水声跳频通信系统抗干扰性能仿真研究
邓婕 ,程恩
() 厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室 ,福建省厦门市 361005
摘 要 :跳频通信系统与常规定频通信系统相比具有较强的抗干扰能力。在介绍水声跳频通信基本原理的基础上 ,
分析
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了在部分频带干扰下的跳频通信系统的抗干扰性能 ,并提出利用信号分集技 术解决部分频带干扰问题。借助 MA TLAB 仿真工具 ,得到不同情况下的误码率 2信噪比曲线 ,从而验 证了理论分析的结果。
关键词 :水声跳频通信 ;抗干扰性能 ;双分集 ;仿真 ;误码率
中图分类号 : TN929. 3
端 ,输入的信息对频率为 f的载波进行调制 , 得到调 s 0 引 言制信号。独立产生的跳频序列从跳频频率表中取出频
水声通信不同于传统的电磁波通信 ,它是通过海 率控制码 ,控制频率合成器在不同的时隙内输出频率 水媒介进行信息传输 。海水媒介极为复杂多变 ,传播 跳变的本振信号。用它对调制信号进行变频 ,使变频过程中媒介对声能的吸收和波阵面的扩展导致信号的 ,即为跳频信号。后的射频信号频率按照跳频序列跳变 衰落 ;海面和海底对声波的散射和反射导致了多途现
在接收端 ,与发射机跳频序列一致的本地跳频序列从象 ;此外 ,海水媒介的不均匀性以及水下存在的大量噪
跳频频率表中取出频率控制码控制频率合成器 ,使输 声干扰 ,都将使水声信号产生畸变。因此 ,水声信道是
一个极其复杂的时 - 空 - 频变信道 。其主要特征表现 出的本振信号频率按跳频序列相应地跳变。跳变的本 为复杂性 、多变性 、强多途、随机性和有限的带宽。在 振信号 ,对接收到的跳频信号进行变频 ,将频率搬回到这种复杂的信道中实现信息传输 ,必须克服环境噪声 f,实现解跳 。解跳后的调制信号 , 在本地载波作用 s 干扰、时变多途干扰和多普勒频移等诸多困难。 下 ,经解调后恢复出信息。从时域上看 ,跳频信号是一 扩展频谱通信具有较强的抗干扰、抗衰落和抗多 个多频率的频移键控信号 ;从频域上看 ,跳频信号的频 [ 1 ] 径性能以及频谱利用率高、多址通信等诸多优点。按 谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变 。
(照扩展频谱
方法
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的不同 ,扩频系统通常分为 D SSS 直
) ) (接序列扩频系统 和 FH SS 跳频扩频系统 。理论分
析和实验证明 ,当信道表现为“过扩散 ”信道 , 即信道
(扩展因子 B T> 1时 其中 B 为信道的多普勒扩展 , d m d
) T为信道的时延扩展 ,基于相位相干解调和均衡技 m
术的 D SSS将失去作用 。在这种情况下 , 就应当考虑 采用非相干解调技术的跳频 FH SS。跳频通信在多途 图 1 水声跳频扩频通信系统结构框图严重的浅海水声通信中的应用已经引起人们的普遍关
注。2000 年 , 美国海军“seaweb ”计划中一项实验表 2 跳频通信在部分频带干扰下的误码率分析( ) 明 :在浅海信道中 ,跳频 - 频移键控 FH 2FSK方案比
()差分相移键控 D PSK方案要稳健得多 。 在跳频通信中最常用的调制方式是多进制频移键
() ) (控 M FSK。以下将以 B FSK 二进制频移键控 为例
[ 2 , 3 ] 说明跳频系统抗部分频带干扰下的性能 。
对于一个未编码的跳频 /B FSK系统 ,频率每比特
跳变一次 ,解调和检测都采用非相干方式 ,那么该系统
在高斯白噪声信道上的误码率为 : 1 跳频通信原理 γ 1 1 Eh图 1给出了水声跳频通信系统的原理图 。在发送 b P = exp= exp( )1 -J - 0 2 2 2 2 跳频系统的每比特信号能量 E可以 表示 为 : b 收稿日期 : 2007 212205。 E= P/ R ,其中 , P为信号功率 , R 为比特率 。类似 b av av( ) 基金项目 :国家自然科学基金 60672046 。 地 , 噪声的单边功率谱密度 J= J/W , 其中 J为宽 0 av av
系统差得多 ,亦即在相同的干扰功率条件下 ,要达到相 W E b R 同的比特差错率 ,要求信噪比高很多。γ( )= = 2 b J J 0av
P av 3 利用信号分集技术解决部分频带干扰 式中 : W / R 是处理增益 ; J/ P是跳频扩频信号的干扰 av av受到部分频带干扰的 FH 系统的性能很差。因
容限。 此 ,可以通过信号分集来减小部分频带干扰对 FH SS
的影响。所谓信号分集 ,就是将同一信息比特在多次 本文研究的部分频带干扰建模为零均值高期随机
频率跳变上传输 ,将多次传输的信号加权并在检测器 (αα过程 ,其功率谱在总带宽 W 的一部分 为干扰带
