CN107819488B - 基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，该设计的差分跳频系统首先根据差分跳频系统要求设定参数，计算机再输入待处理数据序列，再利用混沌序列和加扰序列的生成方法生成混沌序列和加扰序列，用生成的混沌序列和加扰序列对数据序列通过频率转移函数获得频率序列，对频率序列使用信号生成方法得到时域信号，对时域信号进行快速傅里叶变换得到频率控制字，最后，对得到的频率控制字使用频率序列译码方法，得到处理后的数据序列。本发明提供的基于加扰器的设计方法不仅能满足频率序列二维连续性的要求，而且减少了单频路径出现的次数。

Description

基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及数据处理技术领域中的一种基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法。本发明可以应用于差分跳频系统中，实现差分跳频系统数据安全可靠传送，大大地改善了该系统的抗截获性和抗干扰性。

背景技术

差分跳频是相关增强型扩谱电台核心技术，集跳频图案、信息调制与解调于一体。频率转移算法是差分跳频的关键技术，它决定了生成频率序列的一维均匀性、二维连续性和随机性，进而决定了差分跳频系统的抗截获性能。频率转移算法也决定了差分跳频系统的单频特性，进而决定了差分跳频系统的抗干扰性能。频率转移算法决定了差分跳频系统的抗截获和抗干扰性能，因此如何最大程度的优化频率转移算法成为了差分跳频研究领域中需要特别关注的问题。

冯永新、徐美荣、钱博、滕振宇在其发表的论文“一种差分跳频频率转移函数算法”(《航空学报》2013年03期第655～661页)中提出了一种基于m序列、RS码和混沌序列的频率转移算法对差分跳频系统发送端发送的数据进行处理的方法。该方法首先将发送数据信息编码，再利用生成的m序列对混沌序列进行扰动处理，将扰动处理后的序列与编码后信息进行异或运算，最后通过频率转移算法产生待传送的频率序列。该方法虽然能够成功解决频率序列的一维均匀性差问题，但是该方法在使用中存在的不足之处是，产生频率序列的二维连续性很差，单频特性不好。

电子科技大学在其拥有的专利技术“一种用于差分跳频通信系统的频率转移函数构造方法”(专利申请号：201110358031.0，授权公告号：CN 102420636 B)中提出了一种基于频率转移矩阵对差分跳频系统待发送的数据进行处理的方法。该专利技术首先根据前一跳频率号Fn-1确定行号，然后在该行搜索与输入数据Xn相等的矩阵元素(只有一个)，最后该元素对应的列号即当前跳频率号Fn。该方法虽然避免了两个用户在跳频图案上连续两跳存在干扰，但是，该专利技术仍然存在的不足之处是，不能在所有情况下满足频率序列的二维连续性要求，导致差分跳频系统的抗截获性差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法。该方法可以应用于差分跳频系统中，生成二维连续性和单频特性好的频率序列，实现差分跳频系统数据安全可靠传送，大大地改善了该系统的抗截获性和抗干扰性。

本发明实现的基本思路是，首先根据差分跳频系统要求设定参数，计算机再输入待处理数据序列，再利用混沌序列和加扰序列的生成方法生成混沌序列和加扰序列，用生成的混沌序列和加扰序列对数据序列通过频率转移函数获得频率序列，对频率序列使用信号生成方法得到时域信号，对时域信号进行快速傅里叶变换得到频率控制字，最后，对得到的频率控制字使用频率序列译码方法，得到处理后的数据序列。

为实现上述目的，本发明实现的具体步骤如下：

(1)选取参数：

根据差分跳频系统要求分别设定最长线性移位寄存器序列级数、里德-所罗门码参数、混沌序列初始值、频点数、频率子集数、初始频率；

(2)输入随机分布的待处理的数据序列；

(3)生成混沌序列：

(3a)对待处理的数据序列进行映射编码，生成数据符号；

(3b)按照下式，生成混沌实值序列：

y(n)＝-y(n-1)²-|y(n-1)|+1

其中，y(n)表示混沌实值序列中第n个数据的值，y(n-1)表示混沌实值序列中第n-1个数据的值，|·|表示取绝对值操作；

(3c)对生成的混沌实值序列进行门限函数量化，生成混沌序列；

(4)生成加扰序列：

(4a)对混沌序列和最长线性移位寄存器序列进行异或操作，得到优化的混沌序列；

(4b)对优化的混沌序列和数据符号进行异或操作，得到数据序列；

(4c)按照下式，生成里德-所罗门码：

g(x)＝1+x²+x⁵

其中，g(x)表示里德-所罗门码，x²,x⁵分别表示移位寄存器的第2级，第5级寄存器的序列号，+表示模2加操作；

(4d)按照下式，生成最长线性移位寄存器序列的加扰序列：

f(x)＝1+x¹+x³+x¹²+x¹⁶

其中，f(x)表示最长线性移位寄存器序列的加扰序列，x¹,x³,x¹²,x¹⁶分别表示移位寄存器的第1级，第3级，第12级，第16级寄存器的序列号；

(5)按照下式，计算频率序列中每个数据的值：

其中，F_n表示频率序列中第n个数据的值，F_n-1表示频率序列中第n-1个数据的值，Z_n表示数据序列，M表示步骤(1)所选取的频点数，q表示步骤(1)所选取的频率子集数，mod表示取两数相除余数操作；

