一种面向无人机数据链的新型FH-OFDM通信方法

周 帆，刘 博，刘 涛，崔鹏飞，田秉禾

(1.沈阳理工大学 信息科学与工程学院，沈阳 110159;2.陆军装备部装备项目管理中心，北京 100072)

无人机以其低时延和高保密性的数据传输特点被广泛应用于现代通信领域，其内置数据链是无人机通信系统的重要组成部分，为无人机与作战平台提供通信保障，因此需具有较强的抗干扰能力。随着电子对抗技术的不断发展，在侦查高清图像等方面，现有无人机数据链在数据传输效率与可靠性方面已经无法满足现代通信的要求，对于当前电子侦察需求不断提高的态势，现有数据链信息传输的有效性及抗干扰能力面临新的挑战[1-4]。

当前针对提高数据链信息传输有效性的技术主要包括最小频移键控(Minimum Shift Keying，MSK)、高斯最小频移键控(Gaussian Minimum Shift Keying，GMSK)及正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)等调制方法[5-7]，抗干扰技术主要以交织技术、编码技术以及扩频技术为主[8-10]，这些技术由于传输速率相对较低且信息易被截获，对于现有无人机数据链传输性能贡献并不突出。

针对现有无人机数据链存在的问题，诸多学者提出多种新型的具备高效抗干扰性能的传输方法，以适应复杂的电磁干扰环境。文献[11]提出了一种将直接序列扩频、多进制扩频、正交频分复用与码分多址技术结合的传输方案，将多进制映射后的数据由单载波调制改为传输效率更高的多子载波调制，并进行性能仿真分析，仿真结果优于传统多进制扩频系统。文献[12]提出了一种正交码分多子载波传输(Orthogonal Code Time Division Multi Segmented Channel Spread Spectrum Modulation,OC-TDMSCSSM)方案，在文献[11]研究方案的基础上结合了跳频技术，在子信道映射后并行传输进行累加得到发送信号，该方案在相同信噪比环境下误比特曲线较直扩与多进制扩频系统下降更为明显。文献[13-14]对文献[12]提出的方案进行了优化处理，提出了一种单一正交码跳频正交频分复用(Single Orthogonal Code Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiplex,SOCFH-OFDM)技术。基带数据经直接序列扩频后进行正交扩谱码选择，对得到的并行信息逐一进行二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying，BPSK)调制，再进行OFDM子载波调制，根据跳频图案选择对应子载波进行数据传输，该方案进一步提高了系统的抗干扰性能，但仍无法满足高时效性传输要求。

本文基于信道编码技术、随机交织技术、直接序列扩频技术和传统跳频正交频分复用(Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiplexing,FH-OFDM)技术等提出一种新型FH-OFDM通信方法——伪随机正交码跳频正交频分复用(Pseudo Noise Orthogonal Code Frequency Hopping Orthogonal Frequency Division Multiplexing，PNOCFH-OFDM)技术。相比传统FH-OFDM方案，本文提出的方案中将串并转换后的数据进行正交码伪随机选择，对选取的正交码组进行调制，再由跳频图案对正交子信道进行选择，从而提高系统的抗干扰能力。

1 PNOCFH-OFDM的工作机理

1.1 信号产生机理

PNOCFH-OFDM信号产生机理如图1所示。

图1 PNOCFH-OFDM信号产生机理图

扩频码码片波形pc(t)为

(1)

式中：t为码片持续时间；Tc为码片周期。

伪随机正交码集中第λ个扩频序列可表示为Cλ={W(λ,1),W(λ,2),…,W(λ,N)}，伪随机正交码集构成矩阵为

(2)

(3)

式中α、γ、δ为伪随机变换后的行数。

(4)

由以上各式构造发射端信号模型为

(5)

式中：Re(x)表示对复数变量取实部；Pq为第q个信息码元功率；fλ为第λ个调制器的载波频率；Ts为基带信息码元宽度。

1.2 信号接收机理

在高斯白噪声环境下PNOCFH-OFDM信号接收机理如图2所示。

图2 PNOCFH-OFDM信号接收机理图

接收信号r(t)模型为

r(t)=s(t)+n(t)

(6)

式中：s(t)为发射端调制信号；n(t)为信道噪声。

接收信号经过下变频后进行并/串转换，对并行数据进行快速傅里叶变换，得到变换后的接收数据Gλ(λ=1，2，…，M)。由于接收端与发射端由完全相同的跳频图案控制，对接收数据进行解跳得到发射端子载波选择顺序，并对应得到M条解调序列Dλ(λ=1，2，…，M)，该序列分别与本地正交序列选择表的各行做相关运算，取最大值得到并行数据，经由并/串转换、解扩、解交织解码等处理获得最终的接收数据。

2 PNOCFH-OFDM系统性能分析

2.1 抗噪声性能分析

假设接收机已获得同步，发送端的第μ个信号为

rμ(t)=sμ(t)+n(t)

(7)

第μ个相关器输出信号Rμ(t)可表示为

jsin2πfμt)dt

(8)

