CN102651655B - 一种快速跳频通信的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速跳频通信的实现方法，该方法基于帧同步技术，将同步信息包含在协议帧内，经过3次确认以保证主、从机之间建立正常、稳定的同步，进而进入快速跳频通信过程。通信过程中使用了协议帧和数据帧两种类型的帧。在建立同步和进行跳频通信过程中，对协议帧和数据帧分别进行了纠检错能力较强的交织编码和RS编码（Reed-Solomon，美国数学家和工程师Irving Stoy Reed和Gustave Solomon发明的一种编码），保证了传输的可靠性，提高了抗干扰能力。在进行跳频通信时，采用基于logistic映射（由Pierre Fran?ois Verhulst提出的一种逻辑映射）生成的混沌序列作为跳频图案，使得跳频频率的随机性增强，提高了跳频电台的抗干扰性和抗侦破性。

Description

一种快速跳频通信的实现方法

技术领域

本发明涉及一种快速跳频通信的实现方法。跳频通信技术是扩频通信技术的一种，属于无线通信领域。跳频通信系统具有很强的抗干扰能力，在军事无线通信和民用移动通信中获得了越来越广泛的应用。

背景技术

跳频通信过程中收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行变化。从通信技术的实现方式来看，跳频是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。

与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被捕获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获发送方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其它未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其它的窄带通信系统兼容，即跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。

常规跳频通信中收发双方的跳频图案是事先约定好的，通信时同步地按照跳频图案进行跳变。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。为了更好地提高系统抗窃听能力和抗干扰能力，本发明采用一种基于logistic映射（由PierreFrancois Verhulst提出的一种逻辑映射）生成的混沌序列作为跳频图案，具有抗侦破性好、安全可靠的特点。

本发明提出的同步方案要求通信双方均具有精准的基准参考时钟。同步过程采用定频方式建立握手通信，因而具有建立同步时间短的特点。建立握手后，接收方提取出发送方信号中隐含的同步信息，进而进行快速跳频通信。通过同步头内部不断校正精准时钟可有效减少失步概率，而且即使失步也很容易重新建立同步。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种快速跳频通信的实现方法。具有建立同步时间短、失步概率小、抗干扰性强、抗侦破性好，安全可靠的特点。

本发明是采用以下技术手段实现的：

一种快速跳频通信的实现方法，包括以下步骤：

1.1当按下主机通信键后，主机连续发送3个信道同步头帧，然后转入接收等待状态；如果从机连续3次成功收到信道同步头帧，则向主机发送通信正常确认帧，然后转入接收等待状态；

1.2如果主机收到从机反馈的通信正常确认帧，则发送对时同步头帧，然后转入接收等待状态，如果主机没有收到从机反馈的通信正常确认帧，则主机一直处于接收等待状态直到超时重新发送3个信道同步头帧；如果从机收到对时同步头帧，则发送对时正常确认帧，然后转入接收等待状态，同时准备接收数据并解码，频率驻留计数器开始计数，计数到驻留频点末端时切换频点并使换频计数器加1；如果从机没有收到对时同步头帧则一直处于接收等待状态，直到超时回到接收信道同步头帧的状态；

1.3如果主机收到从机反馈的对时正常确认帧，则对数据进行编码并发送，同时频率驻留计数器计数，计数到驻留频点末端按照跳频图案的规律切换频率并使换频计数器加1；

1.4如果主机和从机换频计数器计数到M，则主机发送时钟校验帧，然后转入接收状态等待从机反馈；如果从机收到时钟校验帧，则发送通信正常确认帧；

1.5如果主机和从机换频计数器未计数到M，则主机、从机重复进行步骤1.2的数据通信过程，直到换频计数器计数到M为止；

1.6如果主机收到从机反馈的通信正常确认帧，则回到步骤1.2的过程，否则一直等待直到超时回到步骤1.1的过程；

前述步骤1.1、1.2、1.4中的信道同步头帧、对时同步头帧、通信正常确认帧和时钟校验帧，采用36位协议帧帧头作为帧起始标志，该36位协议帧帧头为二进制数111000100101110010111000100101110010；

前述步骤1.3中的跳频图案产生过程包括以下步骤：

2.1由平衡Gold码（Robert S.Gold发明的一种码序列）和非线性变换模块产生一组伪随机码序列，即平衡Gold码序列，平衡Gold码由11位的双m序列移位寄存器组合而成，对其进行非线性变换，产生一个6位的输出值，每个值对应一个频点；

2.2采用logistic映射生成混沌序列，每连续的6位截取成一个片段，通过与Gold码和非线性变换模块输出的频点值进行异或，从而实现对步骤2.1中的平衡Gold码和非线性变换模块产生的伪随机序列进行加密，生成加密图案；

