CN104022796B - 一种基于非连续频段的跳频序列产生方法及结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非连续频段的跳频序列产生方法及结构，方法包括以下步骤：S1：将待检测频谱平均划分为N个频段，并对每个频段进行编号；S2：利用频谱感知技术检测频带中的空闲频段，并将空闲频段的编号组合成一个可用的频谱编号池，编号数为N₁；S3：构造一个长度为L，序列值在0～(N₁‑1)范围内的过渡跳变序列；S4：将过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射，最终产生一个基于非连续频段的跳频序列。本发明的方法及结构，能够很好的融合认知无线电技术和跳频技术，产生的跳频序列具有非常良好的汉明相关性、随机性、一维均匀性和二维连续性，明显的提高了跳频通信的质量。

Description

一种基于非连续频段的跳频序列产生方法及结构

技术领域

本发明涉及跳频通信中的跳频序列设计，属于跳频通信领域，特别涉及一种基于非连续频段的跳频序列产生方法及结构。

背景技术

跳频通信是指载波在伪码控制下不断随机跳变，它具有抗干扰、低截获、多址组网、抗衰落、易与窄带通信系统兼容等优点，因而被广泛用于军事环境中。

跳频序列应该具有良好的汉明相关性、随机性、一维均匀性、二维连续性。跳频序列的构造算法，是跳频通信设计的核心。近年来，跳频序列的构造方法研究有很多：基于m序列的构造法、基于RS序列的构造法、基于混沌序列的构造法、基于素数序列的构造法、基于GWM序列的构造法、基于bent函数的构造法、基于密码学的构造法、基于蓝牙环境的构造法、基于TOD算法的构造法等。但是这些构造法方法所产生的跳频序列都是基于连续频段的。目前的频谱资源越来越紧张，频谱分配不均匀。在多个用户存在的电磁环境中进行无干扰的差分跳频传输，以前的基于连续频段的跳频序列构造算法很难实现。因此迫切的需要产生一种基于非连续频段的跳频序列的产生方式。

认知无线电技术具有感知周围环境，自动调整参数协议，改善通信质量的作用。将认知无线电技术与跳频技术相结合，能够使得跳频通信有效且主动的规避干扰，这样能够实现非连续频段跳频。然而现有关于构造认知跳频序列的研究方法很少，少有的认知跳频序列构造方法如图1所示，这种方法(之后的描述均称为原认知跳频序列构造方法)是基于伪随机序列的构造方法，其动态灵活性、随机性能、均匀性能、汉明相关性均不是很好。

基于以上这些特点，本发明了一种结合认知无线电技术和差分跳频序列构造思想，利用一种新的映射方式生成的基于非连续频段的跳频序列产生方法。

发明内容

本发明的一个目的在于克服现有技术的不足，提供一种能够产生出汉明相关性、随机性、一维均匀性、二维连续性都非常良好的基于非连续频段的跳频序列产生方法。

本发明的另一个目的是提供一种能够产生基于非连续频段的跳频序列的序列产生结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于非连续频段的跳频序列产生方法，包括以下步骤：

S1：将待检测的频谱平均划分为N个频段，并对每个频段进行编号，记为W＝{W₁,W₂,W₃,…,W_N}；

S2：检测频带中的空闲频段，并将空闲频段的编号组合成一个可用的频谱编号池H，表示可用于跳频的频率编号，记为其中N₁为空闲频段数；

S3：构造一个长度为L，序列值在0～(N₁-1)范围内的过渡跳变序列S＝{S₁,S₂,S₃,…,S_L}；

S4：将过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射，最终产生一个基于非连续频段的跳频序列。

所述的步骤S2中检测频带中的空闲频段的方法包括以下子步骤：

S201：实时的接收频带信号y(n)，并生成MTM谱：

$P\left(f\right)=\[\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k\left(\underset{n=1}{\overset{L_1}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_k\right(n\left)y\right(n\left)e^{-j2\mathrm{\π}fn}\right)\]/\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k$

