（通信与信息系统专业论文）基于map检测的差分跳频通信系统最佳接收方案研究.pdf

中文摘要 数字通信系统接收机是目 前通信理论研究的核心领域之一， 数字通信信号处 理算法随 着科学研究的 不断深入正 在逐步丰富起来。 其中， 最大后验概 率( m a p ) 算法以 其充分的数学理论依据在通信信号处理算法的大家族中始终处在倍受关 注的地位。 t u r b o 码的出现可以说是对ma p算法优越性的最强有力证明。t u r b o 码提出 之后，国 外已 经开始研究m a p 算法在有码间串 扰( i s i ) 信道和d p s k通信 系统接收机中的应用。 主要由多径传播和带宽有限引起的码间串扰使无线通信信 道可以归为有记忆信道， 这时接收机收到的信号可以建模为ma r k o v 信源的输出， 从而将问题归结为 ma r k o v信源的检测问题，这就使 ma p算法的应用获得了契 机。查阅大量资料之后发现国内在该 领域的研究尚处于开始阶段，因此ma p 算 法在数字通信系统接收机中的应用研究被选为本文的研究核心。 本课题的另一个 主要研究内容是差分跳频通信系统。 该系统的一个特点是发射机发送信号的频率 序列符合m a r k o v随机过程，由 此可以 预见将ma p算法应用在其接收机设计中 的将极大提高系统的性能。 综上所述， 本文为差分跳频通信系统提出了一种全新的接收机设计方案 基于m a p检测的差分跳频通信系统数字接收机。这是首次将ma p算法应用于 该系统上。仿真结果证明，在频率集为6 4个频点的差分跳频通信系统中，相对 于传统接收机，新型接收机至少可以获得 3 d b的增益。此外，还得出结论，引 入ma p 检测的接收机可以弥补传统接收机的一大不足，新型接收机的性能不再 受频率集大小的制约。 最后， 本文还对该算法进行了改进，目的是能够降低复杂 度， 使其对硬件要求有所降低， 同时性能保持不变。 综合本文的讨论和最后结果， 该接收机设计方案切实可行，并具有很深的理论意义。 关键词: m a p 检测 最小符号错误概率 最小比 特错误概率 最佳接收机 差分 跳频 abs tract d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m r e c e i v e r i s o n e o f t h e c e n t r a l fi e l d s o f r e s e a r c h o n c o m m u n i c a t i o n t h e o ry , a n d a l g o r i t h m s f o r s i g n a l p r o c e s s i n g o f d i g i t a l c o m m u n i c a t i o n a r e e n r i c h e d s t a g e b y s t a g e a l o n g w i t h t h e d e v e l o p m e n t o f s c i e n c e a n d t e c h n o l o g y . d e p e n d i n g o n t h e s u ff i c i e n t m a t h e m a ti c a l t h e o ry , t h e m a p a l g o r i t h m h as b e e n f o c u s e d o n a l l a l o n g a m o n g t h e g r e a t f a m i l y o f a l g o r i t h m s f o r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . t h e p e r f o r m a n c e o f t u r b o c o d e s c a n b e re g a r d e d as t h e m o s t p o w e r f u l e v i d e n c e s u p p o r t in g t h e s u p e r io r it y o f m a p a l g o r it h m. a f t e r t h e e m e r g e n c e o f t u r b o c o d e s , r e s e a r c h e r s i n o t h e r c o u n t r i e s h a v e i n v e s t i g a t e d t h e a p p li c a t i o n o f m a p a l g o r i t h m t o t h e c h a n n e l w i t h i s i o r d p s k s y s t e m . wir e l e s s c h a n n e l s w i t h i s i p r im a r i l y c a u s e d b y m u l ti p a t h t r a n s m i s s i o n a n d l i m i t e d b a n d w i d t h c a n b e c l as s i fi