值用該頻點(diǎn)處的噪聲功率進(jìn)行歸一化處理后，再進(jìn)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(shè)差分跳頻頻率集中的跳頻點(diǎn)數(shù)為N，每跳所傳送的比特?cái)?shù)為BPH,發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)非頻率選擇性慢衰落Rayleigh信道，每跳信號(hào)所經(jīng)歷的衰落相互獨(dú)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(jī)過(guò)程，其總功率在跳頻帶寬的一部分&rho;,0<&rho;<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/&rho;，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(shè)為零均值、單邊功率譜密度為N0的高斯白噪聲。因此，當(dāng)信號(hào)受到干擾時(shí)，總的噪聲功率譜密度為N0+NJ/&rho;；當(dāng)信號(hào)未受到干擾時(shí)，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(jī)模型如圖1所示。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)經(jīng)G函數(shù)進(jìn)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(jìn)行發(fā)送。發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)非頻率選擇性Rayleigh衰落信道，同時(shí)受到部分頻帶干擾以及加性高斯白噪聲的影響，假設(shè)收發(fā)雙方經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的同步，則接收信號(hào)可以表示為：



2 性能分析
    采用維特比算法進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)時(shí)，由于涉及各個(gè)頻率轉(zhuǎn)移路徑間的互相關(guān)性，推導(dǎo)準(zhǔn)確的符號(hào)錯(cuò)誤概率非常復(fù)雜，因此可參照卷積編碼差錯(cuò)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(jì)算首次差錯(cuò)事件概率提供了必要的信息，假設(shè)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(jī)誤碼界。
3 仿真結(jié)果及分析
    為了驗(yàn)證理論誤碼界推導(dǎo)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(dāng)跳頻系統(tǒng)中的跳率點(diǎn)數(shù)過(guò)多時(shí)，推導(dǎo)G函數(shù)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程較為復(fù)雜，因此，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，設(shè)跳頻系統(tǒng)的頻點(diǎn)個(gè)數(shù)為8，每跳傳送的比特?cái)?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(dāng)信干比較低時(shí)，仿真結(jié)果在理論誤碼界之下，當(dāng)信干比增大時(shí)，仿真結(jié)果與理論誤碼界完全重合，驗(yàn)證了理論推導(dǎo)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(shí)重合，這是因?yàn)楫?dāng)信干比較大時(shí)，干擾功率較小，受干擾影響較小,此時(shí)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(jī)與噪聲歸一化接收機(jī)在不同干擾比例條件下的性能對(duì)比。仿真條件為：跳頻點(diǎn)數(shù)N=16，每跳傳送的比特?cái)?shù)BPH=2，信噪比SNR=20 dB。由圖中可以看出，噪聲歸一化接收機(jī)的性能明顯好于性線接收機(jī)的性能。由圖3還可以看出，當(dāng)信干比較大時(shí)，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(jī)誤碼率曲線重合，這是因?yàn)楫?dāng)信干比增大時(shí)，干擾功率越來(lái)越小，系統(tǒng)性能趨近于在沒(méi)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(jī)在干擾比例?籽=0.5時(shí)的系統(tǒng)性能要好于?籽=0.1時(shí)的系統(tǒng)性能，而噪聲歸一化接收機(jī)則正好相反。這是因?yàn)?，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(duì)誤跳有一定的糾錯(cuò)能力，這種糾錯(cuò)能力在系統(tǒng)誤碼率小于一定數(shù)值時(shí)表現(xiàn)良好，但系統(tǒng)誤碼率大于一定數(shù)值時(shí)，其性能會(huì)惡化。在線性序列合并接收機(jī)中，當(dāng)干擾比例減小時(shí)，干擾較集中，干擾的功率譜密度增大，干擾比例較小時(shí)的系統(tǒng)性能要差于干擾比例較大時(shí)的系統(tǒng)性能。在噪聲歸一化接收機(jī)中，當(dāng)干擾功率較大時(shí)，由于每跳的非相干檢測(cè)值采用噪聲功率進(jìn)行歸一化處理，所以受到干擾的那跳在整個(gè)合并結(jié)果中所占的比例會(huì)隨著噪聲功率的增大而減小，從而減少了干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響，其性能會(huì)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(jī)地將信號(hào)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(jī)，能有效減少干擾及衰落對(duì)系統(tǒng)性能帶來(lái)的損傷；采用復(fù)變函數(shù)相關(guān)論理，給出了噪聲歸一化接收機(jī)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(shí)也可以看出，噪聲歸一化接收機(jī)能顯著提高差分跳頻系統(tǒng)的抗干擾性能。
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