CN101873153A - 一种差分跳频通信中信号的同步跟踪方法 - Google Patents

一种差分跳频通信中信号的同步跟踪方法 Download PDF

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Abstract

该发明属于采用维特比译码的差分跳频信号同步跟踪方法，包括将送入抽样处理单元的中频信号进行：离散采集、FFT处理、维特比译码处理、跟踪处理及同步判断。该发明由于将早门及迟门的时域信号分别通过FFT处理后、进行维特比译码处理，以确定采样窗口偏移量；同步则根据早、迟门累积度量值的大小关系确定译码数据的输出，同时将译码数据返回给抽样处理单元、以实时调整采样窗口、实现边译码边跟踪，提高了译码性能；该发明跟踪处理不需同步序列数据，既高了传输的速率、又避免了同步序列被截获等引发的系统安全问题。因而，具有数据传输速率、通信的安全性和译码性能高，同步处理开销低，跟踪性能稳定，抗干扰、抗截获的能力强等特点。

Description

一种差分跳频通信中信号的同步跟踪方法
技术领域
本发明属于差分跳频通信技术，特别是一种基于维特比(Viterbi)译码的差分跳频信号的同步跟踪方法。
背景技术
在现有的通信技术中，差分跳频通信是现代通信领域中一种较为有效的抗干扰、抗截获的通信手段，其中接收端同步处理的有效性则是差分跳频通信能正常进行的前提。自从1995年，美国Sanders公司成功推出了一种相关跳频增强型扩频电台(Correlated HoppingEnhanced Spread Spectrum)简称CHESS电台，CHESS技术受到广泛关注，它从高速差分跳频新体制出发，较好地解决了提高数据输率和抗干扰等问题。该系统最突出的特点是采用了差分跳频(Differential Frequency Hopping，DFH)技术、其工作原理如图1所示(图中虚框部分I为其接收端针对差分跳频信号的跟踪流程示意图)；其系统包括发射端和接收端，工作流程如下：
发射端：
步骤A：将输入的串行的比特数据流送入串并转换单元(1)转换为并行的比特数据流；
步骤B：并行的比特数据流经过G函数(差分跳频比特频点映射函数)映射处理(2)映射为频率控制字fn、并组成频率控制字数据帧；
步骤C：时域波形的生成：在输入DDS单元的各频率控制字数据帧前插入由本机所设同步序列数据(3)，以生成相应频率的时域波形(4)；
步骤D：发射处理：步骤C所得时域波形，依次经中频滤波处理(5)和射频信号处理(6)后经天线发送；发送的频率间的间隔Δfn为5kHz；
接收端：
步骤E：接收端收到的信号通过射频处理(7)后，再经变频/滤波处理(8)转变为中频信号；
步骤F：步骤E所得中频信号经抽样处理(9)以采集离散的时域信号；
步骤F：将离散的时域信号通过FFT(快速傅里叶变换)处理(11)，将时域信号转换为频域信号；
步骤G：同步性判决：步骤F所得频域信号同步时，直接进行维特比译码(12)处理；当未同步时，则首先取当前窗口的前一跳作为早门窗口，下(后)一跳作为迟门窗口，以确定早、迟门窗口(13)，然后通过FFT变换所得早、迟门能量值送入同步捕获和跟踪单元进行同步处理(14)，若未捕获到相应的同步序列则继续捕获，直至捕获到相应的同步序列止；然后进行同步跟踪，跟踪方法为：若早门窗口(信号)能量值大于迟门窗口能量值、则用早门窗口能量值和当前窗口能量值计算偏移量，否则用迟门窗口能量值和当前窗口能量值计算偏移量，然后将所得偏移量反馈给抽样单元(9)处理、以调整当前抽样窗口，使其与发射端的对应窗口对齐；
步骤H：串并转换处理：译码后的数据经串并转换处理(15)将并行的比特数据流恢复为串行的比特数据流后、输出。
上述差分跳频通信系统中的同步跟踪方法的缺点主要有三个：其一.每个频率控制字数据帧发送数据前必须先发送相应的同步序列数据，从而降低了数据传输速率；其二.由于每个频率控制字数据帧前的同步序列是相同的，容易被跟踪干扰及截获，因而系统的抗截获性能及通信的安全性低；其三.译码处理过程与系统的同步处理两者不能同时进行，即译码的同时不能进行跟踪处理，因此、译码时若窗口偏移，不能及时调整，影响译码的性能，且同步处理只能在发送并收到同步序列时进行。因而存在数据传输速率低，容易被跟踪干扰及截获，译码与同步处理不能同时进行，译码时窗口偏移不能及时调整而影响译码性能等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术存在的弊病，研究设计一种差分跳频通信中信号的同步跟踪方法，以达到提高数据传输速率、通信的安全性和译码性能，增强抗干扰、抗截获的能力等目的。
本发明的解决方案是将原接收端抽样处理所得离散的时域信号、一并通过FFT处理将其转换为频域信号后，即进行同步判决；改为将其早门的时域信号及迟门的时域信号分别通过FFT处理后、进行维特比(Viterbi)译码处理，依据早门和迟门数据译码产生的累积度量值(能量值)和译出频率控制字的值、确定采样窗口偏移量，然后返回给抽样处理单元、在译码的同时可及时调整采样窗口；若捕获到同步信息、则将早、迟门累积度量值(能量值)的大小关系送入数据选择单元以确定(选择)译码数据的输出；从而实现其发明目的。因此，本发明同步跟踪方法包括接收端将收到的信号通过射频处理、再经变频/滤波处理转变为中频信号后，送入抽样处理单元，然后进行：
