CN103532663A - 一种跳频喷泉码***及其传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跳频喷泉码***及其传输方法，尤其涉及一种新型交织技术引入的跳频喷泉码***的传输方法，属于无线通信***、通信信号处理及信道编译码等相关技术领域。本发明中跳频喷泉码***可以在一部分频点受到干扰而完全阻塞的情况下传输数据，增强了通信***在恶劣信道环境下的可靠性。本发明通过采用比特交织编码调制技术，提升了***的误码率性能。同时由于没有增加冗余度，信息传输的速率不会受到影响。本发明中采用了比特级交织器，在敌方无法获得交织规则的情况下，可以起到加密的作用，提高了信息传输的安全度。

Description

一种跳频喷泉码***及其传输方法

技术领域

本发明涉及一种跳频喷泉码***及其传输方法，尤其涉及一种新型交织技术引入的跳频喷泉码***的传输方法，属于无线通信***、通信信号处理及信道编译码等相关技术领域。

背景技术

在当今日益激烈的电子战环境之中，如何在受到敌方干扰的复杂恶劣的信道环境下安全有效地传输数据，是目前军用通信研究的热点之一。跳频通信技术使无线电发信频率按随机的顺序和速度进行跳变，在敌方无法掌握跳变规律时，可以有效的避免所传输的信息被截获。对于阻塞式宽带干扰，部分频点被干扰而无法传输信息，此时跳频***通常采用长交织和高冗余度的向前纠错码（FEC）技术以保证通信的可靠性。而随着通信技术与信息传输需求的发展，在图像、视频和数据文件的传输中要求通信***具有更高的传输速率和更低的误码率，同时，传输中受到干扰的信道带宽也会不断增加。此时，采用常规的长交织和高冗余FEC技术较难保证通信质量，更无法有效地利用干扰环境下的信道容量。因此迫切需要研究新的技术手段来保证强干扰环境下跳频通信***的通信质量。

喷泉编码技术在删除信道下可以取得良好的性能，而强干扰下的跳频通信***具有典型的删除信道特点，所以近年来出现了采用喷泉码的跳频通信技术。在跳频通信链路中，在整个通信频段中如果存在若干不同的子频段受到干扰而无法传输信息，那么这些频段在被通信***利用时，其信道可以作为删除信道进行分析。通过喷泉码编码器，发送端可以生成无限个编码符号并不断发送，而译码器只需受到任意足够多的编码符号就能还原数据。因此，无论删除信道的删除概率多大，都可以通过编码器不断产生信号使译码器能够受到足够多的编码符号，进而还原出发送数据。

但是，跳频喷泉码技术仍有不完善的地方。由于除了受到干扰而阻塞的部分频点可看作删除信道以外，其他频点上的信道仍然会受到噪声及衰落的影响。尽管采用低码率LDPC码作为预编码的Raptor喷泉码具有一定的纠错能力，在一定情况下***传输误码率无法满足实际需求。若采用卷积码等纠错码可以降低***的误码率，但将会加大***编译码的复杂度，同时由于其会带来新的冗余度，势必会降低信息的传输速率。

为此，本申请中结合比特交织编码调制（Bit-interleaved Coded Modulation，BICM）技术，改进跳频喷泉码***，并探索新型传输方法。BICM技术最早应用于提高通信***在衰落信道中的性能，同时在AWGN信道中也有良好的表现。BICM技术通过在信道编码器输出与调制器之间引入比特交织器，提高了***的编码分集度。而且由于其没有增加冗余度，可以在在不降低信息传输速率的情况下提高***的性能。

发明内容

本发明的目的在于进一步提高跳频通信***的抗强干扰性能，将比特交织编码调制技术运用于基于喷泉编码的跳频通信***中，提出了一种新型跳频喷泉码***及其传输方法，在不降低***信息传输速率的情况下降低传输误比特率，同时只带来较小的***复杂度增加。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种跳频喷泉码***及其传输方法包括“一种跳频喷泉码***”和“一种跳频喷泉码传输方法”两方面。