e d as c h a n n e l s w i t h m e m o ry , a n d t h e r e c e i v e d s i g n a l c a n a c c o r d in g l y b e m o d e l e d as t h e o u t p u t o f a ma r k o v s o u r c e . i n t h i s w a y , t h i s p r o b l e m e s s e n t ia l ly i s d e t e c t i o n o f ma r k o v s o u r c e , w h i c h b e c o m e s a g r e a t o p p o r t u n i t y o f t h e a p p l i c a t i o n o f m a p a l g o r i t h m . h a v i n g r e f e r e d l o t s o f r e l e v a n t d a t a , w e f o u n d t h a t r e s e a r c h i n t h i s f i e l d i s s t i l l i n i t s i n c i p i e n c e c o n s i d e r i n g t h e a b o v e , w e - c h o o s e t h e a p p l i c a t i o n o f m a p a l g o r i t h m t o d ig it a l c o m m u n i c a t i o n r e c e i v e r as t h e k e r n e l o f o u r r e s e a r c h . t h e o t h e r i n t e g r a l p a r t o f o u r r e s e a r c h i s d i ff e re n t i a l fr e q u e n c y h o p p i n g ( d f h ) c o m m u n i c a t i o n s y s t e m . o n e o f t h e i m p o rt a n t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h i s s y s t e m i s t h e fr e q u e n c y s e q u e n c e o f t h e t r a n s m i tt e d s i g n a l s i s a m a r k o v s t o c h a s t i c p r o c e s s , w h i c h m e a n s g r e a t i m p r o v e m e n t i n p e r f o r m a n c e c a n b e a c h i e v e d b y a p p l y i n g m a p a lg o r i t h m t o t h i s s y s t e m . b as e d o n t h e f a c t s m e n t i o n e d a b o v e , w e p r o p o s e a b r a n d - n e w d e s i g n s c h e m e f o r t h e re c e i v e r o f d f h s y s t e m -d f h o p t i m u m r e c e i v e r b as e d o n m a p d e t e c t i o n t h i s i s t h e fi r s t t i m e t o e m p l o y m a p a l g o r it h m i n t h i s s y s t e m . t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s h o w s t h a t c o m p a r i n g w it h t h e t r a d i t i o n a l r e c e i v e r w i t h 6 4 fr e q u e n c y p o i n t s t h e n e w o n e c a n a c h i e v e 3 d b a t l e as t . mo re o v e r , t h e n e w r e c e i v e r c a n m a k e u p f o r a n o b v i o u s d i s a d v a n t a g e o f t h e t r a d i t i o n a l o n e , w h i c h s u ff e r s p e r f o r m a n c e d e g r a d a t i o n fr o m t h e i n c r e as e i n t h e n u m b e r o f fr e q u e n c y p o i n t . 