其中，K为原型滤波器的阶数，L₁为信号采样点数，ω_k(n)为正交的离散扁球序列，λ_k为正交的离散扁球序列对应的特征值；

S202：对MTM谱进行小波阈值去噪，然后重构出去噪后的谱

S203：利用自适应强信号去除的门限估计方法确定感知门限

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N\mathrm{\ϵ}}\underset{i=1}{\overset{N\mathrm{\ϵ}}{\Σ}}sort\left(\stackrel{\‾}{P}\right(f\left)\right)+C$

其中ε为(0,1)的比例因子，sort(·)为升序排序函数，C为经多次仿真得到的经验常量；

S204：判断频带上哪些频段为空闲频段：

所述的步骤S3中构造过渡跳变序列的方法包括以下子步骤：

S301：设定过渡跳变序列的初始值S₁，由前一时刻的过渡跳变序列值S_n-1作为起点值，构造连续的N₁个数值的集合{S_n-1,S_n-1+1,S_n-1+2,…,S_n-1+N₁-1}％N₁，其中N₁为空闲频段数；

S302：对信源数据进行编码，将当前信源数据与前一刻数据编码为四进制数，即h(X_n,X_n-1)＝X_n-1+2*X_n，其中X_n为当前信源数据，X_n-1为前一时刻的信源数据，由于信源数据服从0～1分布，故信源编码h(X_n,X_n-1)在0～4中均匀分布；

S303：将N₁个数值的集合进行实时分组，每个分组中的数值个数为INT表示取整，由信源编码选择当前时刻的过渡跳变序列值S_n所在的数值分组g＝{g_n,g_n+1,g_n+2,…,g_n+Q₁-1}％Q₁，g_n＝(S_n-1+h(X_n,X_n-1)*Q₁)％N₁，g_n表示分组的初始值；

S304：从所选定的数值分组g{·}中随机抽取一个数值为当前时刻的过渡跳变序列值S_n，即S_n＝R[g]，这样构造的过渡跳变序列S服从随机均匀分布；

所述的步骤S4中过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射的方法为：最终的跳频序列与过渡的跳变序列长度一致，为L，跳频频率数为N₁，所以当前时刻过渡跳变序列值加1后的值为索引的频谱编号即是当前时刻的跳频序列值，该映射算法表示为：其中F_n为当前时刻的跳频值，为最终的跳频序列。

一种基于非连续频段的跳频序列产生结构，它包括频率集合单元、过渡跳变序列单元、跳频序列单元：

频率集合单元用于对整个频带编号，检测频带中空闲的频段，确定空闲频段的编号所组成的集合，即可用的频谱编号池，以及将可用的频谱编号池发送给跳频序列单元；

过渡跳变序列单元用于产生与最终跳频序列等长，序列值在可用频谱编号数的范围内的跳变序列，并将该序列发送给跳频序列单元；

跳频序列单元用于将过渡跳变序列与可用频谱编号池映射，产生最终的基于非连续频段的跳频序列。

本发明的优点在于：本发明所提供的方法和结构具有由频谱感知技术所引入的跳频通信系统的强抗干扰性，利用结合小波阈值去燥的多窗口谱估计(MTM)方法使得检测过程更为简单准确；过渡跳变序列产生过程中，实现认知无线电技术和跳频技术很好的融合，实时分组和随机映射算法所带来的良好的一维均匀性、二维连续性、随机性和汉明相关性，能够明显的提高跳频通信的质量。

