CN104980185B - 非均匀任意概率分布跳频序列产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，该方法由等概率产生的“0”和“1”二元随机序列形成若干个K位的均匀分布的地址信号，用于从任意给定的概率密度函数或分布函数产生的序列样本数据中，读取存放于该样本数据表中的跳频点数据，从而得到相应给定概率分布的跳频序列；按此方式产生的频点分布能够满足任意给定概率分布，并且具有良好的汉明相关性、随机性，其抗干扰和抗破译的能力较强；该方法原理清晰，工程上具有很强的可实现性；本发明的方法能有效控制跳频信号在不同频段上出现的次数，能根据信道质量有效避开干扰频点，从而提高跳频通信系统的通信质量，故适用于电磁环境复杂的通信环境中。

Description

非均匀任意概率分布跳频序列产生方法

技术领域

本发明属于数据通信领域，具体涉及一种跳频序列产生技术。

背景技术

跳频通信是指传输信号的载波在伪随机码的控制下不断跳变的通信方式，它以其独有的强抗干扰能力，抗衰落，易于组网，低截获概率，保密安全等优点而得到广泛应用。

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码的构造法、基于混沌序列的构造法、基于素数序列的构造法、基于GMW序列的构造法、基于bent函数的构造法、基于TOD算法的构造法等。这些构造法方法所产生的跳频序列都是基于连续频段均匀分布的，各个频点在一个跳频序列周期中均匀分布。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失真的跳频传输，以前的基于连续频段均匀分布的跳频序列构造算法很难实现。因此迫切的需要一种方法来产生满足任意概率分布非均匀的跳频序列。

传统跳频序列构造方法构造的跳频序列，一般都使各频点在一个序列周期中的出现次数基本相同，即满足均匀分布，分布在各个频段内的信号数量基本相当。但是对于连续通信频段内某些频点存在严重干扰时，这些频段内的通信信号也会受到干扰，将会严重影响跳频通信的质量。考虑到这一问题，本发明提出了一种任意概率分布非均匀跳频序列产生方法，使得一个跳频序列中各个频率点的选用不再满足均匀分布，受干扰频段内(信道质量差)频点的出现概率小，无干扰或干扰较弱的频段内(信道质量好)频点的出现概率大，既保证了频点出现的随机性，也保证了通信过程中保持较好的信号质量，从而提高跳频通信系统的抗干扰能力和通信质量。

发明内容

本发明为解决的上述技术问题，提出一种非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，采用均匀分布的随机信号作为地址信号，选取给定概率分布产生的序列样本数据，得到非均匀任意概率分布的跳频序列。

本发明采用的技术方案是：非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，由等概率输出“0”和“1”的二元随机序列形成若干个K位的均匀分布随机序列作为地址信号，根据地址信号选取按照任意给定的概率密度函数或分布函数产生的跳频序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列。

进一步地，所述非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，包括以下步骤：

S1：根据给定的概率分布和跳频序列长度，生成序列样本数据；

S2：由等概率输出的“0”和“1”二元随机序列形成若干个K位的均匀分布随机序列作为地址信号，根据地址信号选取步骤S1生成的序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列。

更进一步地，步骤S1给定的概率分布包括概率密度函数或分布函数。

进一步地，步骤S1包括以下分步骤：

S11：将可用跳频通信频谱平均划分为N个小的频段，每个小的频段对应一个频率点f_i，得到N个频率点组成的跳频频率集{f₁,f₂…f_N}；

S12：根据给定的概率密度函数或分布函数计算出每个频率点出现的概率，以P₁,P₂…P_N表示，且

S13：根据各个频率点出现的概率构造一个长度为L的跳频序列样本数据。

更进一步地，步骤S13具体为：设定跳频序列长度为L，则L个序列样本数据按频率点数分为N组，第i组的样本数据值为f_i，数据个数为L×P_i个，把这L个序列样本数据按此分组进行排列。

进一步地，步骤S2包括以下分步骤：

S21：利用二元随机序列等概率输出“0”和“1”，每次连续取K个输出，构成一个K位的随机数字序列，共取M次，得到M个均匀分布随机数字序列；

S22，从M个均匀分布随机数字序列中任取L个作为地址信号，根据地址信号选取步骤S1生成的序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列。