玩t h e e n d , w e m o d i fi e d t h e a l g o r i t h m w i t h o u t a n y l o s s i n p e r f o r m a n c e s o as t o l o w e r t h e c o m p le x i t y . t h r o u g h t h e d i s c u s s i o n a n d re s u l t o f t h i s t h e s i s , t h e s c h e m e o f t h e n e w r e c e i v e r i s p r a c t i c a b l e , a n d it i s i t s g re a t t h e o re t i c a l s i g n i fi c a n c e t h a t c h a r a c t e r i z e s t h e r e s e a r c h . k e y wo r d s : m a p d e t e c t i o n , m i n i m u m s y m b o l e r r o r r a t e , mi n i m u m b i t e r r o r r a t e , o p t i m u m. r e c e iv e r , d i ff e re n t i a l f re q u e n c y h o p p i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果， 除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人己经发表 或撰 写 过的 研究 成果， 也不 包含为 获 得 进 目经色或其他教育 机构的 学 位或证书 而使用过的 材料。 与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作 了明确的说明并表示了谢意。 签 字 日 期 : j - y年 8 月 冷 日 硫|. 郑 学位论文作者签名 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 - al生大生 有关保留、 使用学位论文的规定。 特授权 迎 匕 可以 将学位论文的 全部或部分内 容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、 汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 日 痛邵海尹 学 位 论 文 作 者 签 名 : 许 签 字日 期: 令 骨 ， 井年 含月 导师签名: 签 字 日 期 : q 年9月 矿 日 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪 论 1 . 1 本课题的研究目的和意义 长久以来， 数字通信系统最佳接收机的设计一直是理论研究者最为关注的问 题。在该研究领域中， 最为重要的就是各种数字调制懈调/ 检测、 信道编码/ 译码 方案的研究。 在无线与移动通信高速发展的今天， 更加有效的利用各种系统资源 是非常重要的问题， 如无线频率、电源、 传输时间等等。 为达到这些目 的并获得 较为满意的系统性能， 必须依赖于复杂的 通信信号处理算法。 差分跳频( d f h ) 通 信系统作为一种新型的扩频通信系统，为人们提供了一种全新的数字调制/ 扩频 概念， 它的特点在于信息携带的方式不同于传统的跳频技术， 将信息数据直接融 入了 跳频图案当中。 差分跳频利用发送的数据使调制信号具有一定的相关性， 从 而使得该系统在抗干扰性能上具有常规跳频通信系统所不具备的优势， 因此差分 跳 频的 提出 使得 跳频通 信技术 产生了 历史 性的 飞 跃 1 1 2 1 3 1 。 差分 跳频的 重 要意义 以 及它所采用的特殊调制/ 扩频方式，使其最佳接收机设计不仅成为一项有意义 的研究课题，更成为一个富有挑战性的工作。 目 前已提出的基于 f f t算法的接收方案虽然能完成对差分跳频信号的解调 和检测，但是这种方式并非最佳接收方案。原因有以下两点: 1 )前面已 经提出， 差分跳频信号前后之间存在相关性， 基于f f t 的 接收方 案忽略了信号的相关性， 在恢复信息数据时必然会丢失一定的信息， 使得系统的 性能下降; 2 )基于f f t 的接收方案最终从检测器中 输出的是硬判决符号， 这种硬判决 符号如果被信道译码器用于译码又会丢失一部分信息，造成接收机整体性能下 降。 理 论 上己 经证 明， 软 判 决 译 码的 性能 高 于 硬 判决 译 码2 - 3 d b 5 116 1 . 基于最大似然序列检测的接收机设计方案虽然在一定程度上利用了差分跳 频信号的相关性， 但是它仍然使用硬判决， 并且只能为接收序列选择最相似的发 送序列，而不能从为每一个符号或比 特计算后验概率。 本课题的 研究目 的 就在于为差分跳频通信系统设计出 最佳接收机， 这里所说 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 第一章 绪 论 1 . 