本发明的一种跳频喷泉码***，包括发射机、信道和接收机三部分；

其中，发射机包括信号源、喷泉信道编码模块、交织模块、调制模块和跳频模块；

信道为连续/随机删除信道；

接收机包括解跳频模块、信息解调模块、解交织模块、喷泉信道解码模块及判决统计模块；

其连接关系为：发射机与信道相连，信道与接收机相连；发射机中，信号源的输出传给喷泉信道编码模块，喷泉信道编码模块的输出传给交织模块，交织模块的输出传给调制模块，调制模块的输出传给跳频模块；接收机中，解跳频模块的输出传给解调模块，解调模块的输出传给解交织模块，解交织模块的输出传给喷泉码解码模块。

本发明的一种跳频喷泉码的传输方法，其步骤如下：

步骤一、发射机中信号源将待发送信息比特组成若干个长度为N比特的信息比特帧。

步骤二、喷泉码编码器对步骤一中生成的一个信息比特帧进行喷泉编码，生成的喷泉编码帧长度为K比特。编码器不断地对当前信息比特帧进行喷泉编码产生喷泉编码帧，直到收到接收端发来的的反馈信息，开始对下一信息比特帧的喷泉编码；

其中，步骤二中所述的喷泉编码采用LT码或Raptor码；

步骤三、喷泉码编码器将步骤二中进行编码后产生的喷泉编码帧送至比特交织器中，以喷泉码编码的一帧为单位进行比特级交织。随后将经过比特交织的编码帧按照MQAM调制类型的星座图生成发送符号帧，其中M表示QAM调制的阶数。经过MQAM调制后生成的符号帧长度为K/M符号。

步骤四、将经步骤三中生成符号帧通过跳频调制器，按照跳频频率表将数据符号送到不同的频率点上发送出，经无线信道到达接收端；

步骤五、接收端通过校正本地时钟实现与发射端时钟达到一致，实现同步过程，使接收端的跳变频率序列及跳变时间均与发射端相同，得到与发送端一致的跳频图案；

步骤六、接收端将步骤四中经过无线信道到达接收端的信号生成接收符号帧，与步骤四中生成的跳频图案相乘，完成对接收的跳频信号解跳，得到长度为K/M的符号帧；

步骤七、接收端将步骤六中生成的符号帧进行解调，得到接收比特信息帧，帧的长度为K比特。接收比特信息帧进入与发送端对应的解交织器，对比特信息进行解交织，解交织长度为K比特。

步骤八、将步骤七中所得结交之后的比特信息帧进行喷泉码译码，并检测是其中是否还有不确定的比特位：若仍有不确定的比特位，则继续本帧的喷泉译码；若检测后没有不确定的比特位，则向信源发送反馈信息，要求信源发送下一个信息比特帧。

经过上述八个步骤即完成了喷泉码跳频通信***一个帧的传输工作。

有益效果

1、本发明中跳频喷泉码***可以在一部分频点受到干扰而完全阻塞的情况下传输数据，增强了通信***在恶劣信道环境下的可靠性。

2、本发明通过采用比特交织编码调制技术，提升了***的误码率性能。同时由于没有增加冗余度，信息传输的速率不会受到影响。

3、本发明中采用了比特级交织器，在敌方无法获得交织规则的情况下，可以起到加密的作用，提高了信息传输的安全度。

附图说明

图1为本发明的一种跳频喷泉码***中发送机部分的组成示意图；

图2为本发明的一种跳频喷泉码***中接收机部分的组成示意图；

图3为本发明实施例中在强干扰信道中传输的信噪比仿真结果图，其中横坐标为信噪比，被干扰的频点占总频点数的30%；

图4为本发明实施例中，能够正确解码时所需喷泉码码组发送个数的比较。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。

实施例

图1和图2是一种跳频喷泉码***的结构示意图，由图1和图2可见，从信源发出的比特信息首先进行喷泉码编码。本实施例中喷泉码类型为Raptor码，并采用LDPC码进行预编码。随后，将编码后的信号经过比特交织器进行交织，交织后的比特信息送入调制器生成发送调制符号，再经过跳频调制器进行射频调制发送至无线信道中。在进行跳频调制的过程中，首先要根据预定的跳频频率表合成相应频率的载波，之后再将信息调制于载波之上。在接收端，接收机首先需要进行跳频同步，再根据跳频频率表合成相应频率，采用相关解调法解调出信号符号，随后经过信息解调器解调出信息比特。信息比特序列经过解交织器解交织后，送入喷泉译码器进行译码。本实施例中采用Raptor全局BP译码方式，同时进行喷泉码的译码和LDPC的译码。经过译码之后，***即恢复了发送信息。