输入端相加 。本文采用双分集系统 ,也就是将每个信 )宽 /扩频带宽 上是平坦的 ,其他部分为 0。在功率密 [ 4 ] 息比特在连续两个相继的频率跳变上传输 。 ( ) αα度谱不为 0的范围内 ,其值为
2 相加器来的两个分量 x 和 y 送给检测器 ,检测器以较 EJ b0大的信号分量作出判决 ,因而提高了系统的性能。 ( )α4 = 0 J 0
E b 1 ? 2J 0
( 此时的最大误码率 最严重的部分频带干扰下的误码
() )率 见图 2 为 :
- 1 E b e > 2 EJ b0
= ( )P? 5 J bm ax0
Eb 1 E b? 2 exp - 2 J 2J0 0 图 3 利用双分集跳频通信系统的误码率曲线
在仿真中 ,当没有干扰存在时 ,相加器使用的权系
2 σ数置 w = 10 ,它对应于 = 0. 1 ,这可能是加性高斯噪
声电平的典型值 ;而当干扰存在时 ,由于每个噪声分量
2 σα ( )α的方差是 = J / 2,其中 由式 4 决定。那么就0 22 ( ) σσ 有 = E / 4 E / J ? 2 。权系数置为 w = 1 /=b b 0
2 / E 。这里 ,每次跳变的信噪比是 E ,而在两次跳变中
每比特的总能量为 E= 2 E 。因此 ,差错概率是作为 b E/ J的函数画出。从图 3 可看出 ,采用双分集跳频 / b 0 图 2 最大部分频带干扰下的误码率曲线
B FSK系统抗部分频带干扰性能得到很大的提高 。 从图 2中可以看到 ,在采用最大部分频带干扰下 ,() 下转第 29页 由 MA TLAB 仿真得到的误码率曲线与理论曲线基本
( ) 计算机技术与发展 , 2007 , 17 2 : 39241. () 上接第 26 页 [ 2 ] 梅文华 ,王淑波 ,等. 跳频通信 [M ]. 北京 : 国防工业出版
社 , 2005. 4 结束语 [ 3 ] 樊昌信 ,徐炳祥 ,等. 通信原理 [M ]. 北京 : 国防工业出版
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[ 4 ] PROA K IS J G. 数字通信 [M ]. 张力军 ,等译. 北京 : 电子 能 ,并提出利用信号分集技术解决部分频带干扰问题 。 工业出版社 , 2006. 通过 MA TLAB 仿真 ,得到了不同情况的误码率曲线 ,
从而验证理论分析的结果。 ( ) 邓 婕 19852,硕士研究生 ,主要研究方向为水声通信技 参 考 文 献 术 。 [ 1 ] 胡修林 ,胡晓娇. 跳频通信系统抗干扰性能仿真研究 [ J ].
S im ula tion Research on An ti2jam m ing Perfor mance in Underwa ter
Acoustic Jum p Frequency Comm un ica tion System
D ENG J ie, C HENG En
( Key L abo ra to ry of U nde rwa te r A cou stic Comm un ica tion and M a rine Info rm a tion Techno logy
)M in istry of Educa tion, X iam en U n ive rsity, X iam en 361005 , Ch ina
A b stra c t:A n ti2jamm ing p e rfo rm ance of jump frequency comm un ica tion system is m uch be tte r than regu la r comm un ica tion system. The p ap e r in troduce s unde rwa te r acou stic jump frequency comm un ica tion p rinc ip le. It ana lyze s an ti2jamm ing p e rfo rm ance unde r p a rtia l2band no ise jamm ing cond ition and p u ts up singa l d ive rsity m e thod to so lve it. U sing MA TLAB sim u la tion in strum en t, it p re sen ts B ER 2SNR cu rve figu re s unde r d iffe ren t cond ition s and va lida te s the theo ry ana lysis re su lt.
Keyword s: unde rwa te r acou stic jump frequency comm un ica tion; an ti2jamm ing p e rfo rm ance; doub le2d i2 ve rsity; sim u la tion; B ER
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