附图说明

图1为原认知跳频序列的构造方法流程示意图；

图2为本发明的跳频序列构造方法流程图；

图3为利用小波阈值去噪的MTM谱图；

图4为本发明实施例构造的跳频序列图；

图5为本发明实施例构造的跳频频率分布图；

图6为本发明实施例构造的跳频序列的随机性检测图；

图7为原认知跳频序列的随机性检测图；

图8为本发明实施例构造的跳频序列的一维均匀性检测图；

图9为原认知跳频序列的一维均匀性检测图；

图10为本发明实施例构造的跳频序列的二维连续性检测图；

图11为原认知跳频序列的二维连续性检测图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

如图2所示，一种基于非连续频段的跳频序列产生方法，它包括以下步骤：

S1：将待检测的频谱平均划分为N个小的频段，并对每个频段进行编号，记为W＝{W₁,W₂,W₃,…,W_N}；

S2：检测频带中的空闲频段，并将空闲频段的编号组合成一个可用的频谱编号池H，表示可用于跳频的频率编号，记为其中N₁为空闲频段数；

S3：构造一个长度为L，序列值在0～(N₁-1)范围内的过渡跳变序列S＝{S₁,S₂,S₃,…,S_L}；

S4：将过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射，最终产生一个基于非连续频段的跳频序列。

进一步地，所述的步骤S2中利用频谱感知技术检测频带中的空闲频段，具体包括以下子步骤：

S201：实时的接收频带信号y(n)，并生成MTM谱：

$P\left(f\right)=\[\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k\left(\underset{n=1}{\overset{L_1}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_k\right(n\left)y\right(n\left)e^{-j2\mathrm{\π}fn}\right)\]/\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k$

其中，K为原型滤波器的阶数，L₁为信号采样点数，ω_k(n)为正交的离散扁球序列，λ_k为正交的离散扁球序列对应的特征值；

S202：对MTM谱进行小波阈值去噪，然后重构出去噪后的谱

S203：利用自适应强信号去除的门限估计方法确定感知门限

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N\mathrm{\ϵ}}\underset{i=1}{\overset{N\mathrm{\ϵ}}{\Σ}}sort\left(\stackrel{\‾}{P}\right(f\left)\right)+C$

其中ε为(0,1)的比例因子，sort(·)为升序排序函数，C为经多次仿真得到的经验常量；

S204：判断频带上哪些频段为空闲频段：

进一步地，所述的步骤S3中构造过渡跳变序列的方法为：利用差分跳频的构造思路，采取实时分组加随机抽取的方法，即当前时刻的过渡跳变序列值是从一个数值组中随机抽取得到，而这个数值组是由上一时刻过渡跳变序列值与信源编码共同控制产生，具体包括以下子步骤：

S301：设定过渡跳变序列的初始值S₁，由前一时刻的过渡跳变序列值S_n-1作为起点值，构造连续的N₁个数值的集合{S_n-1,S_n-1+1,S_n-1+2,…,S_n-1+N₁-1}％N₁，其中N₁为空闲频段数；

S302：对信源数据进行编码，将当前信源数据与前一刻数据编码为四进制数，即h(X_n,X_n-1)＝X_n-1+2*X_n，其中X_n为当前信源数据，X_n-1为前一时刻的信源数据，由于信源数据服从0～1分布，故信源编码h(X_n,X_n-1)在0～4中均匀分布；

S303：将N₁个数值的集合进行实时分组，每个分组中的数值个数为INT表示取整，由信源编码选择当前时刻的过渡跳变序列值S_n所在的数值分组g＝{g_n,g_n+1,g_n+2,…,g_n+Q₁-1}％Q₁，g_n＝(S_n-1+h(X_n,X_n-1)*Q₁)％N₁，g_n表示分组的初始值；

S304：从所选定的数值分组g{·}中随机抽取一个数值为当前时刻的过渡跳变序列值S_n，即S_n＝R[g]，这样构造的过渡跳变序列S服从随机均匀分布。

进一步地，所述的步骤S4中过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射的方法为：最终的跳频序列与过渡的跳变序列长度一致，为L，跳频频率数为N₁，所以当前时刻过渡跳变序列值加1后的值为索引的频谱编号即是当前时刻的跳频序列值。