1 本课题的研究目的和意义 长久以来， 数字通信系统最佳接收机的设计一直是理论研究者最为关注的问 题。在该研究领域中， 最为重要的就是各种数字调制懈调/ 检测、 信道编码/ 译码 方案的研究。 在无线与移动通信高速发展的今天， 更加有效的利用各种系统资源 是非常重要的问题， 如无线频率、电源、 传输时间等等。 为达到这些目 的并获得 较为满意的系统性能， 必须依赖于复杂的 通信信号处理算法。 差分跳频( d f h ) 通 信系统作为一种新型的扩频通信系统，为人们提供了一种全新的数字调制/ 扩频 概念， 它的特点在于信息携带的方式不同于传统的跳频技术， 将信息数据直接融 入了 跳频图案当中。 差分跳频利用发送的数据使调制信号具有一定的相关性， 从 而使得该系统在抗干扰性能上具有常规跳频通信系统所不具备的优势， 因此差分 跳 频的 提出 使得 跳频通 信技术 产生了 历史 性的 飞 跃 1 1 2 1 3 1 。 差分 跳频的 重 要意义 以 及它所采用的特殊调制/ 扩频方式，使其最佳接收机设计不仅成为一项有意义 的研究课题，更成为一个富有挑战性的工作。 目 前已提出的基于 f f t算法的接收方案虽然能完成对差分跳频信号的解调 和检测，但是这种方式并非最佳接收方案。原因有以下两点: 1 )前面已 经提出， 差分跳频信号前后之间存在相关性， 基于f f t 的 接收方 案忽略了信号的相关性， 在恢复信息数据时必然会丢失一定的信息， 使得系统的 性能下降; 2 )基于f f t 的接收方案最终从检测器中 输出的是硬判决符号， 这种硬判决 符号如果被信道译码器用于译码又会丢失一部分信息，造成接收机整体性能下 降。 理 论 上己 经证 明， 软 判 决 译 码的 性能 高 于 硬 判决 译 码2 - 3 d b 5 116 1 . 基于最大似然序列检测的接收机设计方案虽然在一定程度上利用了差分跳 频信号的相关性， 但是它仍然使用硬判决， 并且只能为接收序列选择最相似的发 送序列，而不能从为每一个符号或比 特计算后验概率。 本课题的 研究目 的 就在于为差分跳频通信系统设计出 最佳接收机， 这里所说 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 的最佳可以 是最小符号错误概率和最小比 特错误概率两种意义上的最佳。 同时本 文所提出的算法能够从根本上解决现有方案的缺陷， 不仅充分利用了差分跳频信 号间的相关信息， 而且为进一步差分跳频信道编码方案的设计提供了非常优越的 前提条件。 因为， 如果在检测器中不使用最大后验概率似然比对发送数据做硬判 决， 就可以为编码数据给出 一个软判决信息， 给出这种编码数据软信息的意义有 以下两点: 1 )由 于 检测器给出 软输出， 所以 信道编码方案的设计可以 采用基于软判决 的 迭代译码方案， 可选择的 编码方案有串 / 并行级连码( s c c / p c c ) ， 低密度奇偶校 验 码 ( l d p c ) 16 1 ， 从 而 可 进 一 步 提 高 系 统的 性 能; 2 )由 于检测器给出 软输出，可以 考虑将迭代译码的思想进行扩展，实现联 合迭代解调 译码。 联合迭代解调译码已 经成为数字通信最佳接收机设计的一种潮 流，它的主要思想来源于迭代译码。迭代译码最具有代表性的成果就是 1 9 9 3 年 由c . b e r r o u 等 在 8 1 提出 的 并行 级连卷积 码 ( p c c c ) ， 亦称t u r b o 码。 基于 最 大后验概率的迭代译码的成果还有文献 9 1 0 1 。联合迭代解调译码在差分 p s k ( d p s k ) 系统中已 经证明有不错性能。 p e l e g 和s h a m a i 在 1 9 %年的文章 1 1 以 及h o e h e r 在 1 9 9 9的 文章 1 2 1 中 分别针对d p s k在高 斯白 噪声 信道 ( a w g n c h a n n e l ) 和时 变衰落信道上 提出了 联合迭代解调 译码方案。 1 .2 本文所采用的设计方法及创新点 1 . 2 . 1 设计方法 差分跳频通信系统工作在短波频段( 2 - 3 0 m h z ) ， 跳频速率为5 0 0 0 跳2 秒。 跳 频带宽为2 .5 6 mh z ,跳频频率集点数可以为 1 6 , 6 4 等。系统数据传输速率随着 每跳比 特数的 不同 而不同， 比 如l b i t / h ( 每跳1 比 特) ， 则数据传输速率为4 . 8 k b p s . 每跳比 特数与跳频图 案的扇出系数有关， 即下一跳可能的频点数。 设扇出系数为 .f ， 每 跳比 特数 为1 ， 则 它 们之间的 关系为1 = 1 0 9 2 f 。 本文所提出的 接收 机设 计 方案将不受跳频频率集和每跳比特数的限制， 也就是说这两个参数可以 在系统要 求的数据传输速率下任选。 首先， 设计差分跳频通信系统最佳接收机方案必须对其调制方式进行深入地 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 的最佳可以 是最小符号错误概率和最小比 特错误概率两种意义上的最佳。 同时本 文所提出的算法能够从根本上解决现有方案的缺陷， 不仅充分利用了差分跳频信 号间的相关信息， 而且为进一步差分跳频信道编码方案的设计提供了非常优越的 前提条件。 