CN102185634A - 一种短波跳频通信系统及其通信方法 - Google Patents

Abstract

一种短波跳频通信系统及其通信方法，在发送端，频率控制字生成模块生成频率控制字，控制开关根据数据比特流选通对应的频率控制字至发送频率合成器，产生对应的跳频频率信号，经功放后由天线发射出去；在接收端，设有与发送端同步的频率控制字生成模块，通过频率合成器，产生对应的跳频频率，所述各跳频频率分别与接收的跳频频率信号积分后再进行能量比较，能量大的则判决为数据信息，作为接收结果输出，由连续的数据输出即得到发送端所要发送的数据比特流。本发明一方面解决了传统跳频通信跳数低、数据传输率低的缺点；另一方面弥补了差分跳频通信在抗准波形干扰以及抗单音干扰能力的不足。

Description

一种短波跳频通信系统及其通信方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及跳频扩频通信，为一种短波跳频通信系统及其通信方法。

背景技术

扩频通信是无线通信常用的一种技术，跳频通信是其重要的一种方式，其在军事以及民用场合都有着广泛的应用。与常规的定频通信方式相比，跳频通信系统的工作频率是在不断跳变的，因此在通信过程中，可以避免多径干扰以及瞄准式干扰，同时其信息也不易为他方截获。

传统的短波跳频通信系统一般是首先在基带上进行调制，如FSK、PSK等调制方式，然后将得到的信号与频率合成器产生的频率进行混频、滤波等操作，最后将信号以射频的方式发射出去。这里的频率合成器就是跳频通信的关键之处，序列发生器产生随机序列，对应不同的频率控制字控制频率合成器产生不同的频率，从而实现通信频率的跳变。由于传统的短波跳频通信方式需要调制解调等过程，因此目前传统的跳频电台的跳数都比较低，一般都是在几十跳左右，比如美国的7860跳频电台，跳速为5/15/30跳/秒，数据速率2048bps；美国的RF-5140FH跳频电台，跳速20跳/秒，信息速率800bps(声码话)。从中可以看出因为传统跳频电台在每一个频点持续的时间会相对较长，如对于一个20跳/秒的传统跳频电台，每一跳持续的时间为50ms，就目前的干扰机而言，跳数在每秒千跳以下，也即通信双发传输时延大于1ms时，就可以实施引导式干扰，所以容易被对方侦取从而实施跟踪式干扰(李文龙《差分跳频的理论与实现》无线通信技术2009年28卷1期)。

为了应对引导式干扰，在1995年美国的Lockhead Sanders公司研制出一种相关跳频增强型扩频CHESS(Correlated Hopping Enhanced Spread Spectrum)无线短波电台，跳速高达5000跳/秒，其中200跳用于信道探测，4800跳用于数据传输，跳频频率数目N＝64或256；每跳传输1bit～4bit数据，即BPH＝1～4，BPH为bit per hop的缩写；数据传输速率为4.8kbps～19.2kbps。在CHESS系统中，差分跳频技术是核心技术，其基本原理是数字信息通过差分跳频操作，输出当前跳的频率控制字，通过其控制频率合成器产生所需频率发射出去。差分跳频无需基带调制，其跳频图案的产生是通过G函数来生成的，即当前输出频率fn＝G(Xn，fn-1)，其中Xn为输入的数据信息，fn-1为上一跳的频率。这种差分跳频通信方式的显著特点是跳速高，数据传输速率也比传统跳频通信方式更有优势。然而研究表明(汲万峰、夏惠诚、朱永松《短波差分跳频系统抗干扰性能分析》现代防御技术2006年12月第34卷第6期)：虽然因为现有的干扰机的引导时间还远远达不到目前的差分跳频周期值，使得差分跳频在抗跟踪式干扰，尤其对波形跟踪干扰上有着明显的优势，但是如果干扰在侦获通信方的G函数以及频率转移图后，干扰机随机产生一个频点对通信方实施干扰，即准波形跟踪式干扰，将会导致接收方的误判概率增大。另外根据《差分跳频抗波形跟踪干扰性能与策略研究》(杨保峰、沈越泓等山东大学学报(工学版))的说明，由于差分跳频接收是采用宽带接收，因此其在抗单音干扰的能力比较差。还有一点需指出的是在不存在干扰源的情况下，差分通信也有可能因为自身的这种通信方式特点对自身产生干扰，比如进入到天波通信，将有比较明显的多径效应；实际上，除了首先到达接收端的信号外，其他经过时延到达的信号都可以认为是一种准波形跟踪式干扰，在多径效应比较明显的情况下同样会对接收端的判决造成影响。

