CN102857254B - 跳频通信系统及其基带实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跳频通信系统及其基带实现方法，该跳频通信系统包括发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块、AD转换模块、上变频模块、功放模块、发射天线、接收天线、下变频模块、DA转换模块、跳频信号解跳同步模块，发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块、AD转换模块、上变频模块、功放模块依次与发射天线连接，接收天线通过无线空间接收发射天线发射的模拟信号，接收天线还与下变频模块、DA转换模块、跳频信号解跳同步模块依次连接，发射信号频率跳变模块采用数字控制振荡器。本发明采用数字信号处理技术，在基带上实现跳频信号的频率跳变和跳频解跳，降低了硬件电路实现的复杂度，实现了通信系统平台的可继承性。

Description

跳频通信系统及其基带实现方法

技术领域

本发明涉及通信的遥控遥测领域，特别是涉及一种跳频通信系统及其基带实现方法。

背景技术

在数字信息传输系统中的跳频扩谱通信技术中，跳频是最常用的扩频方式之一。一般的跳频通信系统主要采用射频跳频的方法实现。以QPSK(Quadrature Phase Shift Keying，四相相移键控)调制方式为例，其他调制方式类同。假定调制器复基带信号为I(t)+jQ(t)，(I表示同相支路，Q表示正交支路，t表示时间)，频率跳变频点为f_n，n＝1、2LN，则跳频信号为(Re表示取复数的实部)。频率跳变频点f_n的产生可以通过锁相频率合成、直接数据合成及二者的混合方法获得。对于跳频信号频域上有一个统计中心，设其为f_c，则跳频信号可改写为与非跳频通信系统进行比较，把称为跳频等效调制复基带信号，即跳频等效调制复基带信号S1(t)经过中心频率为f_c的I/Q正交调制器调制后，可以产生跳频信号S2(t)。

射频跳频实现的技术难点主要表现在如何实现宽频带内的快速变频和在快速变频的同时如何保证信号的高质量，快速变频与信号的高质量是相互矛盾的。要实现射频跳频，系统必须在一定的保护时间(换频时间)内快速地从一个频点切换到另一个频点，在此时间内是不能传送信息的，如果不对信息进行处理，对应于换频时间内的信息就会白白丢掉，造成在进行语音通信时出现间隔，在进行数据通信时出现固定的误码，实现快速跳频的同时必然会带来调制精度下降、接收灵敏度恶化、杂散增加的问题。同时采用射频跳频增加了射频部分硬件设计的难度与复杂度，两个频点之间的换频时间同时不利于通信系统平台的可继承性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种跳频通信系统及其基带实现方法，其采用数字信号处理技术，在基带上实现跳频信号的频率跳变和跳频解跳，降低了硬件电路实现的复杂度，实现了通信系统平台的可继承性。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种跳频通信系统，发射端包括依次连接的发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块、AD转换模块、上变频模块、功放模块、发射天线，接收端包括依次连接的接收天线、下变频模块、DA转换模块、跳频信号解跳同步模块，其中

所述发射信号数据成帧模块用于对信息数据进行成帧处理，即在发送的信息数据中每隔固定时隙插入同步字；

所述发射信号频率跳变模块采用数字控制振荡器，在数据帧每帧开始的位置根据频率跳变使能信号改变频率控制字，得到不同的跳变频率，完成信息数据的频率跳变，从而得到频率跳变的基带信号；

所述AD转换模块用于将基带信号变成模拟信号；

所述上变频模块用于对模拟信号进行上变频处理，得到高频段的跳频信号；

所述功放模块对跳频信号经过功率放大后通过发射天线进行发射；

所述下变频模块用于将通过接收天线到的频率跳变信号进行下变频处理得到频率跳变的复基带信号；

所述DA转换模块将频率跳变的模拟信号变为频率跳变的数字信号。

所述跳频信号解跳同步模块包含跳频信号捕获模块、跳频图案确认模块和跳频信号跟踪模块，其中

所述跳频信号捕获模块用于执行跳频信号捕获步骤，即将频率跳变的基带信号根据初始设定的频率控制字产生一个初始的频点值进行相乘运算，而后与本地同步字进行相关运算，在频率跳变处检测同步字的相关峰值，如果在某个频率跳变处检测到同步字的相关峰值，则捕获到跳频信号，进入跳频图案确认模块；

跳频图案确认模块用于执行跳频图案确认步骤，即按照频率跳变的规律，在下一个频率跳变处再次检测到同步字的相关峰值，则进入跳频信号跟踪模块，否则跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤；

