CN101964668B

CN101964668B - 一种基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法

Info

Publication number: CN101964668B
Application number: CN 201010289549
Authority: CN
Inventors: 董彬虹; 董振奇; 程乙钊
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN101964668A

Abstract

该发明属于数字通信领域中利用m序列相关性捕获的差分跳频通信方法。包括：发射流程中的设置m序列数据、串并转换、G函数映射、基带频率波形的生成、中频滤波、发射处理；接收流程中的信号的接收处理、生成基带频率波形、离散采集、时/频信号转换、译码、相关性处理、捕获的判决、数据的分离、并串转换处理及输出。该发明由于在发射端先发送等间隔插入随机数后的m序列数据并与串行的比特数据一并通过G函数映射处理；在接收端在经时/频信号转换后、先通过维特比译码去掉随机数，再对m序列进行相关捕获处理；因而该发明具有既可有效提高捕获概率、降低虚警率、缩短捕获的时间，又可有效提高系统的抗截获、抗干扰的性能等特点。

Description

一种基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域中的数字通信方法，特别是一种通过利用m序列相关性捕获的差分跳频通信方法。

背景技术

差分跳频(Differential Frequency Hopping，DFH)是一种数字通信系统，其频率跳变速度快，通信保密性、抗干扰性、抗截获性较好，接收机采用软件无线电的方式解调，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。该技术的工作原理(流程)如图1所示；其系统包括发射端和接收端，工作流程如下：

步骤A：将输入的串行的比特数据流送入串并转换单元进行串并转换处理(1)，将其转换为并行的比特数据流；

步骤B：并行的比特流进入G函数映射单元(差分跳频比特频点映射函数)映射处理(2)为待发送的频率控制字、并组成频率控制字数据帧；

步骤C：时域波形的生成：将频率控制字数据帧输入DDS单元，并在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为5kHz；

接收端流程如下所述：

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G：将离散的时域信号通过FFT(快速傅里叶变换)处理(10)，将时域信号转换为频域信号；

步骤H.同步性判决：对步骤G所得频域信号进行同步性判决(11)，当同步时、直接进行维特比译码(12)处理；当未同步时，首先确定早、迟门窗口(13)，然后经同步捕获和跟踪处理(14)后、返回步骤F，再经抽样处理(9)、FFT处理(10)、同步性判决(11)直至捕获到相应的同步序列后送维特比译码(12)处理；捕获的方法是：采用并行搜索的同步捕获方法，对M个频点信号的FFT值大于信号检测门限v的判为1，小于信号检测门限的判为0，t时刻检测到第k个频点的能量值记为z_k(t)，若z_k(t)＞v，此时的判决结果为d_k(t)，则d_k(t)＝1；然后对检测结果进行延时求和作为当前相关值D(t)，假设每跳信号持续时间为T：

D (t) = Σ_{k = 1}^{M} d_{k} [t - (M - k) T]

所以判决捕获的规则为：

其中V是捕获判决的门限；然后进行同步跟踪；

步骤I.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。

现有差分跳频信号同步的主要缺点在于：第一，在发射端发送的同步序列经过无线信道后，由于无线信道受环境影响信噪比变化很大，有时还会出现强衰落和时变强干扰，造成信号能量值变化很大，而在接收端依据各个频点的能量值来确定信号检测门限，因此很难确定一个理想的门限值，捕获判决时极易造成误判，导致捕获概率低，虚警概率高；第二，由于同步序列是固定的，因此容易被敌方截获和干扰，影响通信的安全和质量；第三，捕获时间长，通信效率低。

发明内容

本发明的目的是针对背景技术存在的缺陷，改进研究一种基于m序列同步捕获的差分跳频通信方法，在不改变原有硬件结构条件下提高捕获概率、降低虚警率、缩短捕获的时间，以及有效提高系统的抗截获、抗干扰的性能等目的。以克服背景技术受环境影响信噪比变化大，易造成误判、捕获概率低、虚警概率高，捕获时间长、效率低，以及易被截获和干扰、通信的安全性及质量差等弊病。

本发明的解决方案是利用m序列优良的自相关性和互相关性，作为接收端捕获过程中判决其相关程度用，并在m序列数据中等间隔插入随机数在接收端译码后对m序列相关并与门限比较判断是否完成捕获；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进行并行搜索的同步捕获，改为进行维特比(Viterbi)译码处理后对m序列进行相关，若相关值大于门限则判为捕获，否则继续相关，从而实现其发明目的。因此，本发明同步捕获方法包括发射流程和接收流程两部分，其中：

发射流程：

步骤1.设置m序列数据：根据捕获性能指标及捕获方案的要求选择相应长度的自相关性和互相关性均良好的m序列数据、并设置拟采用m序列的个数，同时在m序列数据中等间隔插入随机数后，存入本机中、待用；

