CN102487313A - 一种基于时空块编码和快跳频码相结合的通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于时空块编码和快跳频码相结合的通信方法，属于通信信号处理技术领域。该***包括发送端、接收端。所述发射端包括频率调制器，STBC编码器，导频信息加入器，信息保持器，第一PN序列产生器，第一频率合成器，第一乘法器，第二乘法器，第一发射天线，第二发射天线。所述接收端包含接收天线，同步器，第二PN序列产生器，第二频率合成器，信道信息估计器，第三乘法器，信息累加器，STBC解码器，频率解调器，判决器。所述方法包括：发送端对传输数据经空时编码，加入导频信息和跳扩调制，生成并发送两路快跳频射频信号；接收端接收多路跳频射频信号，解快跳频和解空时编码过程。

Description

一种基于时空块编码和快跳频码相结合的通信方法

技术领域

本发明属于通信信号处理技术领域，本发明涉及一种基于时空块编码和快跳频码相结合的通信方法。

背景技术

跳频扩频通信技术(FHSS)属于抗干扰通信体制的一种，分为快跳频与慢跳频两种。特点是频率受伪随机序列控制，随着时间在宽频带范围内随机地跳动，可认为是载频不断变化的调制方式。其干扰抑制能力受到扩频增益的限制，在干扰很强，接收端接收到的信噪比(SNR)不能足够大的时候，导致误码率偏高，不能满足数据通信的要求(数据通信要求误码率在10^-3以下，并要求有出错重发机制)。

20世纪90年代起，学术界开始广泛讨论将多天线的多入多出(MIMO)技术应用于提高通信***性能，通过使用多种分集算法，提高接收端的信噪比，降低接收端的误码率。由于MIMO技术从理论上可以显著提高***的性能，但是受限于复杂的接收端算法与对通信成本的压力，故其一直没有得到很好的推广。Siavash M.Alamouti在1998年提出了基于发射端分集的一种简单的空时块编码(STBC)方法，并通过理论分析证明了该方法的有效性。随后在贝尔实验室进行了一系列的试验表明，通过特定的编码方法技术可以显著提高***容量并降低***的误码率。现在数字信号处理芯片的发展，为快速实现一些简单的接收解码算法提供了经济可行性。

快跳频通信的工作流程中，需要有发射端扩频码发生器，同步以及接收端扩频码发生器。我们把经过空时块编码后的数据分成帧后，加入导频码，再进行跳频扩频，由天线多天线发送，在接收端只用一个天线即可实现降低误码率的要求，具有很强的实用性。

发明内容

本发明提出一种新的通信信息传输方法。它可有效结合抗干扰快跳频通信与发射分集以及信道状态估计技术，可以达到降低干扰的影响和***误码率的作用。这种方法的一个突出特点是先通过时空编码，加入导频码再进行快跳频扩频，在接收端进行解扩，信道估计以及通过发射端相应的逆过程来接收处理信号。

本发明包含发射端和接收端。所述发射端包括频率调制器，STBC编码器，导频信息加入器，信息保持器，第一PN序列产生器，第一频率合成器，第一乘法器，第二乘法器，第一发射天线，第二发射天线。发射端工作流程为：在接收端首先对连续的数据流进行频率调制，对已调制数据进Alamouti分集编码，然后将信息分成等长的帧信息，在帧的头部分加入对极性正交码序列，用于接收端进行信道信息的估计；最后再将信息分成两路(由于Alamouti编码的结果，会将编码后信息分成两路)，每一路都经过同一跳频码发生器与频率混合器进行快跳频扩频，两路信息经两个天线发射。

所述接收端包含接收天线，同步器，第二PN序列产生器，第二频率合成器，信道信息估计器，第三乘法器，信息累加器，STBC解码器，频率解调器，判决器。在接收端的工作流程为：使用单天线接收，将两个天线接收到的同频带的信号先进行解调，解调之后进行信道估计，然后经过解编码算法，对信号进行处理，恢复出仅经过频率调制的信号；再解调制即可恢复出原信号。经仿真表明，在信道时变不大的情况下，通过使用每帧8bits的正交导频码即可达到比较理想的效果，与接收端已知完美信道信息的情况相比较，同一误码率的情况下，仅相差大概3dB左右的信噪比。通过加长使用的导频序列的长度，可以进一步提高估计信道的精度，达到更低的信噪比。但是如果导频序列过长，会降低发送信息的效率。一般采用信息序列长度的5％到10％的导频序列已经能达到比较好的效果。