2.3对步骤2.2得到的加密图案进行宽间隔处理，得到最终的跳频图案；

前述步骤1.3中的编码方式是Reed-Solomon（15，11）编码（15为编码后的块长度，11为编码前的消息长度，对4位的11个符号编码，构成由15（=2^4-1）个符号组成的块）和交织编码，所述步骤1.2中的解码方式是Reed-Solomon（15,11）译码和解交织；

前述步骤1.2、1.3中所述的频率驻留计数器用于对频率驻留的时间进行计数；

前述步骤1.2、1.3、1.4、1.5中所述的换频计数器用于对频率切换次数进行计数；

附图说明

图1为主机通信流程图；

图2为从机通信流程图；

图3为协议帧格式；

图4为数据帧格式；

图5为跳频图案结构框图；

图6为L-G模型（由A.Lempel和H.Greenberger提出的模型）结构框图；

图7为RS编码结构框图；

图8为RS编码运算单元功能框图；

图9为双矩阵交织法结构框图；

图10为RS译码结构框图；

图11为RS译码运算单元流程图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的实施例做进一步的说明：

参照图1、图2，主机和从机通信过程如前步骤1.1～1.6所述。该通信过程包含了电台收发双发的握手通信、同步、编解码以及快速跳频过程中的数据传输。开始通信时，主机和从机通过信道同步头帧测试信道，信道正常后通过对时同步头帧进行对时，然后进行数据通信，同时频率驻留计数器和换频计数器开始计数。当换频计数器计数至M时，暂停数据通信，主机和从机进行时钟校验。如果校验不成功则重新通过信道同步头帧测试信道；如果校验成功则判断通信是否结束，如果没有结束则重复进行数据通信过程，同时频率驻留计数器和换频计数器进行计数。

同步过程中用到了四种协议帧，分别是信道同步头帧、对时同步头帧、通信正常确认帧和时钟校验帧。由于在无线信道上传输时，出现误码的可能性较大，所以需要对协议帧进行容错处理。本发明采用36位协议帧头111000100101110010111000100101110010作为帧起始标志，帧头中允许存在少量误码而不影响帧头的正常检出，同时对于接在帧头后的协议帧信息进行编码，以便在接收端进行纠错。协议帧的帧格式如图3所示。其中，信道同步头帧作用是测试通信环境是否正常，以便通信双方建立正常、稳定的通信；通信正常确认帧作用是确认可以进行正常通信；对时同步头帧作用是消除收、发电台之间的时间误差；时钟校验帧作用是在正常通信过程中，为了消除时钟漂移和其他因素带来的时间误差，收、发双方周期性地进行时钟校验。

步骤1.3为建立同步后进行数据传输的过程，传输数据时需要使用特殊格式的数据帧以便与协议帧区分。数据帧格式如图4所示，总共有115位。其中，前向冗余位占20位，帧头占17位，数据位占60位，后向冗余位占18位。前向冗余位和后向冗余位的作用是适配切换频率时的时间间隙。数据帧各段的具体位数适配于当前的数据速率，数据速率改变时帧格式需要做一定调整。发送方将经过信道编码后的数据按照既定的帧格式装载成帧发送出去；接收方接收到数据后，先寻找帧头，识别出数据帧后按照与发送方装帧相反的过程解开数据帧，然后进行信道解码。

图5所示为跳频图案的结构框图，性能优良的跳频图案可以有效提高跳频电台的抗侦破能力。主、从通信电台建立握手通信后，即进入步骤1.3所述的快速跳频通信状态，该状态下的通信频率即是按照跳频图案的规律来变化的。跳频图案的形成过程如下：

首先，由平衡Gold码与非线性变换模块构成一组伪随机码序列（即平衡Gold码序列），平衡Gold码由11位双m序列移位寄存器组合而成，对其进行非线性变换，产生一个6位的输出值，每个值对应一个跳频频点。

由于构造的Gold码序列属于线性码，很容易被破译，所以不能直接用于跳频图案的产生，本发明采用了改进的L-G模型进行非线性变换来重新构造跳频图案。L-G模型结构框图如图6所示，图中，寄存器组c₀、c₁、...、c_n和模2加法器构成反馈移位寄存器，移位寄存器的值与V₀、V₁、...、V_k-1进行模2加法运算，得到一组码序列，即原始跳频序列。在此基础上采用k个非相邻级来抽头，将不连续的寄存器的值抽出来，从而得到改进的L-G模型。