所述跳频信号跟踪模块用于执行跳频信号跟踪步骤，即按照频率跳变的规律，在接下来的八个频率跳变处至少一次检测到同步字的相关峰值，则维持跳频信号跟踪步骤，否则就确认跳频失步，跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤。

本发明还提供一种跳频通信系统的基带实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、信息数据传输开始，首先经过串并转换生成I、Q两路信号，而后通过发射信号数据成帧模块进行数据成帧处理，数据成帧即在发送的信息数据中每隔固定时间插入同步字；

S2、数字控制振荡器在数据帧每帧开始的位置根据频率跳变使能信号改变频率控制字，得到不同的跳变频率，完成信息数据的频率跳变，从而得到频率跳变的基带信号；

S3、跳频信号解跳同步模块的处理主要包括跳频信号捕获、跳频图案确认和跳频信号跟踪三个步骤，跳频信号捕获步骤：在接收天线从发射天线得到频率跳变信号并经过下变频模块处理后得到频率跳变的基带信号，首先根据初始设定的频率控制字产生一个初始的频点值进行相乘运算，而后与本地同步字进行相关运算，在频率跳变处未检测到同步字的相关峰值，则处于跳频信号捕获步骤；如果在某个频率跳变处检测到同步字的相关峰值，则捕获到跳频信号，即进入跳频图案确认步骤；跳频图案确认步骤：当捕获到跳频信号，进入跳频图案确认步骤后，如果按照频率跳变的规律，在下一个频率跳变处再次检测到同步字的相关峰值，则进入跳频信号跟踪步骤，否则进入跳频信号捕获步骤；即连续两个在频率跳变处均检测到相关峰值，就确认跳频同步并进入跳频信号跟踪步骤；跳频信号跟踪步骤：进入跳频信号跟踪步骤后，按照频率跳变规律，在接下来的八个频率跳变处至少一次检测到同步字的相关峰值，则维持跳频信号跟踪步骤，否则进入跳频信号捕获步骤，即连续八个在频率跳变处均未检测到同步字的相关峰值，就确认跳频失步，跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤。

本发明的积极进步效果在于：

一、本发明将通信帧的同步字用于判定跳频通信系统跳频捕获与跟踪的依据，同时若想提高接收信号频率解跳时的信噪比，可以采用重复的N个同步字作为通信帧的同步字进行自适应处理，则同步字相关峰值处信噪比处理增益提高至10log(N*M)，便于跳频解跳时捕获与跟踪，提高了同步接收的稳定性和程序的鲁棒性。

二、本发明通过数字控制振荡器(NCO)进行跳频频点的跳变，便于频点的跳变，大大缩短了频率跳变的换频时间。以2M的符号速率为例，则换频时间只占用一个符号，即为2微秒，同时不影响数据的传输速率。而采用射频跳频，两个频点之间的切换需要综合考虑硬件电路锁相环等占用时间，其换频时间远远大于2微秒，此换频时间内的数据是冗余数据，增大了信息传输的冗余度。

三、本发明跳频通信系统相邻两个频率跳变的时间由通信帧的每帧所占用的时间决定，即每个频点的跳变从每帧开始的位置起跳，在接收端进行信号解跳以及解调时降低了数字信号处理的复杂度，便于此跳频系统的(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)实现。

四、本发明跳频通信系统的频率跳变与解跳全部采用数字信号处理的技术在基带部分实现，同时频率跳变的点数和跳变频率可以通过数字信号处理技术进行适配，降低了射频部分硬件设计，从而减少了射频硬件设计的开支与生产周期，满足不同用户的需求。

五、本发明设计的跳频捕获与跟踪模块在保证稳定工作的前提下最大程度节约了可编程逻辑资源。

六、本发明选用数字控制振荡器(NCO)进行频率跳变，在相同信号带宽的情况下，相对射频跳频，可以进行高速的信息传输速率，降低了信息传输过程中的冗余。

附图说明

图1为本发明跳频通信系统的原理框图。

图2为发射信号数据成帧模块的原理示意图。

图3为发射信号频率跳变模块的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明跳频通信系统包括发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块、AD转换模块、上变频模块、功放模块、发射天线、接收天线、下变频模块、DA转换模块、跳频信号解跳同步模块，发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块、AD转换模块、上变频模块、功放模块依次与发射天线连接，接收天线通过无线空间接收发射天线发射的模拟信号，接收天线还与下变频模块、DA转换模块、跳频信号解跳同步模块依次连接，发射信号频率跳变模块采用数字控制振荡器。其中发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块和跳频信号解跳同步模块为全数字化处理模块，其余模块为硬件实现模块。

