徐招君,王明旭,肖友鵬,張 集,鞏 澳,魏俊玲,童崢嶸
(天津理工大學(xué)電氣電子工程學(xué)院,天津300384)
信息技術(shù)在現(xiàn)代軍事領(lǐng)域占有越來(lái)越重要的地位,成為決定戰(zhàn)爭(zhēng)勝負(fù)的一個(gè)關(guān)鍵因素。從早期使用廣為人知的莫爾斯密碼和英格瑪密碼等軍用碼進(jìn)行保密通信,到現(xiàn)在使用各種手段控制電磁頻譜不被敵方截獲干擾,足以看出信息保密性的重要意義。而跳頻技術(shù),是一種實(shí)現(xiàn)載波頻率不斷跳變,從而有效避開(kāi)干擾的手段。王旭亮[1]對(duì)超短波中跳頻通信抗干擾技術(shù)進(jìn)行相關(guān)探究。齊劉宇等[2]通過(guò)分析跳頻通信的特點(diǎn)和硬件實(shí)現(xiàn)要點(diǎn),提出了一種可以實(shí)現(xiàn)跳頻通信的異步組網(wǎng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案,給出了基于二進(jìn)制頻移鍵控(binary frequency shift keying,2FSK)的跳頻收發(fā)兩端的硬件邏輯和詳細(xì)信號(hào)流程設(shè)計(jì),并在跳頻同步捕獲模塊做出了改進(jìn),最后通過(guò)頻譜儀和干擾源等測(cè)試驗(yàn)證了接收端的抗干擾性能。丁海軍等[3]基于經(jīng)典通信對(duì)抗理論,建立了一種跳頻通信干擾分析模型,綜合定性分析與定量計(jì)算,研究相關(guān)干擾策略,并進(jìn)行了通信干擾仿真.
軟件定義無(wú)線(xiàn)電(software defined radio,SDR)是一種無(wú)線(xiàn)電通信技術(shù)。它采用可編程的硬件和可重構(gòu)的軟件,通過(guò)軟件的安裝與更新來(lái)升級(jí)通信系統(tǒng)的功能和接口協(xié)議,是一個(gè)通用性、拓展性、兼容性較高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),減少了通信系統(tǒng)的搭建成本。編程軟件與硬件結(jié)合,可將理論模型與實(shí)踐驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新等有效結(jié)合起來(lái),因此受到業(yè)界的廣泛關(guān)注[4-5]。孟梅梅等[6]利用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司的USRP外設(shè)和LabVIEW編程環(huán)境,設(shè)計(jì)了多模式自適應(yīng)軟件無(wú)線(xiàn)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。紀(jì)藝娟等[7]設(shè)計(jì)了虛實(shí)結(jié)合的通信試驗(yàn)平臺(tái),利用USRP和LabVIEW相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)交互式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。
本文設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng),詳細(xì)描述了系統(tǒng)關(guān)鍵原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,并最終通過(guò)兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn),得出了此系統(tǒng)在不同干擾下傳輸?shù)恼`碼率,證明了其抗干擾性好、通信可靠性高的優(yōu)勢(shì)。
1.1.1 多進(jìn)制相移鍵控(multiple phase shift keying,MPSK)調(diào)制
MPSK作為一種誤碼率較低的數(shù)字調(diào)制技術(shù)相比于模擬調(diào)制技術(shù)用途更加廣泛。其輸入信號(hào)的信息是用載波相位表示,同時(shí)M種不同的狀態(tài)可以決定鏈路傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量,從而可提高帶寬利用率。例如二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying,BPSK)、正交相移鍵控(quadrature phase shift keying,QPSK)、8PSK、16PSK等。
以QPSK為例,在發(fā)送端將輸入的二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列經(jīng)串-并轉(zhuǎn)換分組成2個(gè)并行數(shù)據(jù)流,再通過(guò)電平轉(zhuǎn)換將碼元信息映射為載波不同相位的分量,an、bn經(jīng)脈沖g(t)成形濾波得到I(t)、Q(t)信號(hào),確定載波的相位條件,最后對(duì)cosωct和sinωct進(jìn)行調(diào)制,相加后即得到QPSK已調(diào)信號(hào),如公式(1),然后將其送入射頻前端進(jìn)行發(fā)射[8]。
1.1.2 QPSK解調(diào)
接收端對(duì)QPSK信號(hào)采用相干解調(diào)法,QPSK信號(hào)最佳接收系統(tǒng)的接收信號(hào)為:
假設(shè)本地參考的同步載波為:
采用正交下變頻的方法,將eQPSK(t)分別與參考載波相乘,再經(jīng)過(guò)低通濾波來(lái)濾除載波的高頻分量,可得到同相和正交兩路信號(hào),經(jīng)抽樣判決、電平轉(zhuǎn)換后,恢復(fù)成并聯(lián)的an、bn兩路信號(hào),經(jīng)過(guò)并-串轉(zhuǎn)換后即可得到原來(lái)的比特序列[9]。