通过以上分析可知：1)传统的跳频通信有着跳速低、数据传输率低的特点，因此抗跟踪式干扰能力较差；2)差分跳频通信的跳速比较高，但是抗准波形干扰(多径效应)以及单音干扰的能力较差。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有无线通信中，传统跳频通信跳数低，易受跟踪式干扰，数据传输率低；现有的差分跳频通信在抗准波形干扰，也就是多径效应以及抗单音干扰能力存在不足。

本发明的技术方案为：一种短波跳频通信系统，包括发送端与接收端，发送端包括频率控制字生成模块和频率合成器，频率控制字生成模块的数目N对应短波跳频通信系统的阶数M：N＝2^M，所要发送数据的比特流和所有频率控制字生成模块的输出输入至控制开关，控制开关的输出连接发送频率合成器，发送频率合成器的输出经功放由天线发送；接收端包括与发送端对应的频率控制字生成模块，以及接收频率合成器，每一个频率控制字生成模块的输出对应连接一个接收频率合成器，各接收频率合成器的输出分别与接收端接收的信号经过积分器后输入能量比较模块，能量比较模块的输出为接收端的输出。

所述频率控制字生成模块由序列发生器和频率发生器组成，序列发生器的输出连接频率发生器的输入，频率发生器的输出为频率控制字生成模块的输出。

上述短波跳频通信系统的通信方法，在发送端，频率控制字生成模块生成频率控制字，控制开关根据所要发送数据的二进制比特流的连续M位信息，选通对应的频率控制字生成模块，即每一个频率控制字生成模块对应一个连续M位信息，选通的频率控制字输出至发送频率合成器，产生对应的跳频频率信号，经功放后由天线发射出去；在接收端，与发送端同步的频率控制字生成模块输出频率控制字至所连接的接收频率合成器，产生对应的跳频频率，所述各跳频频率分别与接收端接收的跳频频率信号积分后再进行能量比较，能量大的则判决为数据信息，由其对应的频率控制字生成模块得到连续M位信息，将所述M位信息作为接收结果输出，由连续的数据输出即得到发送端所要发送数据的比特流，进而得到所发送数据。

频率控制字生成模块中，由序列发生器产生随机序列，通过频率发生器生成频率控制字，所述序列发生器、频率发生器均由FPGA来实现；频率合成器为直接数字频率合成器DDS。

本发明在传统跳频通信方式的基础上，通过在收发两方进行改进，提供了一种高跳速、具有抗多种干扰样式的通信方式。与传统的跳频通信方式比较：本发明由于没有调制过程，跳数可以达到5000跳/秒甚至更高，因此第三方不可能实施跟踪干扰，而且通过本发明技术方案的表述可以发现，即使在跳数比较低的情况下，干扰机实施了跟踪干扰，但由于本发明接收端采取的是能量检测，因此干扰将不会产生实质性影响。与差分跳频通信方式相比：该通信方式拥有与差分跳频通信同样高的跳速与以及数据传输速率，在此基础上进一步克服了差分跳频通信难以抗准波形干扰，即多径效应，以及抗单音干扰能力差的缺点；因为接收端的接收机是窄带接收，即在某一时刻只会接收特定的频率信号，非特点频率信号将会视作是干扰而被滤除，因此接收出错的概率将大大降低。

附图说明

图1为本发明系统M阶情况下的发送端示意图。

图2为本发明系统M阶情况下的接收端示意图。

图3为本发明系统一阶情况下的发送端示意图。

图4为本发明系统一阶情况下的接收端示意图。

图5为本发明实施例的发送端原理示意图。

图6为本发明实施例的接收端原理示意图。

具体实施方式

本发明系统包括发送端与接收端，发送端包括频率控制字生成模块和频率合成器，频率控制字生成模块的数目N对应短波跳频通信系统的阶数M：N＝2^M，所要发送数据的比特流和所有频率控制字生成模块的输出输入至控制开关，控制开关的输出连接发送频率合成器，发送频率合成器的输出经功放由天线发送；接收端包括与发送端对应的频率控制字生成模块，以及接收频率合成器，每一个频率控制字生成模块的输出对应连接一个接收频率合成器，各接收频率合成器的输出分别与接收端接收的信号经过积分器后输入能量比较模块，能量比较模块的输出为接收端的输出。所述频率控制字生成模块由序列发生器和频率发生器组成，序列发生器的输出连接频率发生器的输入，频率发生器的输出为频率控制字生成模块的输出。

