CN102082592A

CN102082592A - 基于高速总线和gpu的快跳频多发多收系统通信方法

Info

Publication number: CN102082592A
Application number: CN2010106060281A
Authority: CN
Inventors: 卢继华; 周荣花; 李祥明; 樊芳芳; 黎悟渊
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-06-01

Abstract

本发明涉及一种基于高速总线和GPU的快跳频多发多收系统通信方法，属于通信技术领域。本发明采用多发多收发送、接收分集技术与快速跳频技术相结合；在接收端采用并行处理技术，通过引入高效同步算法以及伪码技术，并使用高速总线和GPU，在接收端对跳频信号进行同步所需的时间能够大大降低。在本发明采用的跳频图案设计规则下，可以实现用一个混频器对多个不同跳频图案的信号同时跟踪，降低了接收端的成本；发送端同时发射多个使用不同跳频图案的信号，需要同时对多路信号进行同步才能正确得到发送信息，增加了捕获难度，提高了信号的保密性。

Description

基于高速总线和GPU的快跳频多发多收系统通信方法

技术领域

本发明涉及一种基于高速总线和GPU的快跳频多发多收系统通信方法，属于通信技术领域。

背景技术

跳频技术是当今常用的一种扩频技术。在跳频通信中，收发双方都按照预定规律对传输信号的载波进行离散变化。跳频技术具有优良的抗干扰性能，已成为军用抗干扰通信技术的核心之一。根据跳频速率与符号速率的关系，跳频技术可以进一步分为慢跳频技术和快跳频技术。慢跳频(SFH)是指跳频速率比符号速率低，既多个符号通过一个载频传输。快跳频(FFH)是指跳频速率比符号速率高，既一个符号内载频多次跳变。通过在一个符号周期内进行多次频率跳变，快跳频可以实现频率分集增益。

多发多收(MIMO)技术作为未来无线通信系统的关键技术之一，能够通过充分利用空间资源，获得高空间分集，从而在不需要展宽频谱带宽的前提下提高信道容量。MIMO使用多个发送天线和接收天线来接收信号，可以在发送端引入波束成形、时空编码等技术，并可在接收端将所接收信号按一定算法进行合并，提高系统可靠性。

传统的跳频系统通常采用单发送天线单接收天线结构，抗信道衰落能力弱，且无法实现空间分集。而且其频谱利用率较低，在当前频谱资源日益紧张的情况下，极大的限制了跳频系统的应用。

高速总线，以PCIE总线为例，相比传统PCI总线的共享并行架构，给系统中的每个设备都分配了专用连接，而不是对整个总线发出带宽请求，可以以很高的速率传输数据。配合高速GPU，可以实现对多频带跳频信号的同时解调，提高频谱利用率，使得上述限制跳频系统应用的若干因素在特定情况下得以适当缓解和解决。

发明内容

本发明的目的在于改善现有跳频技术无法实现空间分集、频谱利用率较低的不足，提供一种基于高速总线和GPU的快跳频多发多收(MIMO)系统通信方法，以实现更高分集以及更高频谱利用率，能够提高分集阶数、克服信道衰落并提高系统可靠性。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种基于高速总线和GPU的快跳频MIMO系统通信方法，具体步骤如下：

步骤1，调制准备发送的信源信号。若信源信号为单路信号，则经过串并转换为多路信号后进行调制；若信源信号为多路信号，则直接进行调制。

步骤2，将步骤1得到的调制后的多路信号用多个快速跳频混频器分别对其进行混频，每个混频器的跳频图案不同，由此得到多路混频信号。其中，跳频图案的选择原则为：同一时刻不能有多个混频器使用同一频率对信号进行混频，并且每个混频器的跳频速度相同。

步骤3，将步骤2得到的多路混频信号经由多路天线发送，其中每一路信号对应一根发送天线。

步骤4，在多根接收天线接收到步骤3发送的信号后，使用GPU并行处理和高速总线传输技术，采用实现快速同步的算法达到同步；然后设计与发送端各支路对应的跳频图案进行下变频。

接收端的跳频图案具体设计规则为：

在接收端用一台混频器通过比发送端更快的跳频速度同时对多根接收天线收到信号的跳频图案进行追踪以及下变频。混频器跳频图案的跳频变化在每一个发送端载波跳频周期内遍历每一路接收信号的载波频率，在一个跳频周期内完成对每一路接收信号的下变频操作，以此实现接收端各个接收支路对各路发送天线所发送信号的下变频。

步骤5，在接收端使用最大比合并(MRC)方法对步骤4下变频后的各路信号进行处理，再用最大似然判决器得到判决结果，最终通过逆映射还原信源所传送的信息。

有益效果

1.本发明采用MIMO发送、接收分集技术与快速跳频技术结合，使得系统能够获得快跳频带来的频率增益的同时，还能获得空间增益；系统总体的增益阶数为L(每符号跳频次数)×T(发送天线数量)×R(接收天线数量)；本通信系统在对抗信道衰落以及抗干扰上表现良好。

2.本发明在接收端采用并行处理技术，通过引入高效同步算法以及伪码技术，并使用高速总线和GPU，在接收端对跳频信号进行同步所需的时间能够大大降低。在本发明采用的跳频图案设计规则下，可以实现用一个混频器对多个不同跳频图案的信号同时跟踪，降低了接收端的成本。

3.本发明在相同频谱带宽内通过多根发送天线进行不同跳频图案的信号发送，能够显著提高频带利用率(理论上与发送天线数量成正比)。不同天线发送的信号由于跳频图案不同而大大降低了频带干扰。