因为， 如果在检测器中不使用最大后验概率似然比对发送数据做硬判 决， 就可以为编码数据给出 一个软判决信息， 给出这种编码数据软信息的意义有 以下两点: 1 )由 于 检测器给出 软输出， 所以 信道编码方案的设计可以 采用基于软判决 的 迭代译码方案， 可选择的 编码方案有串 / 并行级连码( s c c / p c c ) ， 低密度奇偶校 验 码 ( l d p c ) 16 1 ， 从 而 可 进 一 步 提 高 系 统的 性 能; 2 )由 于检测器给出 软输出，可以 考虑将迭代译码的思想进行扩展，实现联 合迭代解调 译码。 联合迭代解调译码已 经成为数字通信最佳接收机设计的一种潮 流，它的主要思想来源于迭代译码。迭代译码最具有代表性的成果就是 1 9 9 3 年 由c . b e r r o u 等 在 8 1 提出 的 并行 级连卷积 码 ( p c c c ) ， 亦称t u r b o 码。 基于 最 大后验概率的迭代译码的成果还有文献 9 1 0 1 。联合迭代解调译码在差分 p s k ( d p s k ) 系统中已 经证明有不错性能。 p e l e g 和s h a m a i 在 1 9 %年的文章 1 1 以 及h o e h e r 在 1 9 9 9的 文章 1 2 1 中 分别针对d p s k在高 斯白 噪声 信道 ( a w g n c h a n n e l ) 和时 变衰落信道上 提出了 联合迭代解调 译码方案。 1 .2 本文所采用的设计方法及创新点 1 . 2 . 1 设计方法 差分跳频通信系统工作在短波频段( 2 - 3 0 m h z ) ， 跳频速率为5 0 0 0 跳2 秒。 跳 频带宽为2 .5 6 mh z ,跳频频率集点数可以为 1 6 , 6 4 等。系统数据传输速率随着 每跳比 特数的 不同 而不同， 比 如l b i t / h ( 每跳1 比 特) ， 则数据传输速率为4 . 8 k b p s . 每跳比 特数与跳频图 案的扇出系数有关， 即下一跳可能的频点数。 设扇出系数为 .f ， 每 跳比 特数 为1 ， 则 它 们之间的 关系为1 = 1 0 9 2 f 。 本文所提出的 接收 机设 计 方案将不受跳频频率集和每跳比特数的限制， 也就是说这两个参数可以 在系统要 求的数据传输速率下任选。 首先， 设计差分跳频通信系统最佳接收机方案必须对其调制方式进行深入地 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 的最佳可以 是最小符号错误概率和最小比 特错误概率两种意义上的最佳。 同时本 文所提出的算法能够从根本上解决现有方案的缺陷， 不仅充分利用了差分跳频信 号间的相关信息， 而且为进一步差分跳频信道编码方案的设计提供了非常优越的 前提条件。 因为， 如果在检测器中不使用最大后验概率似然比对发送数据做硬判 决， 就可以为编码数据给出 一个软判决信息， 给出这种编码数据软信息的意义有 以下两点: 1 )由 于 检测器给出 软输出， 所以 信道编码方案的设计可以 采用基于软判决 的 迭代译码方案， 可选择的 编码方案有串 / 并行级连码( s c c / p c c ) ， 低密度奇偶校 验 码 ( l d p c ) 16 1 ， 从 而 可 进 一 步 提 高 系 统的 性 能; 2 )由 于检测器给出 软输出，可以 考虑将迭代译码的思想进行扩展，实现联 合迭代解调 译码。 联合迭代解调译码已 经成为数字通信最佳接收机设计的一种潮 流，它的主要思想来源于迭代译码。迭代译码最具有代表性的成果就是 1 9 9 3 年 由c . b e r r o u 等 在 8 1 提出 的 并行 级连卷积 码 ( p c c c ) ， 亦称t u r b o 码。 基于 最 大后验概率的迭代译码的成果还有文献 9 1 0 1 。联合迭代解调译码在差分 p s k ( d p s k ) 系统中已 经证明有不错性能。 p e l e g 和s h a m a i 在 1 9 %年的文章 1 1 以 及h o e h e r 在 1 9 9 9的 文章 1 2 1 中 分别针对d p s k在高 斯白 噪声 信道 ( a w g n c h a n n e l ) 和时 变衰落信道上 提出了 联合迭代解调 译码方案。 1 .2 本文所采用的设计方法及创新点 1 . 2 . 1 设计方法 差分跳频通信系统工作在短波频段( 2 - 3 0 m h z ) ， 跳频速率为5 0 0 0 跳2 秒。 跳 频带宽为2 .5 6 mh z ,跳频频率集点数可以为 1 6 , 6 4 等。系统数据传输速率随着 每跳比 特数的 不同 而不同， 比 如l b i t / h ( 每跳1 比 特) ， 则数据传输速率为4 . 8 k b p s . 每跳比 特数与跳频图 案的扇出系数有关， 即下一跳可能的频点数。 设扇出系数为 .f ， 每 跳比 特数 为1 ， 则 它 们之间的 关系为1 = 1 0 9 2 f 。 本文所提出的 接收 机设 计 方案将不受跳频频率集和每跳比特数的限制， 也就是说这两个参数可以 在系统要 求的数据传输速率下任选。 