本发明跳频通信系统的基带实现方法包括以下步骤：

S1、信息数据传输开始(以QPSK调制方式为例，其他调制方式类同)，如图2所示，首先经过串并转换生成I、Q两路信号，而后通过发射信号数据成帧模块进行数据成帧处理，数据成帧即在发送的信息数据中每隔固定时间插入同步字。此处我们采用重复的3(N＝3)个同步字作为通信帧的同步字，同步字长度M为16时，同步字相关峰值处信噪比处理增益相应提高至17dB。同时由于重复使用同步字，软件实现时可以只设计一个同步字的相关运算，其余可重复使用，便于FPGA(Field－Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列)实现。为提高跳频信号解跳时的处理增益，采用重复的N个同步字作为通信帧的同步字。

S2、如图3所示，数字控制振荡器(NCO，numerical controlled oscillator)在数据帧每帧开始的位置根据频率跳变使能信号改变频率控制字，得到不同的跳变频率f_n-f_c，完成信息数据的频率跳变，从而得到频率跳变的基带信号。在发射信号频率跳变模块中，设计的频率跳变的起始时刻为同步字开始的位置，假定数据帧的帧长为L，数据帧的符号速率为f_s，则每一频点的驻留时间为L/f_s，单位时间内的跳频次数为f_s/L。一方面，数据帧的帧长以及符号速率决定了频率跳变的跳速，可以通过适配帧长以及数据帧的符号速率来满足不同客户对跳频速率的需求；另一方面，可以通过适配数据帧的符号速率来满足大信息容量的信息传输，而无需进行额外的更改。为便于满足不同客户对跳频速率的要求、为便于跳频同步的捕获与跟踪的数字化实现、为便于满足不同客户对传输信息容量的要求，频率跳变的起始时刻选择为数据帧同步字开始的位置。信息数据经过成帧以及频率跳变模块之后的数字信号经过AD转换模块变成模拟信号，即信号而后经过中心频率为f_c的上变频模块，得到高频段的跳频信号其跳变频率为f_n。高频段的跳频信号经过功率放大(即功放模块)通过发射天线发射出去。

S3、跳频信号解跳同步模块的处理主要包括跳频信号捕获、跳频图案确认和跳频信号跟踪三个步骤。跳频信号捕获步骤：在接收天线(接收端)从发射天线(发射端)得到频率跳变信号并经过下变频模块(下变频模块的中心频率为f_c)处理得到频率跳变的复基带信号此模拟信号S1(t)经过DA转换模块将频率跳变的模拟信号变为频率跳变的数字信号。而后首先根据初始设定的频率控制字产生一个初始的频点值进行相乘运算，而后与本地同步字进行相关运算，在频率跳变处未检测到同步字的相关峰值，则处于跳频信号捕获步骤。如果在某个频率跳变处检测到同步字的相关峰值，则捕获到跳频信号，即进入跳频图案确认步骤。跳频图案确认步骤：当捕获到跳频信号，进入跳频图案确认步骤后，如果按照频率跳变的规律，在下一个频率跳变处再次检测到同步字的相关峰值，则进入跳频信号跟踪步骤，否则进入跳频信号捕获步骤。即连续α(α＝2)个在频率跳变处均检测到相关峰值，就确认跳频同步并进入跳频信号跟踪步骤。跳频信号跟踪步骤：进入跳频信号跟踪步骤后，按照频率跳变规律，在接下来的八个频率跳变处至少一次检测到同步字的相关峰值，则维持跳频信号跟踪步骤，否则进入跳频信号捕获步骤。即连续β(β＝8)个在频率跳变处均未检测到同步字的相关峰值，就确认跳频失步，跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤。

经过我们大量的仿真以及工程实践，最终确定了在此模块中跳频捕获与跟踪转换策略中的参数设置：即α＝2，β＝8。此时其平均同步捕获时间很短；且一旦跳频系统处于跟踪步骤，其进入跳频信号捕获状态的概率极小，通过我们的仿真以及工程实践，成功解决了基于数字信号处理技术在基带信号处理层面实现跳频信号的频率跳变以及跳频解跳的问题。相对于业界采用射频频率跳变以及解跳的技术，完成了一个很大的突破，从而大大降低了射频部分硬件实现的复杂度，缩短了跳频通信系统的更新周期，为后续提高跳频通信设备的数据传输速率，增大跳频速率，提高跳频频带宽度奠定了技术基础。采用数字信号处理技术在基带信号上实现频率跳变和跳频解跳在实际应用中能起到很好的效果。