步骤2.串并转换：将步骤1存入待用的等间隔插入随机数后m序列数据和输入的串行的比特数据先后送入串并转换处理单元、转换为并行的比特数据流；

步骤3.G函数映射处理：将步骤2所得并行的比特数据流送入G函数(差分跳频比特频点映射函数)映射处理单元，映射为待发送的频率控制字；

步骤4.基带频率波形的生成：步骤3所得频率控制字经DDS(直接数字频率合成器)处理生成相应的基带频率波形；

步骤5.中频滤波处理：所得基带频率波形再经由中频滤波处理转变为中频信号；

步骤6.发射处理：将步骤5产生的中频信号送入射频信号处理单元，转换为射频信号后、经天线发送出，发送的频率间的间隔仍为5kHz；

接收流程：

步骤7.信号的接收处理：接收机收到发射的射频信号后，将其转变为中频信号；

步骤8.生成基带频率波形：将中频信号经过变频/滤波处理单元、生成基带频率波形；

步骤9.离散采集：将步骤8生成的基带频率波送入抽样器进行离散采集；

步骤10.时/频信号转换：将采集到的离散时域信号通过FFT(快速傅里叶变换)处理，将其转换为频域信号；

步骤11.译码处理：将经FFT处理所得频域信号进行维特比译码处理；

步骤12.相关性处理：经维特比译码处理后的数据、送入同步跟踪和捕获单元、对各个m序列数据分别进行相关处理，然后送入判决器执行骤13；

步骤13：捕获的判决：由步骤12输入的相关处理后的数据进行相关性，若相关值大于设定的捕获门限值100、则判为捕获、并转步骤14，否则返回相关性处理处理单元、继续执行步骤12进行相关处理，至捕获止；

步骤14：数据的分离处理：对步骤13输入的经相关性处理后的数据进行分离处理，以分离出其中并行的比特数据、并将其送入并串转换单元执行步骤15，同时将分离出的m序列数据丢弃；

步骤15：并串转换处理：将步骤14输入的并行比特数据经并串转换处理、转换为串行的比特数据流后、输出。

上述设置拟采用m序列的个数为3-5个。在步骤12中所述对m序列进行相关处理的方法为：先将缓冲区数据向低位移一位，将当前译码结果放入缓冲区最高位，然后将本机所存m序列与缓冲区序列按位异或，所得结果即为相关值。而在步骤13中所述捕获门限值为所采用m序列数据长度的60-95％，并根所设定的捕获性能指标在该范围内确定。在步骤13中所述至捕获止，当采用多条m序列的相关性来综合判决捕获与否时，则需所采用m序列条数的50％以上达到捕获门限值时为捕获。

本发明由于在发射机在发送数据前、先发送等间隔插入随机数后的m序列数据，发射端将m序列和串行的比特数据一并通过G函数映射处理，通过G函数映射处理后的频点将随机跳变、而不是固定序列，既提高了系统的抗截获、抗干扰的性能及捕获的概率，又降低了虚警率和缩短了捕获的时间；而在接收端在经常规时/频信号转换处理后、先通过维特比(Viterbi)译码去掉随机数，再对m序列进行相关捕获处理、即将捕获放到译码处理后进行，既提高了同步捕获概率、又进一步提高了抗干扰和抗截获的性能。因而，本发明具有既可有效提高捕获概率、降低虚警率、缩短捕获的时间，又可有效提高系统的抗截获、抗干扰的性能等特点。克服了背景技术受环境影响信噪比变化大，捕获判决时极易造成误判而导致捕获概率低、虚警概率高，易被截获和干扰、通信的安全性及质量差，捕获时间长、效率低等弊端。

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(方框图)；

图2为采用本发明相关性捕获的差分跳频通信系统工作流程示意图(方框图)；

图3为在Rayleigh(瑞利)信道下本发明接收系统与传统差分跳频系统捕获概率对比示意图；

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虚警概率对比示意图。

具体实施方式

本实施方式中：跳速为5000跳每秒，每跳持续时间0.2毫秒，跳频频点数为128，频率间的间隔为5kHz，每跳携带1bit，每个m序列长度为127，根据本实施方式的捕获性能指标，将捕获门限设为100、即为一个m序列数据长度的78.7％，本实施方式采用三个m序列来完成捕获，前两个m序列采用相同设计，均为：

