联合MSK平方谱检测和RS码的跳频抗干扰方法和系统与流程

本发明涉及无线通信，具体地，涉及一种联合msk平方谱检测和rs码的跳频抗干扰方法和系统。

背景技术：

1、跳频通信在通信隐蔽性和增大设备干扰容限等方面有优越的性能，因此被广泛应用在军事通信、遥感通信和深空通信等领域。针对跳频通信系统的干扰有很多种，其中破坏性最强的是部分频带干扰。部分频带干扰会造成接收信号严重失真，使系统的误码率增加，导致通信可靠性降低。

2、另外，跳频通信系统的无线信号在信道传输过程中，会受到信道中存在的多径衰落的影响，使得接收信号产生相位偏移。同时收发信机之间的相对移动也会产生多普勒效应，使得接收信号出现较大频率偏移。为了保证通信的可靠性，载波同步也是跳频通信急需解决的关键问题。

3、为了达到可靠通信的目的，跳频通信系统不仅需要在极低信噪比下快速有效地实现高精度的载波同步，同时还需要采用有效的方法对抗部分频带干扰。

4、为解决上述问题，传统的做法是基于训练序列进行基于长数据辅助的载波同步，结合里德-所罗门(reed-solomon，rs)码纠错特性，实现抗频点干扰；比较新的做法是通过短导频序列基于fft运算实现载波同步，同时采用turbo-rs级联码的中turbo码的译码软信息可靠性获得rs码字中错误码元的位置后，利用rs纠错纠删特性，实现跳频抗干扰通信。这两种做法都需要额外增加开销，并降低突发跳频通信的传信率，尤其是第1种做法，载波同步精度要求越高，所需要的辅助数据开销越大，且仅利用rs纠错特性，抗干扰性能有待提高。第2种方法虽然开销略小，但turbo码本身增加了一部分开销，同时turbo软信息译码也增加了运算复杂度。

5、专利文献cn102281076a公开了一种基于提高跳频电台抗干扰能力的rs级联码设计方法，包含有rs级联码构成方式，发送通路编码处理方法和接收通路解码处理方法。然而该专利无法完全解决目前存在的技术问题，也无法满足本发明的需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种联合msk平方谱检测和rs码的跳频抗干扰方法和系统。

2、根据本发明提供的联合msk平方谱检测和rs码的跳频抗干扰方法，包括：

3、步骤1：在发送端，将一帧二进制信息数据d进行伽罗华域gf(2m)上的rs(n,k)编码后按照列进行出的方式进行成帧，组成发送数据矩阵，其中m为本原多项式的阶数，n为码元个数，k为采样值序列号；

4、步骤2：将发送数据矩阵按行取出并在首尾各加上p个保护信息比特作为每跳需要发送的数据a进行msk调制，并按照跳频序列进行上变频转化为射频信号经过天线发送至接收端；

5、步骤3：接收端收到的射频信号根据跳频序列对一帧中的每跳射频信号进行下变频，得到每跳基带复信号y，一帧包含n跳y，后续以跳为单元对数据进行处理；

6、步骤4：将第j跳基带复信号y的每个采样点进行平方谱检测，得到该跳基带复信号的平方谱信号，并对平方谱进行检测分析，获得该跳接收信号的频偏和该跳码元是否为错误码元的指示信息ej；

7、步骤5：用第j跳接收信号的频偏对接收信号y进行频偏校正，将校正后的信号送至解调模块进行msk解调，恢复出第j跳接收信号的解调信息比特序列；

8、步骤6：重复执行步骤4和步骤5，获得一帧解调信息序列及一帧数据中每跳数据码元是否为错误码元的指示信息ej，j＝1,...,n，结合帧结构设计获得一帧数据的错误码元位置信息e；