本发明中，短波跳频通信系统的阶数M是根据通信的具体需求确定的，一是数据传输速率的要求：传输速率越高则要求阶数越高；二是系统抗干扰性能要求：阶数越高系统的抗干扰性能越好但同时系统复杂度也越高；这体现了通信系统中有效性和可靠性之间的对立统一。对于阶数为M的系统，在发送端采用N个序列发生器(N＝2^M)产生跳频序列从而控制N个频率发生器生成频率控制字，至于哪个频率发生器的频率控制字可以输入到频率合成器进行频率合成器，取决于输入的比特流的连续M位信息。比如M＝3，则需要8个序列发生器产生跳频序列，连续3比特信息为一组对应一个频率发生器，将其频率控制字输入到频率合成器中；输入信息为“000”将频率控制字0输入频率合成器、输入信息为“001”将频率控制字1输入频率合成器、...输入信息为“111”将频率控制字7输入频率合成器，因此一个跳频频率可以代表的信息为3比特。阶数为M的系统发送端参见图1。

在接收端，如图2，与发送端对应采用了N个接收器接收信号，与发送端同步的频率控制字生成模块输出频率控制字至所连接的接收频率合成器，产生对应的跳频频率，所述各跳频频率分别与接收端接收的跳频频率信号积分后再进行能量比较，能量大的则判决为数据信息，由其对应的频率控制字生成模块得到连续M位信息，将所述M位信息作为接收结果输出，由连续的数据输出即得到发送端所要发送数据的比特流，进而得到所发送数据。

下面以一阶系统为例阐述发明的具体实施方案，这里阶数表示系统的复杂度需要的跳频序列发生器N＝2^M，M为系统阶数。

在发送端，数据以二进制形式传至控制开关前，在发送端有两个频率控制字生成模块连接控制开关，当数据比特为“0”时，控制开关接通序列发生器0和频率发生器0组成的频率控制字生成模块，数据比特为“1”时，控制开关接通序列发生器1和频率发生器1组成的频率控制字生成模块，而两个频率控制字生成模块是在同时工作的，因此无论数据比特是“0”或者“1”，频率控制字生成模块的序列发生器都会产生特定的跳频序列，产生相应的频率控制字，由控制开关根据数据比特流选择频率控制字输入到频率合成器，从而产生对应的跳频频率信号，经功放后发射出去。如图3所示，序列发生器0和序列发生器1均产生跳频序列并映射成频率控制字，这一功能是通过FPGA来完成的，而哪一个序列发生器的频率控制字可以接入到频率合成器从而控制其产生相应的跳频频率则是由需要传送的数据比特流决定的，当数据为“0”时，控制开关接通频率控制字0；当数据为“1”时，通过控制开关接通频率控制字1；将频率控制字输入到频率合成器生成跳频频率fmn，m＝0、1，分别对应频率发生器0、1；n＝1、2...8，为假定的跳频频率，而后经过放大器将信号发射出去。

在接收端，设有与发送端对应的频率控制字生成模块，与发送端对应的频率控制字生成模块同步，如图4所示，每一个频率控制字生成模块的输出对应连接一个接收频率合成器，两个接收频率合成器的输出分别与接收端接收的信号经过积分器后输入能量比较模块，能量比较模块的输出为接收端的输出，在同步状态下，接收端的序列发生器0和序列发生器1产生的跳频序列与发送端是一致的，从而通过频率发生器的频率控制字控制频率合成器产生的频率在时间上也是一致的，因此可以分别接收信号再进行能量比较判决出信息。

下面以数据“01100101”为例说明信息是如何传输的。

在时间起点假设序列发生器0控制产生的频率集为{f₀₁、f₀₄、f₀₂、f₀₆、f₀₃、f₀₈、f₀₅、f₀₇、f₀₃、f₀₁...}，序列发生器1控制产生的频率集为{f₁₂、f₁₅、f₁₃、f₁₁、f₁₇、f₁₄、f₁₆、f₁₈、f₁₁、f₁₂...}，当然实际情况下频率点可以更多。根据本系统的工作原理，在第一时刻数据的第一个比特“0”输入控制开关，将序列发生器0接通频率合成器，输出频率f₀₁；当第二时刻数据第二比特“1”输入控制开关，将序列发生器0接通频率合成器，输出频率f₁₅；以此类推，可得发射频率序列为{f₀₁、f₁₅、f₁₃、f₀₆、f₀₃、f₁₄、f₀₅、f₁₈}。