然后，对由平衡Gold码进行非线性变换后生成的跳频图案进行加密，采用logistic映射生成混沌序列，每连续的6位截取成一个片段，通过与平衡Gold码与非线性变换模块输出的频点值进行异或，得到加密的图案。

Logistic映射定义为：x_k+1＝rx_k(1-x_k)　　　0＜x_k＜1

式中1≤r≤4，r称为分形参数。当3.5699...＜r≤4时，系统工作于混沌状态。轨道点的概率密度函数为

Logistic满映射可以直接用乘法器件实现，实现过程方便简单。因此，本发明采用Logistic映射产生混沌密码序列。该序列的生成步骤如下：

第一步：给定初值x₀，利用式x_k+1＝4x_k(1-x_k)进行迭代，生成实值序列。

第二步：为了得到数字逻辑器件所需的二进制序列，利用下式将Logistic映射产生的实值序列映射为二值序列。产生的二进制序列也具有混沌特性。

$a_k=\left\{\begin{array}{cc}1,& x_k-0.5>0\\ 0,& x_k-0.5<0\end{array}\right.$

最后，对上述加密后的跳频图案进行宽间隔处理，得到本发明使用的最终的跳频图案。宽间隔处理过程如下：

定义频点集合F：

F＝{f_t|0≤t≤N-1}

对于跳频间隔d，设f₀为实际信道频率间隔，只要满足|f_t+1-f_t|≥f₀×d就是宽间隔跳频点，反之为窄点。对窄点作如下修正：

PN(t+1)＝[PN(t)+d]mod N

其中，N为跳频频点数；PN(t)为跳频码号。

这样将窄点进行修正处理以后，在频域F上确定的频率点就构成了所需要的宽间隔跳频图案集。宽间隔处理是为了增大相邻频率的频率间隔，防止出现相邻频率太近而无法分辨的情况。假如单纯去掉中间频率，这样会减少跳频图案数量，频率随机性变差。本发明采用了平滑替代法进行宽间隔处理，不仅克服了上述缺点，保证了伪码序列的随机性，而且又等于进行了第二次非线性变换，使码的非线性化程度和抗破译能力得以增强。

图7、图8、图10、图11为RS编译码的结构框图和运算单元流程图。在综合考虑硬件实现难度、码率和纠错性能等方面因素后，本发明采用RS（15,11）码，其码率在2/3以上，能够纠正至少1/30而高达2/15的误码。

如图7所示，RS编码模块中，首先将串行输入的数据流进行串并转换后送入数据暂存区，然后由编码运算单元对其进行编码处理后再经并串转换变成串行数据流输出，这些功能模块均在时钟模块控制下完成相关操作。在编码模块中，最为核心的是编码运算单元，其完成的任务是在k个信息码元后添加n-k个由信息码元唯一决定的监督码元，共同组成n个码元的码字，图8完整显示了RS编码运算的具体运算过程，图中，a₁₀、a₃、a₆、a₁₃为生成多项式的值，R₁、R₂、R₃、R₄为寄存器。RS编码的实现步骤如下：

1)开关1在开始的k个码元周期内合上，使信息码元进入移位寄存器的（n-k）级；

2)开关2在开始的k个码元周期内处在下面的位置，使得信息码元直接传输到一个输出寄存器；

3)等第k个信息码元传输到输出寄存器时，开关1断开，开关2移到上面的位置；

4)随后的（n-k）个码元周期用于清除移位寄存器中的监督码元，这可以通过将其移到输出寄存器而完成；

5)全部码元周期数等于n，输出寄存器存储的内容就是整个码字，然后顺序将其输出即可。

RS编码后进行交织编码，可以有效地离散并纠正突发性误码。采用一般的交织方法会产生延时现象，即在对矩阵进行写操作时不能执行读操作，这样会对数据流的连续性带来影响。为了保证数据流可连续读写，本发明采用了双矩阵交织法，即对其中的一个矩阵执行写操作时，对另一个矩阵执行读操作。一次交织完成后，由控制信号完成两个矩阵的读写操作切换。其结构框图如图9所示。数据从左侧输入，从右侧输出。读写切换控制信号通过高低电平来控制读、写操作的切换。当读写切换控制信号为低电平时，向矩阵一写数据，从矩阵二读数据；当读写切换控制信号为高电平时，向矩阵二写数据，从矩阵一读数据。一个高电平或低电平持续的时间为单个矩阵容量与码元周期的乘积，即恰好将一个矩阵写满数据，同时将另一个矩阵内的数据读完。另外，交织矩阵的维数设置需要与前级RS编码的码字长度相匹配，以保证两个模块之间数据流的连续性。由于前级采用RS（15，11）码，即11个码字与4个监督码字构成一组码，共15组码，每个码字4比特，因此共60比特。于此相匹配，每个矩阵的列数设置为RS分组所含比特数的整数倍，行数则根据实际占用资源的数量酌情分配。本发明采用的是4行，60列的交织矩阵。