本发明的具体技术方案分为以下几个步骤：

1)对已得到的离散信号先进行频率调制，然后进行空时块编码，达到发送分集的要求，这里我们的编码采用Alamouti所提出的编码方法，将编码后信息分成两组，经过下面的步骤2)，3)后将通过两个发射天线进行发射，信息发送速度为1。

具体编码方法为：假定频率调制后信息为s₁，s₂，s₃，s₄，……；

经过编码后信息分为两路，第一路为：s₁，

s₃，

……；第二路为s₂，

s₄，

……；

2)对编码后的每路序列信息分成长度相等的帧，并在每个帧前端加入一定数据序列(我们使用的是8bit-20bit的长度，占帧中有效信息长度约为5％-10％)作为导频序列，要求导频序列是正交的(我们采用的是对极性序列)，可以在接收端通过一定的算法来进行信道估计。为接收端解码提供信道信息。

3)对已经生成的帧信息，结合PN序列产生器和频率合成器实现快跳频扩频的过程。跳频通信的最大优点在于抗干扰，但是当干扰比较大或者信道衰落剧烈的时候，接收端信噪比降低将降低；而前期通过采用空时块编码技术后将有效缓解该问题。通过对编码后的数据解扩后再解编码，能有效降低误码率。因为两个天线发射信号，提供有发射信号的副本，一路出现强衰落或干扰的时候，可以通过另一路进行有效的接收。

4)在接收端产生相同的PN序列产生器和频率合成器，先进行解跳频，然后进行信道状态信息(CSI)的估计，再进行空时码编码运算，最后经过频率解调，判决，求出误码率。

有益效果

本发明通过对跳频通信过程加入空时块编码，实现发射端的分集，有效地提高了信息传输的可靠性，可以获得比单纯的跳频通信更好的干扰抑制效果。此外，本发明中还使用了信道估计方法，可以在信道状态时变的情况下进行信道估计。该方案在实施过程中不需要任何关于信道或干扰的先验信息，具有很强的稳健性；且由于Alamouti算法简单易行，运算量小，不包含任何迭代操作，十分适合各类对实时性要求较高的场合。

附图说明

图1-发射过程的结构图；

图2-接收过程的结构图；

图3-发射信号的每帧结构图；

图4-信道估计技术与完美信道信息的比较；

图5-本发明与一般跳频及在接收端完美已知信道信息时相比较；

具体实施方式

发射端主要有以下步骤，该部分的流程图可参考附图1。

步骤一：对信息比特流进行频率调制，所用到的为发射端频率调制模块，进行二进制频率调制。

步骤二：对频率调制后的信息进行STBC编码，所用到的为STBC编码模块，经过该编码后，信息序列分成两路输出。

步骤三：对两路信息进行相同的处理。先将信息分成等长的帧，在每帧头部位加入正交导频信息，所用的到为导频信息加入模块。帧格式可以参考附图2。

步骤四：所用跳频***为快跳频***，这里需要在每符号跳频持续时间内持续输出该符号，这里使用的是信息保持模块。

步骤五：跳频模块由第一PN序列产生器，第一频率合成器，第一乘法器，第二乘法器组成，对信息保持器输出的信息进行跳频，我们这里采用快跳频模式，每符号跳频5次。

步骤六：射频模块由第一发射天线和第二发射天线组成。主要为发射信号，对第一乘法器输出信息通过第一发射天线发射，对第二乘法器输出信息通过第二发射天线发射。

接收端主要有以下步骤，该部分的流程图可参考附图3。

步骤一：经过接收天线接收到信号，主要用到接收天线。

步骤二：从天线上接收到的信号分为两路，一路通往同步模块，进行帧同步与信息同步，并将同步信息提供给第二PN序列产生模块，使其与第一PN序列产生器产生通信的PN序列。另一路直接通往乘法模块，通过与频率合成模块共同作用完成解调过程。

