CN101442341A - 一种新的跳频信号捕获方法 - Google Patents

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程郁凡
刘晓晖
李少谦
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Abstract

本发明公开了一种新的跳频信号捕获方法，在频率发生器模块6前增加了一个认知处理模块7，对系统被干扰的工作频点进行认知识别，根据跳频同步序列筛选出未被干扰的频点，选择监测频点进行跳频同步信号的相关捕获。采用本发明的通信方法，既可保证系统在干扰环境中保持原有的平均捕获时间和捕获概率，又可降低系统在干扰环境中的虚警概率。

Description

一种新的跳频信号捕获方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及采用跳频通信方式的系统。
背景技术
众所周知，在现有的通信技术中，跳频通信是现代通信领域中一种有效的抗干扰通信手段。而同步捕获，则是跳频通信正常进行的前提。
敌对环境下的部分频带干扰及多音干扰为跳频信号的正确捕获带来了极大威胁。跳频信号的同步捕获通常分为匹配滤波器同步法(并行同步法)、滑动相关同步法(串行同步法)以及两级同步法(串并混合同步法)，其工作原理如图1所示。其中模块4是特征信号检测模块，它的原理是：预定一个门限值η，对跳频信号包络(|Zk|)超过门限的部分进行捕捉，然后对一段时间内的判决值进行累加判决。见图2。详细内容见Clive A.Putman，Stephen S.Rappaport。“A Comparison of Schemes for Coarse Acquisition of Frequency-HoppedSpread-Spectrum Signals”[J]，IEEE Transactions on Communications，February 1983，31(2)：183-189，以及梅文华，跳频通信[M].北京：国防工业出版社，2005。
现有跳频信号同步捕获方法的主要缺点在于：对于匹配滤波器同步法，由于其被动相关机制，当随机选取的一段检测频点有相当部分落入干扰频带时，判决门限将被调高，甚至到极限，此时系统同步捕获功能可能完全失效。而对于采用主动相关机制的滑动相关同步法，类似干扰环境下虽有可能最终同步，但其依次滑动的串行机制将使系统信号虚警概率和捕获时间在原来基础上成倍增加。
发明内容
本发明的任务是提供一种基于认知相关机制的跳频信号捕获方法，采用本发明的方法，在不改变系统原有硬件结构条件下有效弥补了跳频通信系统现有捕获方法的弊端，在干扰信号恶劣的敌对环境中表现了较稳健的捕获性能。
本发明用于跳频通信系统的接收机部分。
本发明的接收机部分组成：包括带通1、混频2、滤波器组3、特征信号检测4、门限判决5、认识处理6、频率发生器7等模块。
本发明接收机部分工作过程：如图3所示，天线接收下来的信号经过限频带宽为W的带通滤波器后，在超外差接收方式下，接收信号X(t)与本地频率发生器输出的信号进行混频，再经过限频带宽为B的带通滤波器后，得到固定中心频率为f0(Hz)的第n个检测频点信号rn(t)，W为系统跳频信号工作总带宽，B为每个跳频信号瞬时带宽。对rn(t)进行目标信号特征检测，如包络检测，当检测结果Zn(t)大于判决门限η时，结合跳频图案和跳频速率等时频域先验信息对其进行认知处理，若不符合目标信号特征，则判该工作频点被干扰或被占用。进而依据跳频图案调整频率发生器选取下一个检测频点进行认知。如此反复直至选取完N个检测频点。这是本发明的主要创新内容；然后根据筛选出的未被干扰的工作频点进行跳频信号的相关捕获。
在阐述本发明方法之前，首先介绍本发明中所用的术语：
1)无扰因子αj(j＝1，2，3··U)是一个数组，且满足两个条件：(1)|αj|＝1；(2)假设映射集合为C，对于数据点Zk∈C，有(Zk*αj)∈C。
2)最优无扰因子是指该频点所受敌对干扰影响最小，即使
Figure A200710050545D00041
(当|zk|>η时)最大的一簇无扰因子。其中各组数据点经信号特征检测之后，与无扰因子相乘叠加所得数据点为
Figure A200710050545D00042
k＝1，2，3……N.N为跳频通信系统接收端的匹配滤波器个数。η为信号特征检测的判决门限。
3)认知处理是指通过信号特征信息检测对系统工作频点受干扰程度的一个认知处理。
认知处理的方法是：根据目标接收信号特征的先验知识，如信号调制方式，系统跳频图案，跳频驻留时间等，对检测频点进行一段时间的特征统计。当信号特征与目标信号特征相关程度较小时，赋予该频点较小值的无扰因子，反之赋予较大的无扰因子。依此类推，获得各工作频点无扰因子，并从中选出一组(N个)最优无扰因子对应的频点，通过调整频率发生器进行相关捕获。
选择频点的方法可以通过最优无扰因子排序来选择，也可以根据一定的无扰因子，按照跳频图案顺序选取延迟时间段最短的频点序列。
本发明提出了一种基于认知相关机制的跳频方法，包括以下步骤：
步骤1按跳频图案顺序依次对系统工作频点进行一段时间的观察统计；