步骤1：离散采集：进入抽样器处理单元的中频信号分成两路，一路作为早门信号、另一路作为迟门信号，分别进行离散采集；
步骤2：FFT处理：将步骤1采集到的早门离散信号及迟门离散信号分别进行FFT(快速傅里叶变换)处理，将所得离散的时域信号分别变为频域信号；
步骤3：维特比译码处理：将步骤2所得早门频域信号及迟门频域信号分别进行维特比(Viterbi)译码处理，得相应的早门累积度量值(能量值)、早门译出频率控制字的值、译码数据及迟门累积度量值(能量值)、迟门译出频率控制字的值、译码数据；
步骤4：跟踪处理及同步判断：依据步骤3所得早门和迟门经维特比译码产生的累积度量值和译出频率控制字的值、确定采样窗口偏移量，并判断其同步与否，且无论同步与否均同时将该偏移量反馈给抽样单元处理、以调整当前抽样窗口；若同步、则将同步信息送入数据选择单元以选择早门或迟门译码数据送往串并转换单元、按常规方法将并行的比特数据流恢复为串行的比特数据流后、输出；若不同步、则循环进行步骤1至本步骤跟踪处理，至同步后输出。
上述一路作为早门信号、另一路作为迟门信号，其早门信号为较当前门早1/4跳的信号，迟门信号则为较当前门迟1/4跳的信号。
本发明由于将早门的时域信号及迟门的时域信号分别通过FFT处理后、进行维特比(Viterbi)译码处理，依据早门和迟门数据译码产生的累积度量值(能量值)和译出频率控制字的值、确定采样窗口偏移量；同步则将早、迟门累积度量值(能量值)的大小关系送入数据选择单元以确定(选择)译码数据的输出，同时无论同步与否均返回给抽样处理单元、以在译码处理的同时调整采样窗口、实现了边译码边跟踪，提高了译码性能；此外，本发明跟踪处理时不需要同步序列数据，从而不但减小了同步处理的开销、提高了数据传输的速率，而且避免了因同步序列被截获等引发的系统的安全问题。因而，本发明具有数据传输速率、通信的安全性和译码性能高，同步处理开销低，跟踪性能稳定，抗干扰、抗截获的能力强等特点。
附图说明
图1为传统差分跳频通信系统的工作流程示意图，图中虚框部分I为其接收端针对差分跳频信号的跟踪流程；
图2为采用本发明同步跟踪方法的差分跳频通信系统接收端工作流程示意图，图中虚框部分Ⅱ为本发明同步跟踪方法流程图；
图3为在AWGN(高斯白噪声)信道下本发明接收系统与传统差分跳频系统跟踪效果对比示意图；
图4为在Rayleigh(瑞利)信道下本发明接收系统与传统差分跳频系统跟踪效果对比示意图。
具体实施方式
采用本发明的差分跳频跟踪方法的一种具体实施方式如下，其中跳速为5000跳/秒，每跳持续时间Ts＝0.2毫秒，跳频频点数为128，其频率映射集合为{0；1；....；128}，频率间的间隔Δfn为5kHz，每跳携带1比特，起始窗口偏移32个采样点，采用AWGN信道，接收流程如下：
接收流程
接收端接收到发射端的信号后，通过射频信号处理(7)、变频/滤波处理(8)，转变为中频信号后、送入抽样处理单元(9)，进行：
步骤1：离散采集：进入抽样器处理单元的中频信号分成两路，一路比当前窗口提前0.05毫秒的信号作为早门信号(即早1/4跳)、另一路比当前窗口延迟0.05毫秒的信号作为迟门信号(迟1/4跳)，分别进行离散采集；
步骤2：将步骤1所得早门离散信号及迟门离散信号分别进行FFT(快速傅里叶变换)处理(10、11)，将时域信号分别变为频域信号；
步骤3：将步骤2所得早门频域信号及迟门频域信号分别进行维特比(Viterbi)译码处理(12-1、12-2)，在l时刻，得相应的早门连续64跳的累积度量值为Γe(l)＝2.15×109、早门(即早1/4跳)的前一跳译出频率控制字的值为34，当前跳译出频率控制字的值为14、译码数据为1，及迟门连续64跳的累积度量值Γc(l)＝1.62×109、迟门(迟1/4跳)的前一跳译出频率控制字的值为14、当前跳译出频率控制字的值为20、译码数据为1；
步骤4：跟踪处理及同步判断(13)：依据步骤3所得早门和迟门数据译码产生的累积度量值确定采样窗口偏移量为18个采样点，由于早门当前译出的频率控制字与迟门前一跳译出的频率控制字相等，所以向早门方向调整采样窗口，同时将该偏移量反馈给抽样单元处理(9)、以调整当前采样窗口；同步判断结果为未同步，对步骤1至本步骤循环5次后、系统达到同步状态，将同步信息送入数据选择单元(14)以选择早门数据送往并串转换单元(15)、按常规方法将并行的比特数据流恢复为串行的比特数据流后、输出。
在AWGN信道下的仿真结果如图3所示。与上述流程一致，在Rayleigh信道下的仿真结果如图4所示。由图可以看出，在AWGN信道下采用本发明的跟踪方法比传统方法误码率有所降低，在Rayleigh信道下误码率相当，所以采用本发明的跟踪方法在克服了传统跟踪方法的缺陷的同时取得了良好的跟踪效果，和原有的系统相比，实现了实时跟踪，减小了同步开销，实现了信息的安全传输。

