基于自適應(yīng)反饋信道調(diào)制的多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法研究

米捷

河南工程學(xué)院 計算機(jī)學(xué)院，河南 鄭州 451191

0 引言

目前，多信道跳頻通信系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于短波通信、遠(yuǎn)程衛(wèi)星通信、艦載通信等領(lǐng)域，對多信道跳頻通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程回波探測和信息傳輸[1].但由于多信道跳頻通信系統(tǒng)易受所處環(huán)境的干擾，容易出現(xiàn)異常跳變和信道失衡的現(xiàn)象，導(dǎo)致其輸出穩(wěn)定性較差.因此，需要對該系統(tǒng)進(jìn)行信道均衡控制，并結(jié)合異常跳變識別實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的均衡調(diào)節(jié)[2]，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性.

對多信道跳頻通信系統(tǒng)的跳變識別建立在對通信信號的載波分析和信道調(diào)節(jié)基礎(chǔ)上，結(jié)合波束調(diào)節(jié)和反饋調(diào)制，分析多信道跳頻通信系統(tǒng)的異常跳變特征，可有效提高系統(tǒng)的信號識別能力[3].目前，對多信道跳頻通信系統(tǒng)的異常跳變識別方法主要有載波調(diào)制方法、多通道波束形成方法、分?jǐn)?shù)間隔均衡調(diào)制方法、高階譜識別方法等.此外，文獻(xiàn)[4]提出了基于小波分析法的信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變檢測方法，通過小波分析法濾除通信系統(tǒng)噪聲，由此完成跳變識別和信號檢測.但該方法的時間開銷較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差.文獻(xiàn)[5]提出了基于同步字頭法與并行捕獲相結(jié)合的雙通道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變捕獲方法，根據(jù)信號的回波參數(shù)分析結(jié)果，定位異常跳變節(jié)點(diǎn)，提高了對異常跳變的識別和定位的精度.但該方法在進(jìn)行多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別過程中的模糊度較大，識別穩(wěn)定性較差.

鑒于此，本文擬基于自適應(yīng)反饋信道調(diào)制設(shè)計一種新的多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法，在構(gòu)建系統(tǒng)信道模型的基礎(chǔ)上，建立信道反饋均衡控制模型，再通過擴(kuò)頻處理提高信道的輸出增益，繼而根據(jù)信道的差異特征點(diǎn)提取結(jié)果來實(shí)現(xiàn)對異常跳變的有效識別，以期提高對異常跳變定位識別的準(zhǔn)確性，降低通信系統(tǒng)的輸出誤碼率.

1 多信道跳頻通信信道均衡模型構(gòu)建

為了實(shí)現(xiàn)多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別，首先需要采用移相鍵控(PSK)調(diào)制方法設(shè)計通信信道，再結(jié)合多陣元節(jié)點(diǎn)融合方法對接收的信號進(jìn)行時延參數(shù)估計[6].在此基礎(chǔ)上，通過空間信道均衡調(diào)度方法檢測脈沖回波，根據(jù)檢測結(jié)果分析多信道跳頻通信的異常跳變特征，構(gòu)建信道傳輸模型，再結(jié)合空間信道均衡方法進(jìn)行系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)換控制，根據(jù)直接序列擴(kuò)頻后序列的信道輸出增益[7].

1.1 信道線性調(diào)頻濾波與均衡

多信道跳頻通信系統(tǒng)接收脈沖的回波參數(shù)為

其中，x(n)表示系統(tǒng)的傳輸信號，ρ表示窄脈沖展寬，RMDMMA(k)表示跳變帶寬，z(k)表示系統(tǒng)傳輸碼間的干擾.通過直接序列擴(kuò)頻完成對多信道跳頻通信系統(tǒng)頻譜輸出穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)，再根據(jù)時延參數(shù)調(diào)節(jié)得到線性調(diào)頻濾波結(jié)構(gòu)，如圖1所示，其中，每個接收陣元均可單獨(dú)進(jìn)行自相關(guān)匹配處理[8].在此基礎(chǔ)上，采用直接序列擴(kuò)頻方法實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，然后分析多信道跳頻通信信道的輸出穩(wěn)態(tài)特征量，通過干擾抑制和調(diào)頻回波檢測完成信道的均衡調(diào)制，以提高輸出均衡性.

