米捷

河南工程學院 計算機學院，河南 鄭州 451191

0 引言

目前，多信道跳頻通信系統(tǒng)被廣泛應用于短波通信、遠程衛(wèi)星通信、艦載通信等領域，對多信道跳頻通信系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，可實現(xiàn)遠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，導致其輸出穩(wěn)定性較差.因此，需要對該系統(tǒng)進行信道均衡控制，并結合異常跳變識別實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出的均衡調節(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節(jié)基礎上，結合波束調節(jié)和反饋調制，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制方法、多通道波束形成方法、分數(shù)間隔均衡調制方法、高階譜識別方法等.此外，文獻[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[5]提出了基于同步字頭法與并行捕獲相結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)分析結果，定位異常跳變節(jié)點，提高了對異常跳變的識別和定位的精度.但該方法在進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，本文擬基于自適應反饋信道調制設計一種新的多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法，在構建系統(tǒng)信道模型的基礎上，建立信道反饋均衡控制模型，再通過擴頻處理提高信道的輸出增益，繼而根據(jù)信道的差異特征點提取結果來實現(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建

為了實現(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)調制方法設計通信信道，再結合多陣元節(jié)點融合方法對接收的信號進行時延參數(shù)估計[6].在此基礎上，通過空間信道均衡調度方法檢測脈沖回波，根據(jù)檢測結果分析多信道跳頻通信的異常跳變特征，構建信道傳輸模型，再結合空間信道均衡方法進行系統(tǒng)的輸出轉換控制，根據(jù)直接序列擴頻后序列的信道輸出增益[7].

1.1 信道線性調頻濾波與均衡

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.通過直接序列擴頻完成對多信道跳頻通信系統(tǒng)頻譜輸出穩(wěn)定性的調節(jié)，再根據(jù)時延參數(shù)調節(jié)得到線性調頻濾波結構，如圖1所示，其中，每個接收陣元均可單獨進行自相關匹配處理[8].在此基礎上，采用直接序列擴頻方法實現(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，通過干擾抑制和調頻回波檢測完成信道的均衡調制，以提高輸出均衡性.

圖1 線性調頻濾波結構Fig.1 Linear FM filter structure

1.2 信道均衡模型

在上述構建的多信道跳頻通信系統(tǒng)的信道模型基礎上，通過誤碼補償?shù)姆椒▽崿F(xiàn)對信道的均衡設計，得到系統(tǒng)異常跳變的傳輸信號迭代式為

其中，D(t)表示均衡調制補償函數(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，得到調頻信號p(t)的頻譜.假設碼元的解擴寬度為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).結合通信信號的能譜信息，通過信道沖激響應調節(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)點的多徑增益濾波和分集均衡處理得到偏轉信息.在傳感陣列中，若系統(tǒng)的第m個傳感節(jié)點接收到多普勒頻移，則通信信道的脈沖沖激響應函數(shù)為

其中，si(t)表示通信傳輸節(jié)點的多徑增益，xm(t)表示偏轉信息，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現(xiàn)分集均衡調度，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,即實現(xiàn)了對信道跳頻通信信道均衡模型的構建.

2 異常跳變識別流程設計

2.1 異常跳變特征檢測

本文基于自適應反饋信道調制設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上，通過自適應參數(shù)調節(jié)方法進行系統(tǒng)的均衡調節(jié)，然后基于二進制相移鍵控(BPSK)盲信道解調方法[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.結合擴頻函數(shù)，通過直接序列擴頻得到擴頻輸出結果為

D(t)=Tc×C×β

其中，Tc表示調節(jié)參數(shù)，β表示系統(tǒng)的均衡調節(jié)系數(shù).根據(jù)多信道跳頻通信信道的時變特性進行異常跳變識別[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)

對本地產生的偽隨機序列碼進行信道補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.結合隨機序列重組，得到異常跳變檢測輸出結果為

2.2 跳變識別定位

多信道跳頻通信系統(tǒng)節(jié)點發(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.結合跳變特征量的載頻分量，通過帶寬濾波檢測和擴頻處理提高信道輸出增益，再根據(jù)信道的差異特征點提取結果實現(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)特征檢測結果，結合信號檢波分析進行系統(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 仿真與結果分析

為驗證本文設計的多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別方法的實際應用性能，設計如下仿真實驗加以驗證.

假設通信系統(tǒng)的節(jié)點輻射半徑為50 m，信道的傳輸帶寬為120 kb/s，擴頻時延為0.25 ms，干擾強度為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.

當節(jié)點輻射半徑為31～40 m 時，利用本文方法對圖2所示的通信信號進行異常跳變識別，結果如圖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，當節(jié)點輻射半徑為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.該方法的沖激響應增益較大，可有效提高對異常跳變定位識別的準確性.其原因在于該方法通過自適應參數(shù)的調節(jié)實現(xiàn)了對通信系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)辨識，再根據(jù)信道差異特征點提取結果實現(xiàn)了對異常跳變信息的準確識別.

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

為進一步驗證本文方法的應用性能，且避免測試結果的單一性，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合的雙通道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變捕獲方法[5]進行性能對比測試，結果如表1所示.

由表1可知，隨著實驗迭代次數(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)的信息傳輸質量.

表1 多信道跳頻通信系統(tǒng)誤碼率測試

4 結語

本文基于自適應反饋信道調制設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；然后在均衡調節(jié)的基礎上，通過BPSK盲信道解調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.仿真結果表明，利用本方法進行多信道跳頻通信系統(tǒng)異常跳變識別的準確性較好、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一步優(yōu)化.