9、步骤7：利用码元错误位置信息e，对恢复出一帧解调信息比特序列进行rs纠错纠删译码，获得恢复序列

10、优选地，所述步骤1包括：

11、步骤1.1：在发送端，将一帧长度为b×k的二进制信息数据d，经过b组rs(n,k)编码得到b组码元个数为n的rs码字；

12、步骤1.2：将b组rs码字并行排列成b列，每列包含n个码元，形成一个n行b列的待发送数据矩阵；

13、所述步骤3包括：

14、接收端经过下变频得到的基带复信号y表示为：

15、

16、式中：yk为基带复信号y的第k个采样值；a为经过信道传输以及各种变换后的信号幅度；fd为载波频偏；fb为预设范围内的随机数值；ak为第k个采样值需要发送的数据；fs为数据采样速率；φk表示第k个采样值的相位；nk为零均值的复高斯随机变量，方差为σ2＝n0/2；n0为噪声单边功率谱密度；ik为部分频带干扰；k为一跳接收基带复信号样点的总长度。

17、优选地，所述步骤4包括：

18、步骤4.1：对j跳接收基带复信号y的每个采样点进行平方运算，得到接收基带复信号的平方信号，表达式为：

19、

20、k＝0,…,k-1

21、设信号初始时刻的码元相位为φ0，根据相邻码元的初始相位关系得：任意时刻所在码元的初始相位与信号起始时刻码元之间存在相差整数倍π的关系，即φi＝φ0±iπ，i为某一整数，表达式为：

22、2φi＝2φ0+2iπ

23、由于一个码元宽度内ak保持不变，设第k个采样点对应第i个码元，忽略噪声和干扰的影响，结合上式将接收基带复信号的平方信号表示为：

24、

25、步骤4.2：对信号f进行离散傅里叶变换及模平方运算，获得其周期图为：

26、

27、z(k)和pzz(f)表明，当f＝2fd±(fb/2)时，周期图上出现峰值；

28、步骤4.3：根据周期图pzz(f)的峰值pmax在整个周期图中的位置m∈(0,nfft-1)以及接收信号采样率fs得到频偏估计值，表达式为：

29、

30、式中：m0为在频偏fd＝0时，平方信号周期图对应的峰值点所在位置，即：

31、

32、式中：fs＝fb×ns，其中ns为每个符号内的采样点数；因此，m0仅与快速傅里叶变换fft点数nfft和每个符号内的采样点数ns有关系，表达式为：

33、

34、频偏估计值fd的频偏估计值精度f为fs/(4nfft)，频偏估计范围为(-fb/4,fb/4)；

35、步骤4.4：通过第j跳接收信号平方周期图峰值的大小确定该跳传输的码元是否为错误码元的指示信息ej，具体为：当第j跳接收信号平方周期图峰值大于门限值时，则判定该跳传输的码元没有受到部分频带干扰影响为正确码元；否则判定该跳传输的码元受干扰影响为错误码元。

36、优选地，所述步骤5包括：

37、步骤5.1：将步骤4.3中的频偏估计值对接收信号y进行频偏校正，得到消除频偏的校正信号，表达式为：

38、

39、步骤5.2：将校正信号送入msk解调器，恢复解调信息比特序列。

40、优选地，所述步骤7包括：

41、步骤7.1：将一帧解调恢复的信息序列作为待译码码字进行存储；

42、步骤7.2：按需读取待译码码字，通过本原多项式的根计算得到校正子s1,s2,…,s2t；

43、步骤7.3：当码元删除错误位置信息e出现删除错误位置指示时，计算修正校正子tj：

44、

45、上式中σe(x)为删除错误位置多项式，通过e计算如下：

46、

47、步骤7.4：计算错误位置多项式σ(x)，其定义为：

48、σ(x)＝σ0+σ1x+σ2x2+…+σvxv

49、式中：σ0＝1，错误位置数就是σ(x)的根的倒数；

50、当没有检测出删除错误时，使用校正子s求错误位置多项式σ(x)；当检测出删除错误时，使用修正校正子tj求错误位置多项式σ(x)；

51、步骤7.5：通过chien氏搜索计算σ(x)的根，即将gf(2m)中的元素循环代入σ(x)来确定σ(x)在gf(2m)中的根，当检测出删除错误的时候，用σe(x)更新错误位置多项式，表达式为：