步骤2在观察时间段内，当信号特征与目标信号特征相关程度较小时，赋予该频点较小值的无扰因子，反之赋予较大的无扰因子。依此类推，得到系统各工作频点的无扰因子αj(j＝1，2，3··U)；
步骤3根据无扰因子大小进行排序，选取N个最大无扰因子相对应的工作频点进行跳频信号的捕获；
步骤4在同步捕获完成前按时间段逐个对各工作频点的无扰因子进行更新，并对匹配滤波器组中无扰因子变到一定程度小的工作频点通过调节本振信号频率逐个进行替换。
步骤5同步捕获完成后，按步骤2继续对各工作频点无扰因子进行更新排序，备下一次同步捕获时进行步骤3所用。
本发明的工作流程如图4所示。
需要说明的是，步骤1中对观测的工作频点个数可以采用任意形式分组，步骤3中N个相应工作频点的选取策略可以是以最大无扰因子为优先，也可以是一定无扰因子下的最小延迟时间和(图2中所有延迟的时间和)为准则。
本发明的工作原理：通过这种开始捕获前挑选干扰程度最小(具有最大无扰因子)的的检测频点方式，可以让用于检测跳频信号的匹配滤波器组的利用效率最大化，进最大可能地避免阻塞干扰，其所付代价是捕获前需要少量时间进行检测频点的筛选(认知检测)和方便可调的频率发生器，对于已技术成熟且大量使用的数字程控频率合成器的现在，这些代价是可接受的。
结论：从上面的理论分析可知，这种基于认知处理的跳频信号捕获方法，既可使系统在复杂恶劣的敌对环境中保持较稳健的捕获性能，又无需对系统原有硬件结构进行大的改动。
本发明创新点：现有的跳频信号捕获方法对关注频点多采用随机选取的方式，应对被干扰的频点也是通过提高检测门限来降低系统虚警概率，然而由于敌对环境的恶劣，合适检测门限并不易获取，且由于实际电路的工作范围会使得检测门限过高而限制电路本身的功能。本发明对此提出了一种新的跳频信号捕获方法，通过提前对工作频点被干扰程度得检测，以选取干扰程度最小的工作频点进行相关检测，可以极大程度上避让干扰信号的进入，从而保证系统在各种环境下对跳频信号捕获性能的稳健性。
本发的实质：相对于跳频通信系统中传统的同步捕获方法，本发明的核心思想是：增加了各工作频点的认知检测处理，使系统在同步捕获过程中尽量在被敌意干扰程度最小的工作频点进行，进而在保障系统跳频信号捕获概率的同时，降低了系统的虚警概率。
本发明的工程实现与传统的跳频通信系统相比，具有的特点在于：在系统接收端硬件设计上改动不大，对于采用滤波器组形式的并行捕获机制，需将原来几个固定频率的本振信号改为其频率程控可变。对于串行机制的系统，则不改动原硬件结构，只需在软件上增加认知相关检测算法，并对系统软件流程作相应调整。
附图说明
图1是采用传统跳频信号捕获方法的跳频通信系统工作原理图：
其中：1是工作频带带通滤波器，2是混频模块，3是匹配滤波器组模块，4是特征信号检测模块，5是门限判决模块，6是频率发生器模块；
图2是信号检测工作原理图：
其中信号检测例举了包络检测方法。除了包络检测，检测模块还可以根据信号各项特征进行其它方式的检测，其检测的目的是为认知处理模块提供无扰因子的赋值依据。
图3是采用本发明提出的新的跳频信号捕获方法在跳频通信系统中的工作原理图：
其中：1是工作频带带通滤波器，2是混频模块，3是匹配滤波器组模块，4是特征信号检测模块，5是门限判决模块，6是频率发生器模块；7是认知处理模块；
图4是本发明的工作流程图
具体实施方式
本发明主要创新是通过信号特征检测给出认知处理模块所需数据，并对跳频通信系统同步捕获的工作频点预先进行筛选，通过频率发生器调节本振信号，对受干扰的工作频点进行有效避让，然后，联合其他模块，组成本发明的跳频捕获结构。
理论推导及性能仿真表明，在系统工作频点个数M＝128，信噪比S/N＝10dB，检测频点数N＝8，干信比J/S在-15dB～+15dB，干扰频点数在0～120的情况下，系统的检测概率大于99.2％，虚警概率维持在1.562×10-10附近，使跳频通信系统在无线传输信道恶劣的敌对环境中表现了较稳健的同步捕获性能。

Claims (2)

1、一种新的跳频信号捕获方法，包括特征信号检测模块(4)、认知处理模块(7)、频率发生器模块(6)等；
其特征在于认知处理(7)模块，它是按照下面步骤工作的：
步骤1按跳频图案顺序依次对系统工作频点进行一段时间的观察统计；
步骤2在观察时间段内，当信号特征与目标信号特征相关程度较小时，赋予该频点较小值的无扰因子，反之赋予较大的无扰因子。依此类推，得到系统各工作频点的无扰因子αj(j＝1，2，3…U)；
步骤3根据无扰因子大小进行排序，选取N个最大无扰因子相对应的工作频点进行跳频信号的捕获；
步骤4在同步捕获完成前按时间段逐个对各工作频点的无扰因子进行更新，并对匹配滤波器组中无扰因子变到一定程度小的工作频点通过调节本振信号频率逐个进行替换。
步骤5同步捕获完成后，按步骤2继续对各工作频点无扰因子进行更新排序，备下一次同步捕获时进行步骤3所用。
2、根据权利要求1所述的一种新的跳频信号捕获法，其特征是所述步骤3中N的取值个数不限。步骤4中的滤波器组工作频点替换方式可以采用任意形式进行。
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