若信道中一部分频点受到干扰而无法传输数据，发送端发送的部分码组将视为被信道删除或发送不完整，这使得发送端的喷泉编码器需要不断生成码组发射，直到接收端收到足够多的码组以还原原始信息时，向发送端发送反馈信息，发送端再进行下一帧的传输。

以新型跳频喷泉码***在强干扰无线信道中传输信息的过程为例。假定无线信道收到宽带阻塞式干扰，已无法传输信息干扰带宽为α，收到干扰的频点将无法正常的传输信息，以删除信道模型进行处理，在接收端视此频点上传输的数据为不确定。同时信道中存在高斯白噪声，信噪比为SNR。

本实施例中的一种跳频喷泉码传输方法具体实现步骤如下：

步骤一、发射机中信号源将待发送信息比特组成长度为N=4250的信息比特帧。

步骤二、Raptor编码的预编码采用LDPC码，码率为0.85，由于信息帧码长为4250比特，故编码后每一帧的码长K=5000比特。LT码的度分布函数采用弱化后的Shokrollahi分布，如表1中所示，参数k=65535，输出符号节点度的平均值a=5.87。

表1优化的Raptor码输出符号节点度分布

k	65535
		Ω1	0.007969
Ω2	0.493570
		Ω3	0.166220
Ω4	0.072646
		Ω5	0.082558
Ω8	0.056058

Ω9	0.037229
		Ω19	0.055590
Ω65	0.025023
		Ω66	0.003135
ε	0.038
		α	5.87

在编码过程中，为了确保信息在经过信道的删除和加噪后，接收端能够收到足够多的码组以恢复原始信息，需要喷泉码编码器不断对同一码组进行编码，直到能够正常解码并发回反馈信息。

步骤三、将经过喷泉编码的信息比特序列进行比特交织编码调制。比特交织器采用伪随机序列式交织。信息调制方式为4QAM。长度为5000比特的信息帧经过比特交织编码调制后，故符号帧长度为1250符号，M=4；

步骤四、经过调制的信息符号帧进入跳频调制器进行射频调制。调制后信号变为I、Q两路。经过内插滤波器生成中频信号，其中先要进行基带内插，在进行中频内插。中频标称频率为1MHz。而后进行跳频。跳频速率为8kbps，共64个频点随机选择。跳频频点为400MHz开始，1MHz为间隔，直到500MHz，一共100个频点。采样率为6MHz，基带数据采样率为800kHz。跳频调制器根据跳频频率表进行频率合成，生成载波频率，将中频信号调制于载波之上。其中跳频频率表为预先存储的。

射频信号随后被发射到无线信道中。假设受到干扰的频点是连续的，即在某一连续频段上传输的信号被删除。

步骤五、接收端通过校正本地时钟实现与发射端时钟一致，即实现同步，使接收端跳频图案、跳变频率序列及跳变时间均与发射端相同，并同时对交织器的伪随机码序列发生器也实现同步。