{1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0

1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1

1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 1

0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 1 0

1 0 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0

0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 0

0}

第3个m序列采用：

{1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1

0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0

1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0

1 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0

1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1

1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1

0}

m序列的自相关性为64/63，互相关性均为(15+64)/(15+63)＝79/78、即对于周期为127比特长的m序列来说，其最大自相关为对齐时的50％，其最大互相关为对齐时的79/127＝62.2％，前两个序列捕获到其中一个并且捕获到第三个序列则捕获成功，否则重新开始捕获；三个m序列总长度381，插入随机数为54，所以捕获序列长度为435跳，(若采用传统差分跳频同步捕获序列为1664跳，)从而缩短了捕获时间。

发射工作流程如下：

步骤1：将上述三个m序列保存到本机中，在每个m序列的第7个位置插入随机数，以提高抗干扰和抗截获性能；

步骤2：将步骤1序列数据和串行的比特数据先后送入串并转换(2)转换为并行的比特信息流；

步骤3：并行的比特数据流进入G函数(差分跳频比特频点映射函数)映射处理单元、映射为待发送的频率控制字；

步骤4：由步骤3所得控制频率控制字，经DDS(直接数字频率合成器)处理，生成相应的基带频率波形；

步骤5：所得基带频率波形再经中频滤波处理、转变为中频信号；

步骤6：将步骤5产生的中频信号送入射频信号处理单元、转变为射频信号后，经天线发出，发送频率间的间隔为5kHz；

接收工作流程如下：

步骤7：接收机收到的发送的射频信号后，将其转变为中频信号；

步骤8：中频信号经过变频/滤波处理、转变为基带频率波形；

步骤9：基带频率波形进入抽样处理单元、进行离散采集；

步骤10：将步骤9采集到的离散时域信号，经FFT(快速傅里叶变换)处理、将该时域信号转换为频域信号；

步骤11：对步骤10所得频域信号直接进行维特比译码处理；

步骤12.相关处理：对步骤11输入的经译码处理后的数据与3个m序列分别进行相关处理；

步骤13.捕获的判决：当步骤12捕获到m序列时，直接将m序列和译码数据送入同步数据处理(14)；当步骤12未捕获到m序列时，则重复步骤12，直至捕获到m序列；

步骤14.对捕获后的数据的处理：分离出并行的比特数据，并送入步骤15，同时将m序列数据做丢弃处理；

步骤15.并串处理：将步骤14输入的并行比特数据转换为串行的比特流；

在Rayleigh信道下的仿真结果如图3和图4所示。由图可以看出，在Rayleigh信道下，当信噪比为7dB时，本发明的捕获方法捕获概率为99.5％，虚警概率为5.6×10^-5；传统方法捕获概率为92.4％，虚警概率为7.1×10^-4，本捕获方法与传统方法相比捕获概率提高了7.1％，且虚警概率降低了一个数量级。

Claims

1.一种基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法，包括；

发射流程：

步骤3.差分跳频比特频点映射函数映射处理：将步骤2所得并行的比特数据流送入差分跳频比特频点映射函数映射处理单元，映射为待发送的频率控制字；

步骤4.基带频率波形的生成：步骤3所得频率控制字经直接数字频率合成器处理生成相应的基带频率波形；

步骤6.发射处理：将步骤5产生的中频信号送入射频信号处理单元，转换为射频信号后、经天线发送出，发送的频率间的间隔为5kHz；

接收流程：

步骤10.时/频信号转换：将采集到的离散时域信号通过快速傅里叶变换处理，将其转换为频域信号；

步骤11.译码处理：将经快速傅里叶变换处理所得频域信号进行维特比译码处理；

步骤12.相关性处理：经维特比译码处理后的数据、送入同步跟踪和捕获单元、对各个m序列数据分别进行相关处理，然后送入判决器执行步骤13；

步骤13：捕获的判决：由步骤12输入的相关处理后的数据进行相关性，若相关值大于设定的捕获门限值，则判为捕获、并转步骤14，否则返回相关性处理单元、继续执行步骤12进行相关处理，至捕获止；

2.按权利要求1所述基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法，其特征在于所述设置拟采用m序列的个数为3-5个。

3.按权利要求1所述基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法，其特征在于在步骤12中所述对m序列进行相关处理的方法为：先将缓冲区数据向低位移一位，将当前译码结果放入缓冲区最高位，然后将本机所存m序列与缓冲区序列按位异或，所得结果即为相关值。

4.按权利要求1所述基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法，其特征在于在步骤13中所述捕获门限值为所采用m序列数据长度的60-95％，并根据所设定的捕获性能指标在所采用m序列数据长度的60-95％范围内确定。

5.按权利要求1所述基于m序列相关性捕获的差分跳频通信方法，其特征在于在步骤13中所述至捕获止，当采用多条m序列的相关性来综合判决捕获与否时，则需所采用m序列条数的50％以上达到捕获门限值时为捕获。