如图10所示，RS译码模块在整体结构上与编码类似，在时钟模块控制下，首先将串行输入的数据流进行串并转换后送入数据暂存区，然后由译码运算单元对其进行译码处理后再经并串转换变成串行数据流输出，这些功能模块均在时钟模块控制下完成相关操作。

图11所示为RS译码运算单元流程图。首先判断启动译码后，求取伴随式。假如伴随式为零，则结束本组译码，进行下一组译码；假如伴随式不为零，则求取错误位置多项式系数，然后采用前搜索法求解错误位置多项式，确定错误的个数及位置。求得错误值后，便确定了错误图样，然后根据错误图样进行纠错。该组编码译码完成后，对下一组编码进行译码。不断重复该过程直到RS译码结束。

Claims (3)

1.一种快速跳频通信的实现方法，其特征包括以下步骤：

1.1当按下主机通信键后，主机连续发送3个信道同步头帧，然后转入接收等待状态；如果从机连续3次成功收到信道同步头帧，则向主机发送通信正常确认帧，然后转入接收等待状态；如果从机没有连续3次成功收到信道同步头帧，则一直处于接收信道同步头帧状态；

1.2如果主机收到从机反馈的通信正常确认帧，则发送对时同步头帧，然后转入接收等待状态，如果主机没有收到从机反馈的通信正常确认帧，则主机一直处于接收等待状态直到超时重新发送3个信道同步头帧；如果从机收到对时同步头帧，则发送对时正常确认帧，然后转入接收等待状态，同时准备接收数据并解码；如果从机没有收到对时同步头帧则一直处于接收等待状态，直到超时回到接收信道同步头帧的状态；

1.3如果主机收到从机反馈的对时正常确认帧，则对数据进行编码并发送，同时频率驻留计数器计数，计数到驻留频点末端按照跳频图案的规律切换频率并使换频计数器加1；如果主机没有收到从机反馈的对时正常确认帧，则主机一直处于接收等待状态直到超时重新发送3个信道同步头帧；从机允许接收数据，频率驻留计数器开始计数，计数到驻留频点末端时按照跳频图案的规律来切换频点并使换频计数器加1；

跳频图案产生过程包括以下步骤：

1)由平衡Gold码和非线性变换模块产生一组伪随机码序列，即平衡Gold码序列，平衡Gold码由11位的双m序列移位寄存器组合而成，对其进行非线性变换，产生一个6位的输出值，每个值对应一个频点；

2)采用logistic映射生成混沌序列，每连续的6位截取成一个片段，通过与Gold码和非线性变换模块输出的频点值进行异或，从而实现对步骤1)中的平衡Gold码和非线性变换模块产生的伪随机序列进行加密，生成加密图案，再对加密图案采用平滑替代法进行宽间隔处理，得到最终的跳频图案；

1.4如果主机和从机换频计数器计数到M，则主机发送时钟校验帧，然后转入接收状态等待从机反馈；如果从机收到时钟校验帧，则发送通信正常确认帧；如果从机没有收到时钟校验帧，则一直处于接收等待状态，直到超时回到接收信道同步头帧的状态；

1.5如果主机和从机换频计数器未计数到M，则主机重复进行步骤1.3的数据编码发送以及计数过程，从机重复进行步骤1.3的接收数据以及计数过程，直到换频计数器计数到M为止；

1.6如果主机收到从机反馈的通信正常确认帧，则回到步骤1.2的过程，否则一直等待直到超时回到步骤1.1的过程；

其中：频率驻留计数器用于对频率驻留的时间进行计数；换频计数器用于对频率切换次数进行计数。

2.根据权利要求1所述的快速跳频通信的实现方法，其特征在于：所述步骤1.1、1.2、1.4中的信道同步头帧、对时同步头帧、通信正常确认帧和时钟校验帧，采用36位协议帧帧头作为帧起始标志，该36位协议帧帧头为二进制数111000100101110010111000100101110010。

3.根据权利要求1所述的快速跳频通信的实现方法，其特征在于：所述步骤1.3中的编码方式是Reed-Solomon(15，11)编码和交织编码，所述步骤1.2中的解码方式是Reed-Solomon译码和解交织；其中，15为编码后的块长度，11为编码前的消息长度，对4位的11个符号编码，构成由15(＝2^4-1)个符号组成的块。

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