步骤六、依据步骤五输出的跳频频率表合成相应频率，实现跳频解调，得到调制符号帧。

步骤七、将调制符号序列输入解调器中进行4QAM解调，得到信息比特帧。根据与发送端同步的伪随机序列，对信息比特帧进行解交织。

步骤八、将步骤七中所得的信息比特帧进行喷泉码译码，译码方式采用BP全局喷泉码译码，将LDPC的校验节点信息融入到LT的译码过程中。其具体步骤如下：

A）在Raptor译码器接收到的码字前面补零，零的个数等于LDPC产生的校验信息长度；

B）由LDPC校验矩阵H的行重和矩阵中1的位置，并且结合LT码的度分布，建立联合度分布映射表；

C）利用该联合度分布映射表，采用LT的BP译码过程，译出中间序列X_i，并去掉其中的校验信息得到源信息符号S_i。

经过足够次数的喷泉译码后，接受信息帧消除所有不确定的比特位，则向信源发送反馈信息，要求信源发送下一个信息比特帧。

重复上述过程，即完成了信息文件的传输。

本发明实施例中的比特交织跳频喷泉码***的仿真结果图如图3和图4所示。无线信道中430MHz到460MHz频段被扰，干扰带宽α=0.3。信噪比范围8～12dB。仿真中的数值都是经过20次、每次10⁶比特的数据量进行仿真并平均得到的。

图3是两种***比特误码率的比较，从中可以看出，采用新型交织技术的跳频喷泉码技术在比特误码率上优于没有采用的新型交织技术的***。由于采用新型交织技术没有降低信息传输的速率，此误码率上的提升相当可观。

图4是在信噪比为10dB时成功解码所需喷泉码组发送次数的比较。可以看到采用新型交织技术后可以降低喷泉码组发送的次数，这从另一角度上提高了信息传输的速率。

综合上述两点，采用新型交织技术的跳频喷泉码技术较原算法在误比特率和信息传输速率上都有较大的提升，同时只增加较小的复杂度，与原算法相比优势明显。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种跳频喷泉码***，其特征在于：包括发射机、信道和接收机三部分；

其中，发射机包括信号源、喷泉信道编码模块、交织模块、调制模块和跳频模块；

信道为连续/随机删除信道；

接收机包括解跳频模块、信息解调模块、解交织模块、喷泉信道解码模块及判决统计模块；

发射机与信道相连，信道与接收机相连；发射机中，信号源的输出传给喷泉信道编码模块，喷泉信道编码模块的输出传给交织模块，交织模块的输出传给调制模块，调制模块的输出传给跳频模块；接收机中，解跳频模块的输出传给解调模块，解调模块的输出传给解交织模块，解交织模块的输出传给喷泉码解码模块。

2.一种跳频喷泉码的传输方法，其特征在于步骤如下：

步骤一、发射机中信号源将待发送信息比特组成若干个长度为N比特的信息比特帧；

步骤二、喷泉码编码器对步骤一中生成的一个信息比特帧进行喷泉编码，生成的喷泉编码帧长度为K比特；编码器不断地对当前信息比特帧进行喷泉编码产生喷泉编码帧，直到收到接收端发来的的反馈信息，开始对下一信息比特帧的喷泉编码；

其中，步骤二中所述的喷泉编码采用LT码或Raptor码；

步骤三、喷泉码编码器将步骤二中进行编码后产生的喷泉编码帧送至比特交织器中，以喷泉码编码的一帧为单位进行比特级交织；随后将经过比特交织的编码帧按照MQAM调制类型的星座图生成发送符号帧，其中M表示QAM调制的阶数；经过MQAM调制后生成的符号帧长度为K/M符号；

步骤四、将经步骤三中生成符号帧通过跳频调制器，按照跳频频率表将数据符号送到不同的频率点上发送出，经无线信道到达接收端；

步骤五、接收端通过校正本地时钟实现与发射端时钟达到一致，实现同步过程，使接收端的跳变频率序列及跳变时间均与发射端相同，得到与发送端一致的跳频图案；

步骤六、接收端将步骤四中经过无线信道到达接收端的信号生成接收符号帧，与步骤四中生成的跳频图案相乘，完成对接收的跳频信号解跳，得到长度为K/M的符号帧；

步骤七、接收端将步骤六中生成的符号帧进行解调，得到接收比特信息帧，帧的长度为K比特；接收比特信息帧进入与发送端对应的解交织器，对比特信息进行解交织，解交织长度为K比特；

步骤八、将步骤七中所得结交之后的比特信息帧进行喷泉码译码，并检测是其中是否还有不确定的比特位：若仍有不确定的比特位，则继续本帧的喷泉译码；若检测后没有不确定的比特位，则向信源发送反馈信息，要求信源发送下一个信息比特帧；

经过上述八个步骤即完成了喷泉码跳频通信***一个帧的传输工作。

Images