首先， 设计差分跳频通信系统最佳接收机方案必须对其调制方式进行深入地 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 了 解。 经 过 研究以 及 查阅 文 献 1 2 3 1 3 ， 并 根 据 5 对 有 记 忆 调 制的 定 义， 最 后将差分跳频调制信号建模成为一种有记忆的m f s k信号。 它的前后记 忆是由 所发送的数据和前一次的跳频信号的频率所共同引入的， 两者决定了下一个跳频 信号的频率。 该特点使得差分跳频通信系统的调制器可以等效为一个马尔可夫信 源， 因此可以采用网格图来描述这种调制方式。 从数学描述来看， 差分跳频信号 可以采用mf s k信号的数学表达式。 其次， 由于差分跳频的高跳速以及短波信道的多径效应， 接收信号的相位是 随机的，因 此在接收机中采用非相千解调。本文采用了正交 m f s k信号的 非相 千解调， 根据【 1 4 对正交信号的定义，使差分跳频信号成为正交信号是可以 实 现 的 ， 只要系 统 在频点 分配上满足【 1 4 提出 的 要求即 可。 例如， 差分 跳 频 通 信系 统 的 跳速为5 0 0 0 m秒， 对非相干解调来说， 只要满足各跳频信号的载波频率间隔 为5 n k h z 即可( n 为正整数) 。 即使不用n y q u i s t 最小带宽传输信号，令 每个瞬时 跳频 信号带宽 为w = r s = 5 k h z ，当二2 时， 因 为2 . 5 6 m h z / ( 5 k r z 十 5 k h z ) = 2 5 6 , 所以 最多可以分配2 5 6 个频点， 足以 满足实际应用的需要。 另外， 差分跳频通信 系统发出的相邻符号之间存在相关性， 因此它决定了接收机必须在接收到一组符 号序列之后， 才能对其每一个元素或发送数据的最大后验概率进行计算， 这样才 能 使 得 接 收 机 方 来 满 足 最 佳 标 准 因 此， 本 文 采 用了 基 于m a p 的 检 测 方 案。 基于以上两点分析， 本文提出了一种新型的差分跳频接收机设计方案， 其中 包括解调和检测方案及算法， 并首次将逐符号最大后验概率思想应用到差分跳频 通信系统的 检测中， 并推导出 适合于差分跳频通信系统的m a p 检测算法。 此外， 考虑到这套算法的高复杂度， 为便于在实际系统用的应用， 本文还对该算法进行 了改进，在降低复杂性的同时保证性能不受损失。ma p算法最初被应用于信道 译码，用于能够用网格图表示的编码，比如卷积码。这种译码算法后来被称作 b c j r 算法， 见 1 5 . 最后将采用m o n t e c a r l 。 方法在m a t l a b上对本文提出的 算法进行 仿真， 并将结果与基于 f f t检测和基于最大似然序列检测的两种方案进行了比较，对 比 较结果进行了详细地分析和讨论， 结果是本文提出的接收机设计方案可以比其 他两种在性能上分别至少提高3 d b和1 d b a 由 于本文所做的研究工作在相关领域内尚 属首次， 而且主要集中在理论算法 方面，因此现阶段的研究成果是基于a wg n信道的。 虽然差分跳频通信系统的 工作环境是在短波信道，该信道从传输特性上可以认为是频率选择性慢衰落信 道，但本文的研究成果仍具有很高的实用价值。原因有以下两点: 1 )均衡技术可以改善短波信道的频率选择性衰落，比 如 g s m系统 所采用 狗v i t e r b i 均衡器; 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 2 )由 于具备很高的跳频速率， 差分跳频作为扩频通信技术本身就可以 抵抗 频率选择性衰落; 当然， 该方案在衰落信道中的 应用研究也很有意义， 并且被选为本文的后续 研究方向 之一，现正在进行中。 此外，本文所设计的接收机是基于ma p 检测的， 该系统不但能够实现最大 后验概率符号检测( m a p s d ) 还能够实现最大后验概率比 特检测( m a p b d ) ，它们 对应着该系统两种意义上的最佳。这两种检测分别在获得系统符号错误概率 ( s e r ) 和比 特错误概率( b e r ) 下限时非常有用， 因 此本文的成果更集中 地体现在其 理论价值方面。 1 . 2 .2 创新点 1 )为差分跳频通信系 统提出 一种全新的 接收机设计方案， 并从数学上推导 出相应的算法， 这是在差分跳频通信系统上首次实现的最小符号错误概率和最小 比 特错误概率意义上的 最佳方案及算法: 2 )为降 低算法复杂 度对算法进行了改 进，同 时 保证系统性能基本不变; 3 )通过m o n t e c a r l 。 方法利用m a t l a b 进行仿真， 证明了 该方案优于差分 跳频的传统接收机设计方案，以6 4 频点为例，在其它条件 ( 包括信道、每跳比 特数， 跳频图案) 相同的前 提下性能至少可以 提高3 d b ;随频率集增大， 性能提 高将更为明显， 这一点本文也给出了 分析: 此外， 本文将最大后验概率检测和最 大似然序列检测两种方案进行了比较，结果为前者性能比后者至少高1 d b . 天津大学硕士学位论文第一章 绪论 2 )由 于具备很高的跳频速率， 差分跳频作为扩频通信技术本身就可以 抵抗 频率选择性衰落; 当然， 该方案在衰落信道中的 应用研究也很有意义， 并且被选为本文的后续 研究方向 之一，现正在进行中。 