本发明采用数字信号处理的技术，实现跳频通信系统的全数字化处理，即对跳频等效调制复基带信号进行数字化处理(其中f_n-f_c按跳频图案进行相应跳变)，以达到通信系统的频率跳变。采用全数字化进行处理，可以提高跳频频点的换频时间，减少数据传输中的冗余。有效利用通信帧的同步字特性进行跳频的捕获与跟踪，提高了跳频频点的捕获时间，降低了射频部分设计的难度与复杂度，提高了系统平台的可继承性，同时通过数字信号处理软件的设置可满足不同跳频速率和信息传输速率的灵活需求。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (2)

1.一种跳频通信系统，其特征在于，发射端包括依次连接的发射信号数据成帧模块、发射信号频率跳变模块、AD转换模块、上变频模块、功放模块、发射天线，接收端包括依次连接的接收天线、下变频模块、DA转换模块、跳频信号解跳同步模块，其中

所述发射信号数据成帧模块用于对信息数据进行成帧处理，即在发送的信息数据中每隔固定时隙插入同步字；

所述发射信号频率跳变模块采用数字控制振荡器，在数据帧每帧开始的位置根据频率跳变使能信号改变频率控制字，得到不同的跳变频率，完成信息数据的频率跳变，从而得到频率跳变的基带信号；

所述AD转换模块用于将基带信号变成模拟信号；

所述上变频模块用于对模拟信号进行上变频处理，得到高频段的跳频信号；

所述功放模块对跳频信号经过功率放大后通过发射天线进行发射；

所述下变频模块用于将通过接收天线到的频率跳变信号进行下变频处理得到频率跳变的复基带信号；

所述DA转换模块将频率跳变的模拟信号变为频率跳变的数字信号；

所述跳频信号解跳同步模块包含跳频信号捕获模块、跳频图案确认模块和跳频信号跟踪模块，其中

所述跳频信号捕获模块用于执行跳频信号捕获步骤，即将频率跳变的基带信号根据初始设定的频率控制字产生一个初始的频点值进行相乘运算，而后与本地同步字进行相关运算，在频率跳变处检测同步字的相关峰值，如果在某个频率跳变处检测到同步字的相关峰值，则捕获到跳频信号，进入跳频图案确认模块；

跳频图案确认模块用于执行跳频图案确认步骤，即按照频率跳变的规律，在下一个频率跳变处再次检测到同步字的相关峰值，则进入跳频信号跟踪模块，否则跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤；

所述跳频信号跟踪模块用于执行跳频信号跟踪步骤，即按照频率跳变的规律，在接下来的八个频率跳变处至少一次检测到同步字的相关峰值，则维持跳频信号跟踪步骤，否则就确认跳频失步，跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤。

2.一种跳频通信系统的基带实现方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、信息数据传输开始，首先经过串并转换生成I、Q两路信号，而后通过发射信号数据成帧模块进行数据成帧处理，数据成帧即在发送的信息数据中每隔固定时间插入同步字；

S2、数字控制振荡器在数据帧每帧开始的位置根据频率跳变使能信号改变频率控制字，得到不同的跳变频率，完成信息数据的频率跳变，从而得到频率跳变的基带信号；

S3、跳频信号解跳同步模块的处理主要包括跳频信号捕获、跳频图案确认和跳频信号跟踪三个步骤，跳频信号捕获步骤：在接收天线从发射天线得到频率跳变信号并经过下变频模块处理后得到频率跳变的基带信号，首先根据初始设定的频率控制字产生一个初始的频点值进行相乘运算，而后与本地同步字进行相关运算，在频率跳变处未检测到同步字的相关峰值，则处于跳频信号捕获步骤；如果在某个频率跳变处检测到同步字的相关峰值，则捕获到跳频信号，即进入跳频图案确认步骤；跳频图案确认步骤：当捕获到跳频信号，进入跳频图案确认步骤后，如果按照频率跳变的规律，在下一个频率跳变处再次检测到同步字的相关峰值，则进入跳频信号跟踪步骤，否则进入跳频信号捕获步骤；即连续两个在频率跳变处均检测到相关峰值，就确认跳频同步并进入跳频信号跟踪步骤；跳频信号跟踪步骤：进入跳频信号跟踪步骤后，按照频率跳变规律，在接下来的八个频率跳变处至少一次检测到同步字的相关峰值，则维持跳频信号跟踪步骤，否则进入跳频信号捕获步骤，即连续八个在频率跳变处均未检测到同步字的相关峰值，就确认跳频失步，跳频通信系统进入跳频信号捕获步骤。