在接收端，在同步状态下，序列发生器0和序列发生器1控制产生的频率集分别为{f₀₁、f₀₄、f₀₂、f₀₆、f₀₃、f₀₈、f₀₅、f₀₇、f₀₃、f₀₁...}、{f₁₂、f₁₅、f₁₃、f₁₁、f₁₇、f₁₄、f₁₆、f₁₈、f₁₁、f₁₂...}，在接收端是两个序列发生器分别控制两个频率合成器生成相应的频率；在不考虑噪声等外界条件的影响下，天线接收的频率序列是与发送端一致的即：{f₀₁、f₁₅、f₁₃、f₀₆、f₀₃、f₁₄、f₀₅、f₁₈}，将接收到的频率序列与两个序列发生器产生的频率进行能量比较，能量大的频率则认定为该序列发生器对应的信息。比如接收到的第一个频率f₀₁分别与序列发生器0产生的频率f₀₁及序列发生器1产生的频率f₁₁进行积分比较能量，最终是序列发生器0检测的能量大于序列发生器1检测的能量，从而判定数据为“0”，以此类推可以判决出数据为“01100101”。

以上提及的序列发生器0、序列发生器1、频率发生器0、频率发生器1均是功能体现，非实际器件，其功能的实现均是由FPGA来完成的，跳频频率由DDS方法生成，具体器件采用AD9850。下面再结合一个具体例子进一步阐述本发明系统的使用方法。

假设在收发之间有比较明显的多径效应，在此等价为一个干扰机。收发跳频电台以高跳数，比如5000跳/秒工作，因此干扰机无法实施跟踪式干扰转而实施随机干扰或单音干扰。

以单音瞄准式干扰为例，数据为“10100101”。利用FPGA分别产生随机M序列0和随机M序列1，并通过编程将M序列0和M序列1分别映射为频率控制字集0和频率控制字集1，注意两个频率控制字集没有交集。数据输入FPGA，当数据为比特“0”时，将频率控制字集0的频率控制字输入到频率合成器产生跳频频率f_0n，当数据为比特“1”时，将频率控制字集1的频率控制字输入到频率合成器产生跳频频率f_1n。其中f_0n为频率控制字集0激励频率合成器产生的跳频频率集0：{f₀₀、f₀₁、f₀₂、f₀₃、f₀₄、f₀₅、f₀₆、f₀₇}；f_1n为频率控制字集1激励频率合成器产生的跳频频率集1：{f₁₀、f₁₁、f₁₂、f₁₃、f₁₄、f₁₅、f₁₆、f₁₇}。

在跳频电台进入同步状态后，序列发生器器0产生的随机序列为{7、6、2、4、5、0、2、4、6、1、3、7...}；通过编程将序列输出的“0”映射为频率控制字K₀₀、“1”映射为频率控制字K₀₁、...“7”映射为频率控制字K₀₇；而频率控制字K₀₀控制频率合成器产生频率f₀₀、频率控制字K₀₁控制频率合成器产生频率f₀₁、...频率控制字K₀₇控制频率合成器产生频率f₀₇。所以序列{7、6、2、4、5、0、2、4、6、1、3、7...}映射为频率控制字{K₀₇、K₀₆、K₀₂、K₀₄、K₀₅、K₀₀、K₀₂、K₀₄、K₀₆、K₀₁、K₀₃、K₀₇...}，从而对应的跳频频率序列为{f₀₇、f₀₆、f₀₂、f₀₄、f₀₅、f₀₀、f₀₂、f₀₄、f₀₆、f₀₁、f₀₃、f₀₇...}。

类似地，序列发生器器1产生的随机序列为{2、3、7、4、6、0、5、1、6、2、4、3...}；通过编程将序列输出的“0”映射为频率控制字K₁₀、“1”映射为频率控制字K₁₁、...“7”映射为频率控制字K₁₇；而频率控制字K₁₀控制频率合成器产生频率f₁₀、频率控制字K₁₁控制频率合成器产生频率f₁₁、...频率控制字K₁₇控制频率合成器产生频率f₁₇。所以序列{2、3、7、4、6、0、5、1、6、2、4、3...}映射为频率控制字{K₁₂、K₁₃、K₁₇、K₁₄、K₁₆、K₁₀、K₁₅、K₁₁、K₁₆、K₁₂、K₁₄、K₁₃...}，从而对应的跳频频率序列为{f₁₂、f₁₃、f₁₇、f₁₄、f₁₆、f₁₀、f₁₅、f₁₁、f₁₆、f₁₂、f₁₄、f₁₃...}，参见图5。