此外，本文所设计的接收机是基于ma p 检测的， 该系统不但能够实现最大 后验概率符号检测( m a p s d ) 还能够实现最大后验概率比 特检测( m a p b d ) ，它们 对应着该系统两种意义上的最佳。这两种检测分别在获得系统符号错误概率 ( s e r ) 和比 特错误概率( b e r ) 下限时非常有用， 因 此本文的成果更集中 地体现在其 理论价值方面。 1 . 2 .2 创新点 1 )为差分跳频通信系 统提出 一种全新的 接收机设计方案， 并从数学上推导 出相应的算法， 这是在差分跳频通信系统上首次实现的最小符号错误概率和最小 比 特错误概率意义上的 最佳方案及算法: 2 )为降 低算法复杂 度对算法进行了改 进，同 时 保证系统性能基本不变; 3 )通过m o n t e c a r l 。 方法利用m a t l a b 进行仿真， 证明了 该方案优于差分 跳频的传统接收机设计方案，以6 4 频点为例，在其它条件 ( 包括信道、每跳比 特数， 跳频图案) 相同的前 提下性能至少可以 提高3 d b ;随频率集增大， 性能提 高将更为明显， 这一点本文也给出了 分析: 此外， 本文将最大后验概率检测和最 大似然序列检测两种方案进行了比较，结果为前者性能比后者至少高1 d b . 天津大学硕士学位论文第二章 差分跳频通信技术 第二章 差分跳频通信技术 2 . 1 扩频通信技术 差分跳频是一种新型的跳频通信技术， 并属于扩频通信范畴， 因此有必要先 介绍一下有关扩频通信的知识。 2 . 1 . 1 扩频技术概述 扩展频谱( s s ) 技术是通过扩展频谱的方法来达到抗干扰目 的的一 种通信方 式 5 111 4 通常所说的 扩频通信一般满足以 下几个条件 a , 1 )信号占 用的 带宽远远超出 发送信息所需要的 最小带宽; 2 )扩频 是由 扩频 信号 实 现的， 扩频信号 通常 称为 编码 信号， 与 数 据无关: 3 )接收 端的 解扩是 将接收到的 扩频信号与 扩频 信号的同步副 本通 过 相关完 成的。 2 . 1 . 2 扩频系统的优点 1 )千扰抑制能力强: 扩频通信系统在接收端对扩频信号进行相关处理， 即 解扩， 使扩频信号恢复 成窄带信号。 由于千扰信号与用于扩频的伪随机码不具备相关性， 并被扩展到一 个很宽的频带上， 使进入信号通频带内的干扰功率大大降低， 相应的增加了相关 器的输出信号干扰比， 因此具有很强的抗干扰能力。 扩频通信的抗干扰能力和带 宽扩展因 子成正比。 带宽 扩展因 子就是扩频通信系统的 传输带宽w和信息速率 r的比 值 5 l 。 也 就 是说， 频 谱扩展得 越宽， 抗干扰的 能 力 越强。 2 )低能量密度: 扩频信号的能量在整个频带内部分布较为稀疏且均匀， 好像“ 埋藏在噪声中 天津大学硕士学位论文第二章 差分跳频通信技术 第二章 差分跳频通信技术 2 . 1 扩频通信技术 差分跳频是一种新型的跳频通信技术， 并属于扩频通信范畴， 因此有必要先 介绍一下有关扩频通信的知识。 2 . 1 . 1 扩频技术概述 扩展频谱( s s ) 技术是通过扩展频谱的方法来达到抗干扰目 的的一 种通信方 式 5 111 4 通常所说的 扩频通信一般满足以 下几个条件 a , 1 )信号占 用的 带宽远远超出 发送信息所需要的 最小带宽; 2 )扩频 是由 扩频 信号 实 现的， 扩频信号 通常 称为 编码 信号， 与 数 据无关: 3 )接收 端的 解扩是 将接收到的 扩频信号与 扩频 信号的同步副 本通 过 相关完 成的。 2 . 1 . 2 扩频系统的优点 1 )千扰抑制能力强: 扩频通信系统在接收端对扩频信号进行相关处理， 即 解扩， 使扩频信号恢复 成窄带信号。 由于千扰信号与用于扩频的伪随机码不具备相关性， 并被扩展到一 个很宽的频带上， 使进入信号通频带内的干扰功率大大降低， 相应的增加了相关 器的输出信号干扰比， 因此具有很强的抗干扰能力。 扩频通信的抗干扰能力和带 宽扩展因 子成正比。 带宽 扩展因 子就是扩频通信系统的 传输带宽w和信息速率 r的比 值 5 l 。 也 就 是说， 频 谱扩展得 越宽， 抗干扰的 能 力 越强。 2 )低能量密度: 扩频信号的能量在整个频带内部分布较为稀疏且均匀， 好像“ 埋藏在噪声中 天津大学硕士学位论文第二章 差分跳频通信技术 一样” 。 低能量密度有很重要的意义， 在多用户通信系统中，可以 使多用户干扰 尽可能地降低。 3 )抗多径干扰能力强: 多径传播是无线通信环境的最主要特点， 因此无线通信系统必须具有很强的 抗多径千扰能力， 才能保证通信质量。 扩频技术利用扩频码的相关特性来抵抗多 径千扰， 因此具有很强的抵抗多径干扰的能力。 它甚至可利用多径能量来提高系 统的性能。 4 )易于构建码分多址系统: 允许多 用户同时使用一条共同的 信道， 并 用不同的 地址码来区 分各 个用户的 通信技术， 通常称为码分多址。 应用扩频通信可很容易地组成这样一个多址通信 网。网内各用户都被赋予一个互不相同的地址码，通常就是扩频系统的p n码。 和固定电话网络中的电话号码一样， 每个用户只将收到的按其地址码发来的信号 判别为有用信号。对发送给其它用户的信号则表现为加性噪声。 2 . 