52、σ`(x)＝σe(x)σ(x)

53、通过chien搜索计算σ`(x)的根，定义搜索出来的根的倒数为βi，即为对应的错误位置数；

54、步骤7.6：计算错误估值函数z(x)：

55、z(x)＝1+(s1+σ1)x+(s2+σ1s1+σ2)x+…+

56、(sv+σ1sv-1+…+σv)xv

57、步骤7.7：计算错误值δk：

58、

59、步骤7.8：将接收向量减去错误值，得到正确的码字，将字节恢复成比特即得到恢复序列

60、根据本发明提供的联合msk平方谱检测和rs码的跳频抗干扰系统，包括：

61、模块m1：在发送端，将一帧二进制信息数据d进行伽罗华域gf(2m)上的rs(n,k)编码后按照列进行出的方式进行成帧，组成发送数据矩阵，其中m为本原多项式的阶数，n为码元个数，k为采样值序列号；

62、模块m2：将发送数据矩阵按行取出并在首尾各加上p个保护信息比特作为每跳需要发送的数据a进行msk调制，并按照跳频序列进行上变频转化为射频信号经过天线发送至接收端；

63、模块m3：接收端收到的射频信号根据跳频序列对一帧中的每跳射频信号进行下变频，得到每跳基带复信号y，一帧包含n跳y，后续以跳为单元对数据进行处理；

64、模块m4：将第j跳基带复信号y的每个采样点进行平方谱检测，得到该跳基带复信号的平方谱信号，并对平方谱进行检测分析，获得该跳接收信号的频偏和该跳码元是否为错误码元的指示信息ej；

65、模块m5：用第j跳接收信号的频偏对接收信号y进行频偏校正，将校正后的信号送至解调模块进行msk解调，恢复出第j跳接收信号的解调信息比特序列；

66、模块m6：重复触发模块m4和模块m5，获得一帧解调信息序列及一帧数据中每跳数据码元是否为错误码元的指示信息ej，j＝1,...,n，结合帧结构设计获得一帧数据的错误码元位置信息e；

67、模块m7：利用码元错误位置信息e，对恢复出一帧解调信息比特序列进行rs纠错纠删译码，获得恢复序列

68、优选地，所述模块m1包括：

69、模块m1.1：在发送端，将一帧长度为b×k的二进制信息数据d，经过b组rs(n,k)编码得到b组码元个数为n的rs码字；

70、模块m1.2：将b组rs码字并行排列成b列，每列包含n个码元，形成一个n行b列的待发送数据矩阵；

71、所述模块m3包括：

72、接收端经过下变频得到的基带复信号y表示为：

73、

74、式中：yk为基带复信号y的第k个采样值；a为经过信道传输以及各种变换后的信号幅度；fd为载波频偏；fb为预设范围内的随机数值；ak为第k个采样值需要发送的数据；fs为数据采样速率；φk表示第k个采样值的相位；nk为零均值的复高斯随机变量，方差为σ2＝n0/2；n0为噪声单边功率谱密度；ik为部分频带干扰；k为一跳接收基带复信号样点的总长度。

75、优选地，所述模块m4包括：

76、模块m4.1：对j跳接收基带复信号y的每个采样点进行平方运算，得到接收基带复信号的平方信号，表达式为：

77、

78、k＝0,…,k-1

79、设信号初始时刻的码元相位为φ0，根据相邻码元的初始相位关系得：任意时刻所在码元的初始相位与信号起始时刻码元之间存在相差整数倍π的关系，即φi＝φ0±iπ，i为某一整数，表达式为：