Claims (2)

1.一种差分跳频通信中信号的同步跟踪方法，包括接收端将收到的信号通过射频处理、再经变频/滤波处理转变为中频信号后，送入抽样处理单元，然后进行：
步骤1：离散采集：进入抽样器处理单元的中频信号分成两路，一路作为早门信号、另一路作为迟门信号，分别进行离散采集；
步骤2：FFT处理：将步骤1采集到的早门离散信号及迟门离散信号分别进行FFT处理，将所得离散的时域信号分别变为频域信号；
步骤3：维特比译码处理：将步骤2所得早门频域信号及迟门频域信号分别进行维特比译码处理，得相应的早门累积度量值、早门译出频率控制字的值、译码数据及迟门累积度量值、迟门译出频率控制字的值、译码数据；
步骤4：跟踪处理及同步判断：依据步骤3所得早门和迟门经维特比译码产生的累积度量值和译出频率控制字的值、确定采样窗口偏移量，并判断其同步与否，且无论同步与否均同时将该偏移量反馈给抽样单元处理、以调整当前抽样窗口；若同步、则将同步信息送入数据选择单元以选择早门或迟门译码数据送往串并转换单元、按常规方法将并行的比特数据流恢复为串行的比特数据流后、输出；若不同步、则循环进行步骤1至本步骤跟踪处理，至同步后输出。
2.按权利要求1所述差分跳频通信中信号的同步跟踪方法，其特征在于所述一路作为早门信号、另一路作为迟门信号，其早门信号为较当前门早1/4跳的信号、迟门信号则为较当前门迟1/4跳的信号。
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