1 .3 扩频技术的种类 1 )直接序列扩频( d s - s s ) 载波首先被数据信号调制， 调制了数据的信号再被高速 ( 宽频) 的扩频信号 调制，从而扩展了信号频谱。 2 )跳频扩频( f h - s s ) 通常与ives k调制联合使用， m进制信号的频率在跳频带宽ws s 内 部，由 频率合成器控制伪随机的 跳变。 对给定的一个跳变， 传输占 用的带宽很窄， 但考 虑多次跳频的总平均带宽，跳频信号将占据整个扩频带宽。 3 )跳时 扩频( t h - s s ) 这种系统与跳频系统类似， 区别在于一个是控制频率， 一个是控制时间。 也 天津大学硕士学位论文第二章 差分跳频通信技术 一样” 。 低能量密度有很重要的意义， 在多用户通信系统中，可以 使多用户干扰 尽可能地降低。 3 )抗多径干扰能力强: 多径传播是无线通信环境的最主要特点， 因此无线通信系统必须具有很强的 抗多径千扰能力， 才能保证通信质量。 扩频技术利用扩频码的相关特性来抵抗多 径千扰， 因此具有很强的抵抗多径干扰的能力。 它甚至可利用多径能量来提高系 统的性能。 4 )易于构建码分多址系统: 允许多 用户同时使用一条共同的 信道， 并 用不同的 地址码来区 分各 个用户的 通信技术， 通常称为码分多址。 应用扩频通信可很容易地组成这样一个多址通信 网。网内各用户都被赋予一个互不相同的地址码，通常就是扩频系统的p n码。 和固定电话网络中的电话号码一样， 每个用户只将收到的按其地址码发来的信号 判别为有用信号。对发送给其它用户的信号则表现为加性噪声。 2 . 1 .3 扩频技术的种类 1 )直接序列扩频( d s - s s ) 载波首先被数据信号调制， 调制了数据的信号再被高速 ( 宽频) 的扩频信号 调制，从而扩展了信号频谱。 2 )跳频扩频( f h - s s ) 通常与ives k调制联合使用， m进制信号的频率在跳频带宽ws s 内 部，由 频率合成器控制伪随机的 跳变。 对给定的一个跳变， 传输占 用的带宽很窄， 但考 虑多次跳频的总平均带宽，跳频信号将占据整个扩频带宽。 3 )跳时 扩频( t h - s s ) 这种系统与跳频系统类似， 区别在于一个是控制频率， 一个是控制时间。 也 天津大学硕士学位论文第二章 差分跳频通信技术 就是说，t h系统是用编码序列控制发射时刻和时间长短。 2 . 2 跳频通信技术 2 . 1 基本概念 跳频通信是指传输信号的载波频率按预定规律进行离散变化的扩频通信方 。 载波频率受一组高 速变化的 伪随机码( p n码) 控制而快速变化， 控制载波变 2.式 化的规律被称之为 “ 跳频图案” 。跳频通信系统根据数据传输速率与频率跳变速 率的相对关系分为两类， 快跳频和慢跳频。 频率跳变速率等于或大于数据传输速 率的 跳频系统称为快跳频系统， 反之称为慢跳颇系统p a d 2 .2 .2 系统构成 跳频通信系统与传统的定频通信相比， 增加了一些用于扩频的部分。 具体的 系统组成见图2 - 1 .频率合成器输出的载波频率受到跳频指令发生器 ( 伪随机码 发生器) 控制而不断跳变， 发送出去的信号载频也在不断地跳变。 接收机收到跳 频信号时， 为了 保证混频器始终输出 一个固定的 差频( 中 频) ， 本振频率必须随外 来载频同步地跳变。 也就是说， 接收机的本振也必然是一个跳频器。 此外，收发 双方必须保持一致的起止时间，否则无法达成正常的通信联络。 数据输入 图2 - 1跳频通信系统 天津大学硕士学位论文第二章 差分跳频通信技术 就是说，t h系统是用编码序列控制发射时刻和时间长短。 2 . 2 跳频通信技术 2 . 1 基本概念 跳频通信是指传输信号的载波频率按预定规律进行离散变化的扩频通信方 。 载波频率受一组高 速变化的 伪随机码( p n码) 控制而快速变化， 控制载波变 2.式 化的规律被称之为 “ 跳频图案” 。跳频通信系统根据数据传输速率与频率跳变速 率的相对关系分为两类， 快跳频和慢跳频。 频率跳变速率等于或大于数据传输速 率的 跳频系统称为快跳频系统， 反之称为慢跳颇系统p a d 2 .2 .2 系统构成 跳频通信系统与传统的定频通信相比， 增加了一些用于扩频的部分。 具体的 系统组成见图2 - 1 .频率合成器输出的载波频率受到跳频指令发生器 ( 伪随机码 发生器) 控制而不断跳变， 发送出去的信号载频也在不断地跳变。 接收机收到跳 频信号时， 为了 保证混频器始终输出 一个固定的 差频( 中 频) ， 本振频率必须随外 来载频同步地跳变。 也就是说， 接收机的本振也必然是一个跳频器。 此外，收发 双方必须保持一致的起止时间，否则无法达成正常的通信联络。 数据输入 图2 - 1跳频通信系统 天津大学硕士学位论文 第二章 差分跳频通信技术 2 . 2 .3 跳频通信的关键技术 1 )跳频图案 抗干扰能力强是跳频通信系统的主要特点， 因此， 跳频图案性能的优劣是决 定跳频通信系统性能的重要因素之一。 跳频图案是跳频器在跳频码的控制下跳变 形成的，对跳频图案的研究最终是对跳频码的研究。 2 )跳频同步 跳频通信的载波频率一直在跳变， 这一点与其它通信方式有很大区别。 在通 信过程中， 发射机以 相当快的速率 ( 跳速) 改变载波频率， 接收机必须与发 射机 同步地改变频率， 双方才能保持通信。 也就是说， 收发双方必须采用同一种跳频 图案， 并且每一跳