因此数据“10100101”的输出跳频频率序列为{f₁₂、f₀₆、f₁₇、f₀₄、f₀₅、f₁₀、f₀₂、f₁₁}，在接收端接收到的频率序列也即{f₁₂、f₀₆、f₁₇、f₀₄、f₀₅、f₁₀、f₀₂、f₁₁}，假设单音干扰实施了有效干扰，能量大于信号能量，当数据长度足够长时，指足以使两个跳频频率集的所有频率都用到，易知其干扰概率为1/16，而在同样条件下，传统差分跳频系统中，单音干扰的概率可以达到15/16甚至更高，见下表一和表二的分析，比如此例中干扰机若在f₁₁频点上进行干扰，则仅当接收频率为频率集0中的频点且接收端跳频序列输出为“1”也即频率集1输出也是f₁₁时，f₁₁才能为有效干扰；否则当数据为“1”，f₁₁本身就是我们需要的频率，则增强了接收能量，有助于判决，或接收端频率合成器的输出频率不包含f₁₁，则接收到的f₁₁被视为无用信号舍弃掉，参见图6。

表一：本发明实施例一阶系统抗单音干扰分析：

表二：差分跳频抗单音干扰分析

从上可以看出，本发明系统的抗干扰能力比传统的跳频通信以及差分跳频通信方式的可靠性更高，实现也比较简单。同时由于本发明系统不需要调制过程，因此可以达到与差分跳频一样的高跳速5000跳/秒，在收发端两个序列发生器的情况下，因为每一跳代表1比特信息，除去必要的开销，则可以实现4.8kbps的数据速率传输；倘若阶数为五，也就是在发送端需要32个序列发生器，对应在接收端则需要32个相应的接收器，则每一跳可以代表五比特信息，可以实现24kbps的数据传输速率，可见本发明系统的有效性是比较高的；如果提高跳速的话，传输数率可以进一步提高，比如跳速达到10000跳/秒的话，一个三阶系统就可以实现28.8kbps的数据传输速率，而差分跳频通信方式仅在9.6kbps左右。

本发明接收端的信号只有在相应频率集内并与此刻频率合成器产生的频率进行相关操作方能解调出信息，因此在每个频率集频率点数相等的情况下，M阶系统的抗单音干扰性能相比一阶系统可以提高M倍。

Claims (4)

1.一种短波跳频通信系统，包括发送端与接收端，其特征是发送端包括频率控制字生成模块和频率合成器，频率控制字生成模块的数目N对应短波跳频通信系统的阶数M∶N＝2^M，所要发送数据的比特流和所有频率控制字生成模块的输出输入至控制开关，控制开关的输出连接发送频率合成器，发送频率合成器的输出经功放由天线发送；接收端包括与发送端对应的频率控制字生成模块，以及接收频率合成器，每一个频率控制字生成模块的输出对应连接一个接收频率合成器，各接收频率合成器的输出分别与接收端接收的信号经过积分器后输入能量比较模块，能量比较模块的输出为接收端的输出。

2.根据权利要求1所述的一种短波跳频通信系统，其特征是所述频率控制字生成模块由序列发生器和频率发生器组成，序列发生器的输出连接频率发生器的输入，频率发生器的输出为频率控制字生成模块的输出。

3.权利要求1或2所述的一种短波跳频通信系统的通信方法，其特征是在发送端，频率控制字生成模块生成频率控制字，控制开关根据所要发送数据的二进制比特流的连续M位信息，选通对应的频率控制字生成模块，即每一个频率控制字生成模块对应一个连续M位信息，选通的频率控制字输出至发送频率合成器，产生对应的跳频频率信号，经功放后由天线发射出去；在接收端，与发送端同步的频率控制字生成模块输出频率控制字至所连接的接收频率合成器，产生对应的跳频频率，所述各跳频频率分别与接收端接收的跳频频率信号积分后再进行能量比较，能量大的则判决为数据信息，由其对应的频率控制字生成模块得到连续M位信息，将所述M位信息作为接收结果输出，由连续的数据输出即得到发送端所要发送数据的比特流，进而得到所发送数据。

4.根据权利要求3所述的一种短波跳频通信系统的通信方法，其特征是频率控制字生成模块中，由序列发生器产生随机序列，通过频率发生器生成频率控制字，所述序列发生器、频率发生器均由FPGA来实现；频率合成器为直接数字频率合成器DDS。

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