圖1 線性調(diào)頻濾波結(jié)構(gòu)Fig.1 Linear FM filter structure

1.2 信道均衡模型

在上述構(gòu)建的多信道跳頻通信系統(tǒng)的信道模型基礎(chǔ)上，通過誤碼補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)對信道的均衡設(shè)計，得到系統(tǒng)異常跳變的傳輸信號迭代式為

其中，D(t)表示均衡調(diào)制補(bǔ)償函數(shù).本文采用多徑衰減抑制的方法完成對多信道跳頻通信系統(tǒng)的頻譜分解[9-10].在頻帶分布的帶寬范圍內(nèi)，得到調(diào)頻信號p(t)的頻譜.假設(shè)碼元的解擴(kuò)寬度為Ta，則輸出多信道跳頻通信信號的能譜信息為

其中，hi(t)表示跳變特征分布函數(shù).結(jié)合通信信號的能譜信息，通過信道沖激響應(yīng)調(diào)節(jié)的方法檢測多信道跳頻通信系統(tǒng)的沖擊濾波，得到輸出的穩(wěn)態(tài)特征量為RMDMMA_i(i=1,2,…,n).在穩(wěn)態(tài)特征分布模型中，假設(shè)陣元分布的間隔為d，采用連續(xù)多徑同頻抑制得到多信道跳頻通信的信號接收模型，通過通信傳輸節(jié)點(diǎn)的多徑增益濾波和分集均衡處理得到偏轉(zhuǎn)信息.在傳感陣列中，若系統(tǒng)的第m個傳感節(jié)點(diǎn)接收到多普勒頻移，則通信信道的脈沖沖激響應(yīng)函數(shù)為

其中，si(t)表示通信傳輸節(jié)點(diǎn)的多徑增益，xm(t)表示偏轉(zhuǎn)信息，θi(t)表示多信道跳頻通信的掃頻特征量，y表示分集均衡度.通過最小方差估計實(shí)現(xiàn)分集均衡調(diào)度，即可得到突變的載波頻率下多信道跳頻通信的信道均衡輸出[11].結(jié)合誤碼抑制和時頻尺度分解，得到多信道跳頻通信系統(tǒng)信道均衡模型為

其中，an(t)表示第n條信道的信道增益函數(shù)，τn(t)表示第n條信道的誤碼序列.至此,即實(shí)現(xiàn)了對信道跳頻通信信道均衡模型的構(gòu)建.

2 異常跳變識別流程設(shè)計

2.1 異常跳變特征檢測

本文基于自適應(yīng)反饋信道調(diào)制設(shè)計了多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法，在建立系統(tǒng)信道反饋均衡控制模型的基礎(chǔ)上，通過自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)方法進(jìn)行系統(tǒng)的均衡調(diào)節(jié)，然后基于二進(jìn)制相移鍵控(BPSK)盲信道解調(diào)方法[12]建立多信道跳頻通信系統(tǒng)的二階統(tǒng)計特征檢測模型.結(jié)合擴(kuò)頻函數(shù)，通過直接序列擴(kuò)頻得到擴(kuò)頻輸出結(jié)果為

D(t)=Tc×C×β

其中，Tc表示調(diào)節(jié)參數(shù)，β表示系統(tǒng)的均衡調(diào)節(jié)系數(shù).根據(jù)多信道跳頻通信信道的時變特性進(jìn)行異常跳變識別[13]，可得信道中異常跳變識別的誤差函數(shù)為

JMMDMMA_R=c(t)+K(b)D(t)

對本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列碼進(jìn)行信道補(bǔ)償和異常跳變特征檢測，得到檢測統(tǒng)計量為

W=D(t)+ck×N-K(b)×P

其中，ck表示抽頭系數(shù)，N表示異常數(shù)據(jù)的采樣長度，P表示噪聲項(xiàng).結(jié)合隨機(jī)序列重組，得到異常跳變檢測輸出結(jié)果為