80、2φi＝2φ0+2iπ

81、由于一个码元宽度内ak保持不变，设第k个采样点对应第i个码元，忽略噪声和干扰的影响，结合上式将接收基带复信号的平方信号表示为：

82、

83、模块m4.2：对信号f进行离散傅里叶变换及模平方运算，获得其周期图为：

84、

85、z(k)和pzz(f)表明，当f＝2fd±(fb/2)时，周期图上出现峰值；

86、模块m4.3：根据周期图pzz(f)的峰值pmax在整个周期图中的位置m∈(0,nfft-1)以及接收信号采样率fs得到频偏估计值，表达式为：

87、

88、式中：m0为在频偏fd＝0时，平方信号周期图对应的峰值点所在位置，即：

89、

90、式中：fs＝fb×ns，其中ns为每个符号内的采样点数；因此，m0仅与快速傅里叶变换fft点数nfft和每个符号内的采样点数ns有关系，表达式为：

91、

92、频偏估计值fd的频偏估计值精度f为fs/(4nfft)，频偏估计范围为(-fb/4,fb/4)；

93、模块m4.4：通过第j跳接收信号平方周期图峰值的大小确定该跳传输的码元是否为错误码元的指示信息ej，具体为：当第j跳接收信号平方周期图峰值大于门限值时，则判定该跳传输的码元没有受到部分频带干扰影响为正确码元；否则判定该跳传输的码元受干扰影响为错误码元。

94、优选地，所述模块m5包括：

95、模块m5.1：将模块m4.3中的频偏估计值对接收信号y进行频偏校正，得到消除频偏的校正信号，表达式为：

96、

97、模块m5.2：将校正信号送入msk解调器，恢复解调信息比特序列。

98、优选地，所述模块m7包括：

99、模块m7.1：将一帧解调恢复的信息序列作为待译码码字进行存储；

100、模块m7.2：按需读取待译码码字，通过本原多项式的根计算得到校正子s1,s2,…,s2t；

101、模块m7.3：当码元删除错误位置信息e出现删除错误位置指示时，计算修正校正子tj：

102、

103、上式中σe(x)为删除错误位置多项式，通过e计算如下：

104、

105、模块m7.4：计算错误位置多项式σ(x)，其定义为：

106、σ(x)＝σ0+σ1x+σ2x2+…+σvxv

107、式中：σ0＝1，错误位置数就是σ(x)的根的倒数；

108、当没有检测出删除错误时，使用校正子s求错误位置多项式σ(x)；当检测出删除错误时，使用修正校正子tj求错误位置多项式σ(x)；

109、模块m7.5：通过chien氏搜索计算σ(x)的根，即将gf(2m)中的元素循环代入σ(x)来确定σ(x)在gf(2m)中的根，当检测出删除错误的时候，用σe(x)更新错误位置多项式，表达式为：

110、σ`(x)＝σe(x)σ(x)

111、通过chien搜索计算σ`(x)的根，定义搜索出来的根的倒数为βi，即为对应的错误位置数；

112、模块m7.6：计算错误估值函数z(x)：

113、z(x)＝1+(s1+σ1)x+(s2+σ1s1+σ2)x+…+

114、(sv+σ1sv-1+…+σv)xv

115、模块m7.7：计算错误值δk：

116、

117、模块m7.8：将接收向量减去错误值，得到正确的码字，将字节恢复成比特即得到恢复序列

118、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

119、(1)本发明在不增加系统额外开销的情况下，利用传输数据的msk信号同时实现了系统频偏估计和rs码错误位置指示，进而实现了跳频通信系统载波同步和抗部分频带干扰；

120、(2)本发明具有非常好的可扩展性，实际应用中可根据实际需要的抗干扰能力灵活调整rs码型和帧结构，实现不同需求的抗干扰性能，使用场景不受限制；

121、(3)本发明仅采用实现简单的平方、fft等基础运算，没有复杂的超运算及迭代运算，方便数字实信号方式实现，对硬件资源消耗小，可移植性强。