该映射算法表示为：其中F_n为当前时刻的跳频值， 为最终的跳频序列。

一种基于非连续频段的跳频序列产生结构，它包括频率集合单元、过渡跳变序列单元、跳频序列单元：

频率集合单元用于对整个频带编号，检测频带中空闲的频段，确定空闲频段的编号所组成的集合，即可用的频谱编号池，以及将可用的频谱编号池发送给跳频序列单元；

过渡跳变序列单元用于产生与最终跳频序列等长，序列值在可用频谱编号数的范围内的跳变序列，并将该序列发送给跳频序列单元；

跳频序列单元用于将过渡跳变序列与可用频谱编号池映射，产生最终的基于非连续频段的跳频序列。

目前，短波频段为3MHz～30MHz，本发明主要进行部分频带的跳频，模拟3MHz～14.428MHz的频带进行跳频，假定通过接收机接收该频带上存在三个授权用户信号，分别是BPSK调制信号、QPSK调制信号和OFDM调制信号，授权用户信号的信噪比为0dB。其中BPSK调制信号的载波频率为6.05MHz，QPSK调制信号的载波频率为9.05MHz，OFDM调制信号的第一载频为12.1MJHz，最后一个载频约为13.5NHz，信号的符号周期22.4us。

将该频带划分为256个频段，每个频段所占带宽约为44.64MHz。之后对该频带采用小波阈值去噪的MTM方式进行频谱感知，所构造的去噪后的MTM谱如图3所示，图3中高于门限的MTM谱所对应的频段表示有授权用户的存在，将低于门限对应的频段编号组成可用的频谱编号池，总共有212个可用的频段。

设定过渡跳变序列的初始值为1，序列的总长度为1024，过渡跳变序列值在0～212进行跳变，将生成过渡跳变序列值与可用的频谱编号池映射，生成最终的基于非连续频段的跳频序列如图4所示。将跳频序列合成跳频频率，跳频频率的分布情况如图5所示。图5中，授权用户占用的频段没有跳频频率存在，由此可见跳频频率主动的规避了授权用户信号的干扰。

图6～图11是本发明实施例构造的跳频序列与原认知跳频序列的性能对比结果，表1为两种算法的汉明相关性检测对比数据。

表1两种算法的汉明相关性检测对比

表1中，本发明实施例构造的跳频序列的汉明自相关最大旁瓣、汉明互相关峰值以及最大汉明相关指数均要小于原认知跳频序列，说明本发明实施例构造的跳频序列具有更好的汉明相关性，序列中两序列值相同概率更小，更难被破译。

跳频序列随机性的检测是采用的Welch功率谱估计的方式检测，设置采样率与信号的采样率相同，选用长度为512点的矩形窗函数，序列重复点数为256点，作FFT的采样数为512点，选取检测的跳频序列长度为1024。本发明实施例构造的跳频序列与原认知跳频序列的随机性对比如图6和图7所示，图6中的功率谱曲线更为平坦，而图7中功率谱在6MHz～10MHz出现向上幅度一定的波动，说明本发明实施例构造的跳频序列具有更好的随机性。

跳频序列一维均匀性的检测采用χ²拟合检测法，设定显著水平为0.05，选取50帧的跳频序列，每一帧为1024个跳频点，跳频频率点数为212。本发明实施例构造的跳频序列与原认知跳频序列的一维均匀性对比如图8和图9所示，图8中的跳频序列随着帧数的增加，仿真值始终低于理论值，而图9中跳频序列在22帧数以后，仿真值超过了理论值，说明本发明实施例构造的跳频序列具有更好的一维均匀性。

跳频序列二维连续性的检测采用χ²拟合检测法，设定显著水平为0.05，选取30帧的跳频序列，每一帧为64个跳频点。本发明实施例构造的跳频序列与原认知跳频序列的二维连续性对比如图10和图11所示，图10中的跳频序列随着帧数的增加，仿真值始终低于理论值，而图11中随着帧数的增加，仿真值逐渐增加的趋势，远远高于理论值。说明本发明实施例构造的跳频序列大大提升了二维连续性。