2.2 跳變識別定位

多信道跳頻通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的跳變特征量的載頻分量為

M=|h(k)+a(k)|-n(k)

其中，h(k)表示第i條傳輸信道的能量帶寬，a(k)表示不同時延的回波信號，n(k)表示信道的噪聲分量.結(jié)合跳變特征量的載頻分量，通過帶寬濾波檢測和擴(kuò)頻處理提高信道輸出增益，再根據(jù)信道的差異特征點(diǎn)提取結(jié)果實(shí)現(xiàn)多信道跳頻通信系統(tǒng)的異常跳變識別[14-15]，得到收斂迭代函數(shù)為

F=D(t)(JMMDMMA_R+an(t))+ZM

收斂迭代是一種不斷用變量的舊值遞推新值的過程，利用上述函數(shù)確定迭代法的收斂性，從而確定迭代是否終止.根據(jù)特征檢測結(jié)果，結(jié)合信號檢波分析進(jìn)行系統(tǒng)異常跳變定位，提高系統(tǒng)的均衡性和穩(wěn)定性，過程如下：

3 仿真與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計的多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計如下仿真實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證.

假設(shè)通信系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)輻射半徑為50 m，信道的傳輸帶寬為120 kb/s，擴(kuò)頻時延為0.25 ms，干擾強(qiáng)度為0～20 dB，最大迭代次數(shù)為100，信號采樣長度為1024 bit.根據(jù)上述仿真參數(shù)，得到多信道跳頻通信系統(tǒng)的傳輸信號模型如圖2所示.

當(dāng)節(jié)點(diǎn)輻射半徑為31～40 m 時，利用本文方法對圖2所示的通信信號進(jìn)行異常跳變識別，結(jié)果如圖3所示.

圖2 多信道跳頻通信系統(tǒng)的傳輸信號Fig.2 Transmission signal of multi-channel frequency hopping communication system

分析圖3可知，當(dāng)節(jié)點(diǎn)輻射半徑為31～40 m 時，利用本方法識別出了在1.32 s處的跳變，以及在1.37～1.42 s處不同程度的異常跳變，且本方法能有效實(shí)現(xiàn)對多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變的定位識別.該方法的沖激響應(yīng)增益較大，可有效提高對異常跳變定位識別的準(zhǔn)確性.其原因在于該方法通過自適應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對通信系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)辨識，再根據(jù)信道差異特征點(diǎn)提取結(jié)果實(shí)現(xiàn)了對異常跳變信息的準(zhǔn)確識別.

圖3 多信道跳頻通信系統(tǒng)的異常跳變識別Fig.3 Abnormal hopping recognition of multi- channel frequency hopping communication system

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用性能，且避免測試結(jié)果的單一性，將本文方法與基于小波分析法的信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變檢測方法[4]和基于同步字頭法與并行捕獲相結(jié)合的雙通道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變捕獲方法[5]進(jìn)行性能對比測試，結(jié)果如表1所示.

由表1可知，隨著實(shí)驗(yàn)迭代次數(shù)的增加，不同方法的傳輸誤碼率均隨之增加.但相比之下，采用本文方法的多信道跳頻通信系統(tǒng)傳輸誤碼率更小，最高僅為0.065.這表明,利用本文方法識別多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變后，有效降低了通信系統(tǒng)的輸出誤碼率，提高了系統(tǒng)的信息傳輸質(zhì)量.

表1 多信道跳頻通信系統(tǒng)誤碼率測試

4 結(jié)語

本文基于自適應(yīng)反饋信道調(diào)制設(shè)計了多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法.該方法首先構(gòu)建通信信道傳輸模型，并對其展開輸出均衡控制；然后在均衡調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，通過BPSK盲信道解調(diào)方法建立多信道跳頻通信系統(tǒng)的二階統(tǒng)計特征檢測模型，從而實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)異常跳變的識別和差異性特征的檢測.仿真結(jié)果表明，利用本方法進(jìn)行多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別的準(zhǔn)確性較好、信息輸出誤碼率較低.下一步將考慮從提高異常跳變識別時效性的角度對該方法作進(jìn)一步優(yōu)化.