式中fμ为第μ个相关器输出信号的频率。

整理得到第μ个相关器接收到的信号为

(9)

式中N(λ,r)是均值为λ、方差为r的高斯随机变量。

解调后误比特率Peb为

(10)

(11)

式中：Eb为每个比特的平均能量；N0为噪声功率谱密度；Q(x)为误差函数。

第i个伪随机扩频码判决错误的概率Pc(i)为

Pc(i)={1-P[Ri>(R1,R2,…,Ri-1,Ri+1,…,RM)]}Peb

(12)

式中

P[Ri>(R1,R2,…,Ri-1,Ri+1,…,RM)]=

(13)

结合式(11)、式(13)，Pc(i)可以表示为

(14)

式中

(15)

式中σ2=NTcN0/4。

(16)

代入Q函数得

(17)

因此，相干检测后此系统的误比特率Pb可表示为

(18)

2.2 抗干扰性能分析

设宽带干扰信号功率谱密度为J0，则经过相干解调后系统的误比特率可表示为

(19)

在部分频带干扰的条件下，设干扰信号占调制信号的比例为ξ，即若原调制信号带宽为B0时，部分频带带宽为B=ξB0，干扰信号的功率谱密度为J=J0/ξ。此时，受到部分频带干扰的信号概率为ξ，未受到干扰的信号概率为(1-ξ)，则该系统的误比特率为

(20)

3 仿真与分析

3.1 仿真参数

在高斯白噪声的环境下，采用PNOCFH-OFDM方案进行仿真，传输OFDM符号1000个，数据传输速率为14.4kbps，选择随机交织及码率为1/2的信道编码，子载波调制方式选用16QAM。

3.2 仿真结果分析

仿真计算得到高斯信道下发射端基带信号时域波形与接收端解调后信号时域波形如图3所示。由图3可见，解调后数据与原始数据完全相同。

图3 PNOCFH-OFDM基带信号波形

PNOCFH-OFDM信号频域图如图4所示。

图4 PNOCFH-OFDM信号频域图

由图4可以看出，由于系统将较宽的信道划分为多个较窄的子信道，每个子信道近似平坦，使得输出信号幅度变化不大。

高斯白噪声下PNOCFH-OFDM传输方案与传统FH-OFDM方案的信号抗噪声性能曲线如图5所示。

图5 PNOCFH-OFDM与FH-OFDM信号抗噪声性能曲线

由图5可以看出，随着信噪比逐渐增大，PNOCFH-OFDM系统与FH-OFDM系统的误码率均逐渐降低。PNOCFH-OFDM系统在信噪比大于-15dB时，误码曲线下降趋势明显，信噪比大于-4dB时系统可接收到准确信息；传统FH-OFDM在信噪比大于-5dB时系统才可接收到准确信息。可见PNOCFH-OFDM系统的抗噪声性能良好，优于传统的FH-OFDM系统。

为进一步验证PNOCFH-OFDM系统与传统FH-OFDM系统的抗干扰性能差异，以Matlab为仿真工具，对两系统分别在相同的部分频带干扰和全频带干扰下的性能进行仿真。两系统抗部分频带干扰的性能曲线如图6所示。

图6 PNOCFH-OFDM与FH-OFDM信号抗部分频带干扰性能曲线

由图6可见，两系统的误码率均随着信干比的增大而减小，在信干比小于-14dB时两条曲线近似重合，误码率基本一致，说明二者性能近似相同。而在信干比大于-14dB时，传统FH-OFDM误码率偏高，误码率为15%时PNOCFH-OFDM的信干比较传统FH-OFDM的信干比降低约1dB，即PNOCFH-OFDM系统的抗干扰性能优于传统FH-OFDM系统。

两系统抗全频带干扰的性能曲线如图7所示。

图7 PNOCFH-OFDM与FH-OFDM信号抗全频带干扰性能曲线

由图7可见，相同误码率下传统FH-OFDM系统传输过程中信干比小于PNOCFH-OFDM系统，抗干扰能力较差。信干比大于-14dB时PNOCFH-OFDM系统误码曲线下降更为明显，误码率为1%时两系统信干比相差1dB，表明PNOCFH-OFDM通信方法具有良好的抗干扰性能。

4 结论

针对传统无人机数据链抗干扰能力差的问题，本文在传统FH-OFDM技术的基础上提出一种面向无人机数据链的新型FH-OFDM通信方法，即伪随机正交码FH-OFDM技术。基于发射机和接收机的工作机理推导出发送端的信号模型，给出接收端误码性能公式，并仿真分析其基带波形及频域特性，在高斯白噪声环境下对其抗噪声性能及部分频带干扰和全频带干扰下的抗干扰性能进行仿真测试。仿真结果表明，PNOCFH-OFDM方案具有良好的抗噪声性能和抗干扰性能，相比于传统的FH-OFDM方案抗干扰容限提高超过1dB，满足无人机数据链抗干扰通信的要求。