由上述可以看出，本发明实施例的方式提升了跳频序列的汉明相关性、随机性、一维均匀性和二维连续性，使得跳频序列更难被破译，提高了跳频通信系统的抗干扰抗跟踪的能力，明显的提高跳频通信的质量。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于非连续频段的跳频序列产生方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将待检测的频谱平均划分为N个频段，并对每个频段进行编号，记为W＝{W₁,W₂,W₃,…,W_N}；

S2：检测频带中的空闲频段，并将空闲频段的编号组合成一个可用的频谱编号池H，表示可用于跳频的频率编号，记为其中N₁为空闲频段数；检测频带中的空闲频段的方法包括以下子步骤：

S201：实时的接收频带信号y(n)，并生成MTM谱：

$P\left(f\right)=\[\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k\left(\underset{n=1}{\overset{L_1}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_k\right(n\left)y\right(n\left)e^{-j2\mathrm{\π}fn}\right)\]/\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_k$

其中，K为原型滤波器的阶数，L₁为信号采样点数，ω_k(n)为正交的离散扁球序列，λ_k为正交的离散扁球序列对应的特征值；

S202：对MTM谱进行小波阈值去噪，然后重构出去噪后的谱

S203：利用自适应强信号去除的门限估计方法确定感知门限

$\stackrel{\‾}{T}=\frac{1}{N\mathrm{\ϵ}}\underset{i=1}{\overset{N\mathrm{\ϵ}}{\Σ}}sort\left(\stackrel{\‾}{P}\right(f\left)\right)+C$

其中ε为(0,1)的比例因子，sort(·)为升序排序函数，C为经多次仿真得到的经验常量；

S204：判断频带上哪些频段为空闲频段：

S3：构造一个长度为L，序列值在0～(N₁-1)范围内的过渡跳变序列S＝{S₁,S₂,S₃,…,S_L}；

S4：将过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射，最终产生一个基于非连续频段的跳频序列。

2.根据权利要求1所述的一种基于非连续频段的跳频序列产生方法，其特征在于：所述的步骤S3中构造过渡跳变序列的方法包括以下子步骤：

S301：设定过渡跳变序列的初始值S₁，由前一时刻的过渡跳变序列值S_n-1作为起点值，构造连续的N₁个数值的集合{S_n-1,S_n-1+1,S_n-1+2,…,S_n-1+N₁-1}％N₁，其中N₁为空闲频段数；

S302：对信源数据进行编码，将当前信源数据与前一刻数据编码为四进制数，即h(X_n,X_n-1)＝X_n-1+2*X_n，其中X_n为当前信源数据，X_n-1为前一时刻的信源数据，由于信源数据服从0～1分布，故信源编码h(X_n,X_n-1)在0～4中均匀分布；

S303：将N₁个数值的集合进行实时分组，每个分组中的数值个数为INT表示取整，由信源编码选择当前时刻的过渡跳变序列值S_n所在的数值分组

g＝{g_n,g_n+1,g_n+2,…,g_n+Q₁-1}％Q₁，g_n＝(S_n-1+h(X_n,X_n-1)*Q₁)％N₁，g_n表示分组的初始值；

S304：从所选定的数值分组g{·}中随机抽取一个数值为当前时刻的过渡跳变序列值S_n，即S_n＝R[g]，这样构造的过渡跳变序列S服从随机均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种基于非连续频段的跳频序列产生方法，其特征在于：所述的步骤S4中过渡跳变序列与可用的频谱编号池进行映射的方法为：最终的跳频序列与过渡的跳变序列长度一致，为L，跳频频率数为N₁，所以当前时刻过渡跳变序列值加1后的值为索引的频谱编号即是当前时刻的跳频序列值，该映射算法表示为：其中F_n为当前时刻的跳频值，为最终的跳频序列。