4.在本发明中，发送端同时发射多个使用不同跳频图案的信号，需要同时对多路信号进行同步才能正确得到发送信息，增加了捕获难度，提高了信号的保密性。

附图说明

图1为本发明的快跳频多发多收系统通信方法的流程图；

图2为具体实施方式中基于高速总线和GPU的快跳频MIMO系统的通信系统结构图；

图3为具体实施方式中发送端系统结构图；

图4为具体实施方式中接收端系统结构图；

图5为具体实施方式中发送端混频器跳频图案，具体表示了两个伪随机码产生器各自的PN序列对应跳频图案的图形表示；

图6为具体实施方式中接收端混频器跳频图案，具体表示了接收端伪随机码产生器产生的下混频PN序列对应跳频图案的图形表示。

具体实施方式

为了使得本发明的系统结构、所用技术与创新特点更易于理解，下面结合附图和实施例，进一步对本发明进行阐述。本实施例以采用PSK调制，双发送天线双接收天线，以每符号4跳快跳频系统为例。

调制方式参数设置：

本实施例采用4FSK作为调制方式，数据比特周期设为0.001秒，则相应的MFSK的码符号周期为0.002。MFSK信号载频中心频率设为50000Hz，单个载频的频率间隔取fs＝1/Ts＝500Hz。

快跳频参数设置：

每符号周期内四次跳频，跳频频率个数设为80。跳频信号中心频率fh取为100000Hz。

信道设置为瑞利信道，信噪比设为0.

由于本实施例中接收端需要对多路跳频信号同时追踪和同步，需要使用快同步技术，所以在接收端需要使用高速总线和GPU才能满足运算速度要求。本实施例在接收端采用PCIE高速总线和Nvidia Tesla 2050 GPU，以达到足够快的变频以及同步速度。

根据发明内容中所描述的技术方案，针对本实施例的双发送双接收要求所设计的通信系统总体结构如图1所示。其中，发送端和接收端的系统结构分别如图2、图3所示。三个伪随机序列发生器(发送端两个和接收端一个)发生的伪随机码互相不同，具体生成规则如下：

发送端的两个伪随机码发生器以相同的比特率发出彼此不同的伪随机码。设在从t时刻开始一个载波周期内两个伪随机码发生器产生的伪随机码分别为PN₁＝[s_t，1，1，s_t，1，2，...s_t，1，L，s_t+1，1，1，s_t+1，1，2，...s_t+1，1，L，...](L为每符号持续时间内跳频次数)和PN₂＝[s_t，2，1，S_t，2，2，...s_t，2，L，s_t+1，2，1，s_t+1，2，2，...s_t+1，2，L，...]，则接收端的伪随机码发生器以两倍的比特率产生伪随机码，并且在每一跳时间T_c内为发送端两个伪随机码发生器产生的伪随机码的结合(从t时刻开始PN_r＝[s_t，1，1，s_t，1，2，...s_t，1，L，s_t，2，1，s_t，2，2，...s_t，2，L，s_t+1，1，1，s_t+1，1，2，...s_t+1，1，L，s_t+1，2，1，s_t+1，2，2，...s_t+1，2，L，...])，由此生成的发送端和接收端混频器的跳频图案如图4，图5所示。

使用上述伪随机码生成的跳频图案控制各个混频器进行跳频，可以实现在接收端对两路发送天线所发信号同时进行追踪以及下混频操作，从而分别得到所发信息。为了降低频带干扰，本实施例设计的发射端信号的两个跳频图案在同一时刻不使用同一频率。

接收端对所收到的信号用一个混频器进行下混频后，区分开多根天线所传送的对应不同跳频图案的信号。再用MRC对其进行处理得到合成信号，送至最大似然判决器进行判决，最终通过逆映射得到传送信息。

在本实施例中使用本发明方法进行收发测试，所得误码率为0.0051，传输比特率为2000bps。而使用传统单发单收方法以同样速率传输数据所得误码率为0.0033，传输比特率为1000bps。由此证明本发明方法能够快速完成多发多收通信，显著了提高频带利用率，且具有较好的抗干扰性能。

以上列举的仅仅是一种适合于本发明的实施例，并不是限定例，本发明的范围的保护范围并不被此限定。本发明所涵盖精神和原则之内，所作的任何修改、改进以及等同替换等等，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于高速总线和GPU的快跳频多发多收系统通信方法，其特征在于：具体通过以下步骤实现：

步骤1，调制准备发送的信源信号；若信源信号为单路信号，则经过串并转换为多路信号后进行调制；若信源信号为多路信号，则直接进行调制；

步骤2，将步骤1得到的调制后的多路信号用多个快速跳频混频器分别对其进行混频，每个混频器的跳频图案不同，由此得到多路混频信号；

步骤3，将步骤2得到的多路混频信号经由多路天线发送，其中每一路信号对应一根发送天线；

步骤4，在多根接收天线接收到步骤3发送的信号后，使用GPU并行处理和高速总线传输技术，采用实现快速同步的算法达到同步；然后采用与发送端各支路对应的跳频图案进行下变频；

接收端所采用的跳频图案为：

在接收端用一台混频器通过比发送端更快的跳频速度同时对多根接收天线收到信号的跳频图案进行追踪和下变频；混频器跳频图案的跳频变化在每一个发送端载波跳频周期内使用到每一路接收信号的载波频率，并在一个跳频周期内完成对每一路接收信号的下变频操作，以此实现接收端各个接收支路对各路发送天线所发送信号的下变频；

步骤5，在接收端使用最大比合并方法对步骤4下变频后的各路信号进行处理，再用最大似然判决器得到判决结果，最终通过逆映射还原信源所传送的信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于高速总线和GPU的快跳频多发多收系统通信方法，其特征在于：所述步骤2中跳频图案的选择原则为：同一时刻不能有多个混频器使用同一频率对信号进行混频，并且每个混频器的跳频速度相同。