步骤三：解调后的信息通过信息累加模块，首先是对导频码进行累加，并将结果传递给信道估计模块，用于进行信道估计。对导频码的累加是按照导频码的长度进行累加；对有用信息即编码信息的累加值为2，因为这里我们采用的是双发射分集的方式。

步骤四：解码判决模块。所用为STBC解码模块。STBC解码模块使用信息累加模块传递过来的信息与信道估计模块传递过来的信息进行STBC解码，解码后对解码得到的信息也要进行初步判决，判决规则为最大可能性判决。

步骤五：对解码后的信息进行频率解调和判决。这里所用模块为频率解调模块和判决模块。判决规则仍为最大可能性判决。之后输出信息比特流。通过仿真得到的误码率图形如附图4和附图5所示。

Claims (3)

1.本发明提出一种新的通信信息传输方法。其特征在于：

这种方法的一个突出特点是先通过时空编码，加入导频码再进行快跳频扩频，在接收端进行解扩，信道估计以及通过发射端相应的逆过程来接收处理信号。

2.如【权利要求书1】所述的本发明包含发射端和接收端。所述发射端包括频率调制器，STBC编码器，导频信息加入器，信息保持器，第一PN序列产生器，第一频率合成器，第一乘法器，第二乘法器，第一发射天线，第二发射天线。发射端工作流程为：在接收端首先对连续的数据流进行频率调制，对已调制数据进Alamouti分集编码，然后将信息分成等长的帧信息，在帧的头部分加入对极性正交码序列，用于接收端进行信道信息的估计；最后再将信息分成两路(由于Alamouti编码的结果，会将编码后信息分成两路)，每一路都经过同一跳频码发生器与频率混合器进行快跳频扩频，两路信息经两个天线发射。

所述接收端包含接收天线，同步器，第二PN序列产生器，第二频率合成器，信道信息估计器，第三乘法器，信息累加器，STBC解码器，频率解调器，判决器。在接收端的工作流程为：使用单天线接收，将两个天线接收到的同频带的信号先进行解调，解调之后进行信道估计，然后经过解编码算法，对信号进行处理，恢复出仅经过频率调制的信号；再解调制即可恢复出原信号。经仿真表明，在信道时变不大的情况下，通过使用每帧8bits的正交导频码即可达到比较理想的效果，与接收端已知完美信道信息的情况相比较，同一误码率的情况下，仅相差大概3dB左右的信噪比。通过加长使用的导频序列的长度，可以进一步提高估计信道的精度，达到更低的信噪比。但是如果导频序列过长，会降 低发送信息的效率。一般采用信息序列长度的5％到10％的导频序列已经能达到比较好的效果。

3.本发明的具体技术方案分为以下几个步骤：

1)对已得到的离散信号先进行频率调制，然后进行空时块编码，达到发送分集的要求，这里我们的编码采用Alamouti所提出的编码方法，将编码后信息分成两组，经过下面的步骤2)，3)后将通过两个发射天线进行发射，信息发送速度为1。

具体编码方法为：假定频率调制后信息为s₁，s₂，s₃，s₄，……；

经过编码后信息分为两路，第一路为：s₁， 

s₃， 

……；第二路为s₂， s₄， 

……；

2)对编码后的每路序列信息分成长度相等的帧，并在每个帧前端加入一定数据序列(我们使用的是8bit-20bit的长度，占帧中有效信息长度约为5％-10％)作为导频序列，要求导频序列是正交的(我们采用的是对极性序列)，可以在接收端通过一定的算法来进行信道估计。为接收端解码提供信道信息。

3)对已经生成的帧信息，结合PN序列产生器和频率合成器实现快跳频扩频的过程。跳频通信的最大优点在于抗干扰，但是当干扰比较大或者信道衰落剧烈的时候，接收端信噪比降低将降低；而前期通过采用空时块编码技术后将有效缓解该问题。通过对编码后的数据解扩后再解编码，能有效降低误码率。因为两个天线发射信号，提供有发射信号的副本，一路出现强衰落或干扰的时候，可以通过另一路进行有效的接收。

4)在接收端产生相同的PN序列产生器和频率合成器，先进行解跳频，然后进行信道状态信息(CSI)的估计，再进行空时码编码运算，最后经过频率解 调，判决，求出误码率。 

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