跳頻通信是通信雙方或多方在同步算法和偽隨機(jī)跳頻算法的控制下,射頻頻率在約定的頻率表(集)內(nèi)以離散頻率的形式偽隨機(jī)且同步地跳變[10]。
在發(fā)送端,輸入的信息對(duì)頻率為fc的載波進(jìn)行調(diào)制,得到調(diào)制信號(hào)。獨(dú)立產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼,即跳頻序列,從跳頻頻率表中取出頻率控制碼,控制頻率合成器在不同的時(shí)隙內(nèi)輸出頻率跳變的本振信號(hào)[11]。用它對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行變頻,使變頻后的射頻信號(hào)頻率按照跳頻序列跳變,即為跳頻信號(hào),跳頻系統(tǒng)發(fā)送端如圖1所示。
圖1 跳頻系統(tǒng)發(fā)送端Fig.1 Transmitter of frequency hopping system
在接收端,用與發(fā)送端相同的偽隨機(jī)碼控制本地頻率合成器產(chǎn)生的頻率,使之與發(fā)送端的載頻同步跳變,與接收信號(hào)混頻后進(jìn)入中頻頻帶內(nèi),將頻率搬回fc實(shí)現(xiàn)解跳[12]。解跳后的調(diào)制信號(hào),在本地載波作用下,經(jīng)解調(diào)后,恢復(fù)出信息。跳頻系統(tǒng)接收端如圖2所示。
圖2 跳頻系統(tǒng)接收端Fig.2 Receiver of frequency hopping system
由此可見(jiàn),跳頻系統(tǒng)以在一定頻段內(nèi)不斷改變發(fā)射頻率的方式,增加帶寬,躲避干擾,提高抗噪能力。
ALOHA是夏威夷人表示致意的問(wèn)候語(yǔ),這項(xiàng)研究計(jì)劃的目的是要解決夏威夷群島之間的通信問(wèn)題。ALOHA協(xié)議或稱(chēng)ALOHA網(wǎng),是世界上最早的無(wú)線(xiàn)電計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)。
協(xié)議原理如下:發(fā)送端發(fā)完數(shù)據(jù)后進(jìn)入等待狀態(tài),如果接收到來(lái)自接收端“確認(rèn)字符(acknowledge character,ACK)”信息,表示傳輸成功,進(jìn)而傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包;如果“確認(rèn)字符”未到達(dá),發(fā)送端等待固定時(shí)間后,再次重新傳輸這個(gè)數(shù)據(jù)包。用戶(hù)可以選擇重新傳輸次數(shù)(默認(rèn)4次),如果重新傳輸還是失敗,發(fā)送端將轉(zhuǎn)到下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。
通過(guò)將標(biāo)識(shí)標(biāo)頭與每個(gè)數(shù)據(jù)包一起封裝,實(shí)現(xiàn)了上述ALOHA協(xié)議。標(biāo)頭由目標(biāo)地址、源地址、ACK標(biāo)志、數(shù)據(jù)包ID、同步標(biāo)志等組成。然后在每個(gè)有效負(fù)載的開(kāi)頭追加標(biāo)頭,每個(gè)數(shù)據(jù)包排隊(duì),并為每個(gè)成功的ACK發(fā)送一個(gè)接一個(gè)的數(shù)據(jù)包。
發(fā)送端將數(shù)據(jù)進(jìn)行MPSK調(diào)制后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去,經(jīng)過(guò)信道干擾與人為干擾后,接收端接收到信號(hào)并解調(diào)出信息;接收端在正確收到數(shù)據(jù)后會(huì)發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)“ACK”,發(fā)送端只有在收到正確反饋后才會(huì)進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送,若等待超時(shí),則重新發(fā)送此包。當(dāng)重發(fā)次數(shù)大于給定的次數(shù),則為了保證系統(tǒng)傳輸有效性,轉(zhuǎn)而發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。傳輸系統(tǒng)框圖如圖3所示。
圖3 傳輸系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of transmission system
發(fā)送端從指定的文件路徑中讀取文件后,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行截取,每次截取200個(gè)字符,并進(jìn)行包封裝,然后將封裝的數(shù)據(jù)包送到調(diào)制處進(jìn)行MPSK調(diào)制,再將調(diào)制的信號(hào)通過(guò)跳頻技術(shù)發(fā)射。此后,如果發(fā)送端接收到了接收端發(fā)送的ACK回執(zhí),則繼續(xù)發(fā)送下個(gè)數(shù)據(jù)包;如果沒(méi)有收到,則重傳本次數(shù)據(jù)包。若在規(guī)定最大的重傳次數(shù)內(nèi)未收到回執(zhí),則放棄此數(shù)據(jù)包,進(jìn)行下個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送。發(fā)送端流程圖如圖4所示。
圖4 發(fā)送端流程圖Fig.4 Flow chart of transmitter