更进一步地，所述随机数字序列长度M大于或等于序列样本数据长度L。

更进一步地，所述K＝log₂L；

其中，log₂表示取对数运算。

本发明的有益效果：本发明的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，由等概率输出的“0”和“1”二元随机序列形成若干个K位的均匀分布随机序列作为地址信号，根据地址信号选取按照任意给定的概率密度函数或分布函数产生的序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列；频点分布能够满足任意给定概率分布，并且具有良好的汉明相关性、随机性，其抗干扰和抗破译的能力较强，算法结构清晰，具有很好的工程可实现性；本发明的方法能有效控制跳频信号在不同信道质量频点上的出现次数，从而提高跳频通信的通信质量，适用于电磁环境复杂的通信环境中。

附图说明

图1为本发明的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法流程图。

图2为本发明实施例构造的跳频序列图。

图3为本发明实施例构造的跳频频率分布图。

图4为本发明实施例构造的跳频序列的汉明自相关性结果图。

图5为本发明实施例构造的跳频序列的汉明互相关性结果图。

图6为本发明实施例构造的跳频序列的功率谱图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，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1所示为本发明的方法流程图，本发明的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，由等概率输出“0”和“1”的二元随机序列形成若干个K位的均匀分布的二进制随机序列作为地址信号，根据地址信号选取按照任意给定的概率密度函数或分布函数产生的跳频序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列。

首先，按照任意给定的概率密度函数或分布函数产生的序列样本数据。具体为：

1)将可用跳频通信频谱平均划分为N个小的频段，每个频段对应频率点为f_i，i＝1,2,…,N，得到跳频频率集为{f₁,f₂…f_N}；N的值可根据实际通信中的频段划分取值，但这种N的取值方法并不构成对本发明的任何限制，N也可以是其他任意值。

2)对于某一给定的概率分布，根据概率密度函数或分布函数计算出每个频率点出现的概率，以P₁,P₂…P_N表示，显然

3)假定跳频序列长度为L，则L个序列样本数据可按频率点数分为N组，第i组的样本数据值即为对应的频率点的值f_i，根据频率点f_i的出现概率P_i，得到第i组的样本数据个数为L×P_i个，把长度为L的序列样本数据按此分组排列即可，排列时可顺序排列，也可随机排列，得到按给定概率分布生成的L个序列样本数据。

然后，由等概率输出的“0”和“1”二元随机序列形成若干个K位的均匀分布的随机序列作为地址信号，具体为：利用等概率输出的“0”和“1”的二元随机信号发生器，每次连续取K(K＝log₂L)个输出，构成一个K位的二进制数，即得到一个K位的均匀分布的随机序列，共取M次，M大于或等于序列样本数据长度L，则可得到一个长度为M的0～2^K-1之间均匀分布的随机数字序列。从M个均匀分布的随机数字序列中任取L个作为地址信号去选取之前按给定概率分布生成的L个序列样本数据，最终得到满足给定概率分布的跳频序列。

本实施例以5MHz～14.428MHz为例进行说明，目前，短波频段为3MHz～30MHz，模拟5MHz～14.428MHz的频带进行跳频。将该频带划分为256个频段，每个频段所占带宽为36.828KHz。设定跳频序列长度为L＝4096，给定的概率分布为均值为0，标准差为6的正态分布，M取值为4×L。根据正态分布的分布函数计算出每个频点对应的概率，每个频段对应的频点及其概率如表1所示，得到长度为4096的序列样本数据按照以上描述的步骤，生成的符合正态分布的跳频序列如图2所示，对应的跳频频率分布情况如图3所示。

表1本发明实施例中每个频段对应的频点及其概率

本发明的跳频序列的概率分布一致性检测可以通过跳频频率分布情况定性判断，生成的跳频序列服从正态分布。通过Kolmogorov-Smirnov(KS)检验对其进行定量分析检测其正态性。以样本数据的累计频数分布与特定理论分布比较，若两者间的差距很小，则推论该样本取自某特定分布族。对产生的跳频序列进行标准化处理，然后将处理后的数据与标准正态分布进行比较，得到结果为H＝1，不拒绝H0：总体服从标准正态分布假设，即接受为正态分布的假设，接受假设的概率为0.7556，由此判断该仿真的跳频序列符合正态分布。通过图3和KS检验结果可看出本发明实施例构造的跳频序列满足给定的概率分布要求。