接收端等待接收數(shù)據(jù),當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的MPSK解調(diào),并在數(shù)據(jù)包相應(yīng)位置檢查IP地址是否為發(fā)送端,如果不符合便直接丟棄此數(shù)據(jù)包,繼續(xù)等待;如果符合,則發(fā)送ACK回執(zhí)給發(fā)送端,并計(jì)算前后兩個(gè)成功接收包的序號(hào)之差,從而判斷是否需要填充數(shù)據(jù)以及儲(chǔ)存數(shù)據(jù)包中的信息。最后收到有末尾結(jié)束標(biāo)志的數(shù)據(jù)包結(jié)束等待,將所有緩存數(shù)據(jù)寫(xiě)入文件,從而可以計(jì)算誤碼率,接收端流程圖如圖5所示。
圖5 接收端流程圖Fig.5 Flow chart of receiver
為了更好地體現(xiàn)設(shè)計(jì)基于A(yíng)LOHA協(xié)議的跳頻抗干擾模型的魯棒性,選取了多組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
首先設(shè)置傳輸初始參數(shù):選取1 000 000個(gè)字符,IQ Rate設(shè)置為800 kHz,發(fā)射功率與干擾功率分別為5 dBm和9 dBm,數(shù)據(jù)包的最大重傳次數(shù)設(shè)置為4次。
由于空間中存在各種各樣的電磁干擾,會(huì)對(duì)發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生不可估計(jì)的影響,為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測(cè)量,然后取平均值,得到最終的定、跳頻對(duì)比組誤碼率如表1所示。
表1 定、跳頻對(duì)比組誤碼率Tab.1 Bit error rate of fixed-frequency and frequency-hopping comparison group
在定頻傳輸實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)于88~108 MHz中不同的頻點(diǎn),除了已有的廣播電臺(tái)的干擾,人為加入了一定功率的相應(yīng)頻率干擾,故其信號(hào)傳輸受到較大影響,誤碼率升高。例如88 MHz、99 MHz這些頻點(diǎn),由于頻率與電臺(tái)頻率非常接近,信道串?dāng)_較為嚴(yán)重,故其誤碼率很高。而對(duì)于94 MHz、96 MHz這些頻點(diǎn),其頻率與電臺(tái)頻率頻差較大,受電臺(tái)影響小,但由于人為加入的干擾,其誤碼率雖然降低,但仍不夠理想。
而在跳頻傳輸實(shí)驗(yàn)中,由于發(fā)射頻率在88~108 MHz之間不斷跳變,且跳變速率快,傳輸帶寬很大,抗噪性好,受定頻干擾的影響很小,故其傳輸可靠性高,誤碼率小,達(dá)到10-4數(shù)量級(jí),較為理想。
綜上所述,本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的跳頻傳輸?shù)目垢蓴_性能比定頻傳輸好,通信系統(tǒng)的可靠性更高。
在實(shí)驗(yàn)3.1部分,已經(jīng)得出跳頻傳輸?shù)目垢蓴_性能比定頻傳輸要好,所以在此實(shí)驗(yàn)中,皆采用跳頻傳輸方式。為更好體現(xiàn)ALOHA協(xié)議對(duì)通信系統(tǒng)可靠性的提升,提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性,使用不同的干擾功率進(jìn)行跳頻干擾測(cè)試。
設(shè)置傳輸基本參數(shù)與實(shí)驗(yàn)3.1部分基本一致,唯一不同在于本組對(duì)比實(shí)驗(yàn)采用了-3 dBm、1 dBm、5 dBm、9 dBm、13 dBm五種功率的干擾。
同樣,為了使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確,對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測(cè)量,然后取平均值,得到最終的有無(wú)ALOHA協(xié)議對(duì)比組誤碼率如表2所示、其傳輸誤碼率曲線(xiàn)圖如圖6所示。
表2 有無(wú)ALOHA協(xié)議對(duì)比組誤碼率Tab.2 Bit error rate with and without ALOHA protocol comparison group
圖6 有無(wú)ALOHA協(xié)議的傳輸誤碼率曲線(xiàn)圖Fig.6 Diagrams of transmission bit error rate with or without ALOHA protocol
當(dāng)不使用ALOHA協(xié)議時(shí),由于干擾引起的接收端數(shù)據(jù)丟失,導(dǎo)致其誤碼率增大。而使用ALOHA協(xié)議時(shí),如果接收端數(shù)據(jù)包丟失,則發(fā)送端會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)包,即重傳機(jī)制,這樣就保證了接收端數(shù)據(jù)的完整性,使誤碼率降低,達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)。
綜上所述,使用ALOHA協(xié)議進(jìn)一步提高了通信系統(tǒng)的可靠性。
本文基于LabVIEW和USRP軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái),提出了一種使用ALOHA協(xié)議的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,使用ALOHA協(xié)議的跳頻抗干擾傳輸系統(tǒng)在人為干擾的環(huán)境下,誤碼率仍可達(dá)到10-4數(shù)量級(jí),證明了其抗干擾性好,通信可靠性高,在軍事通訊,無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。