图4～图6是本发明实施例构造的跳频序列的各项性能检测结果，表2为本发明实施例构造的不同长度跳频序列的汉明相关性数据。

表2本发明实施例构造的不同长度跳频序列的汉明相关性

表2中，当跳频序列长度L＝8192时，归一化汉明自相关最大旁瓣和归一化汉明互相关峰值均接近0.01。本发明实施例构造的跳频序列的汉明自相关性和汉明互相关性检测如图4和图5所示。跳频序列的归一化自相关值和归一化互相关值都稳定在0.05以下，说明本实施例构造的跳频序列具有良好的汉明相关性，序列中两序列值相同的概率很小，即很难被破译。

通过表1、图4和图5可以看出本发明构造的符合正态分布的跳频序列具有良好的汉明相关性。汉明自相关性越好，同一序列中点的重复概率越小，汉明互相关性越好，序列族中不同序列中点的碰撞次数越少，序列更难被破译。

本发明实施例中跳频序列的随机性检测采用Welch功率谱估计的方法进行。选用长度为2048点的汉明窗对跳频序列进行分段，分段时每段序列样本重叠点数为1024点，作FFT的采样数为4096点，跳频序列长度为4096。通过图6可以看出，本发明构造的跳频序列的功率谱在-40dB附近，功率谱平坦，类似于白噪声，故其随机性能良好。随机性越好的序列越难被截获，抗干扰和抗破译的能力越强。

由上述可以看出，本发明的方法能够产生非均匀任意概率分布跳频序列，且跳频序列具有良好的汉明相关性和随机性，有效控制跳频信号在不同信道质量频点上的出现次数，从而提高跳频通信的通信质量，适用于电磁环境复杂的通信环境中。

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。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (6)

1.非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，其特征在于，由等概率输出的“0”和“1”二元随机序列形成若干个K位的均匀分布随机序列作为地址信号，根据地址信号选取按照任意给定的概率密度函数或分布函数产生的跳频序列样本数据，从而得到给定概率分布的跳频序列，包括以下步骤：

S1：根据给定的概率分布和跳频序列长度，生成序列样本数据；

S2：由等概率输出的“0”和“1”二元随机序列形成若干个K位的均匀分布随机序列作为地址信号，根据地址信号选取步骤S1生成的序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列，包括以下分步骤：

S21：利用均匀分布的二元随机序列“0”和“1”，每次连续取K个输出，构成一个K位的随机数字序列，共取M次，得到M个均匀分布的随机数字序列；

S22：从M个均匀分布随机数字信号中任取L个作为地址信号，根据地址信号选取步骤S1生成的序列样本数据，得到给定概率分布的跳频序列。

2.根据权利要求1所述的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，其特征在于，步骤S1给定的概率分布为概率密度函数或分布函数。

3.根据权利要求2所述的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，其特征在于，步骤S1包括以下分步骤：

S11：将可用跳频通信频谱平均划分为N个小的频段，每个小的频段对应一个频率点f_i，得到N个频率点组成的跳频频率集{f₁,f₂…f_N}；

S12：根据给定的概率密度函数或分布函数计算出每个频率点出现的概率，以P₁,P₂…P_N表示，且

S13：根据各个频率点出现的概率构造一个长度为L的跳频序列样本数据。

4.根据权利要求3所述的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，其特征在于，步骤S13具体为：设定跳频序列长度为L，则L个序列样本数据按频率点数分为N组，第i组的样本数据值为f_i，数据个数为L×P_i个，把这L个序列样本数据按此分组进行排列。

5.根据权利要求1所述的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，其特征在于，所述随机数字序列长度M大于或等于跳频序列样本数据长度L。

6.根据权利要求1所述的非均匀任意概率分布跳频序列产生方法，其特征在于，所述K＝log₂L；

其中，log₂表示取对数运算。