(6)确定频率序列中的数据值：

从频率序列中选取第m个数据值与第m-2个数据值，判断二值是否相等，若是，则执行步骤(7)，否则，所选的频率序列中第m个数据的值不变；

(7)按照下式，计算频率序列中每个数据的值：

其中，F_m表示频率序列中第m个数据的值，F_m-2表示频率序列中第m-2个数据的值；

(8)将频率序列中每个频率值分别赋值给频率控制字值{0,1,2,…,M-1}，得到频率控制字；

(9)生成时域信号：

(9a)从频率序列中任选一个数据值，按照下式，生成所选数据值在差分跳频系统每个发送周期内的时域信号：

s(t)＝exp(jwt)

其中，s(t)表示所选数据值在差分跳频系统第t个发送周期内时域信号，t的取值由差分跳频系统的采样频率决定，exp(·)表示以自然数为底的指数操作，j表示虚数单位，w表示信号角频率，w＝2πF_n，π表示圆周率；

(9b)判断是否选完频率序列中的所有数据值，若是，则生成时域信号后执行步骤(10)，否则，执行步骤(9a)；

(10)获得频率控制字序列：

(10a)从生成时域信号中任取一个时域信号，按照下式，进行快速傅里叶变换，得到所选时域信号在差分跳频系统每个信号角频率上的频域信号：

其中，S(w)表示所选时域信号在差分跳频系统第w个信号角频率上的频域信号，∫(·)表示积分操作；

(10b)使用信号幅度谱分析方法，对频域信号进行信号幅度谱分析，得到信号的幅度值；

(10c)从所有信号幅度值中，找到最大信号幅度值；

(10d)将最大信号幅度值的频率控制字作为差分跳频系统的频率控制字；

(10e)判断是否选完所有的时域信号，若是，则执行步骤(10f)，否则，执行步骤(10a)；

(10f)将所有的差分跳频系统的频率控制字放到一个空集合中，得到频率控制字序列；

(11)获得处理后数据序列：

(11a)使用差值计算方法，对频率控制字序列和加扰序列进行差值计算，得到相邻跳频控制字差值；

(11b)使用映射方法，对相邻跳频控制字差值进行映射，得到映射值；

(11c)使用映射值译码方法，对映射值进行译码，得到译码后数据序列；

(11d)对译码后数据序列与优化的混沌序列进行异或操作，得到异或后数据序列；

(11e)使用映射译码，对异或后数据序列进行译码操作，得到处理后的数据序列。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明利用加扰序列来处理频率序列中每个数据的值，克服了现有技术中频率序列的二维连续性很差的缺点，差分跳频遇到一个严重的问题，即频率转移函数可能会被第三方接收机截获，这个问题出现的根源是差分跳频频率序列二维连续性很差，可见频率序列的二维连续性是至关重要的，二维连续性要求各频点对连续出现的概率相等。使得本发明具有频率序列的二维连续性好的优点。

第二，本发明利用加扰序列来处理频率序列中每个数据的值，克服了现有技术中频率序列的单频特性不好的缺点，单频特性是由单频路径出现次数多少决定的，该特性对差分跳频系统的抗干扰性起到决定性作用。使得本发明频率序列的单频路径出现次数少，具有单频特性好的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，对本发明实现的步骤作进一步的详细描述。

步骤1，选取参数。

根据差分跳频系统要求分别设定最长线性移位寄存器序列级数、里德-所罗门码参数、混沌序列初始值、频点数、频率子集数、初始频率。

所述的里德-所罗门码参数包括码长n和消息长度k，其中，n和k均是大于0的正整数,且n＞k。

步骤2，输入随机分布的待处理的数据序列。

步骤3，生成混沌序列。

对待处理的数据序列进行映射编码，生成数据符号。

按照下式，生成混沌实值序列：

y(n)＝-y(n-1)²-|y(n-1)|+1

其中，y(n)表示混沌实值序列中第n个数据的值，y(n-1)表示混沌实值序列中第n-1个数据的值，|·|表示取绝对值操作。

对生成的混沌实值序列进行门限函数量化，生成混沌序列。

所述映射编码是指将待处理的数据序列中0的数据编码为1，将1的数据编码为-1。

步骤4，生成加扰序列。

对混沌序列和最长线性移位寄存器序列进行异或操作，得到优化的混沌序列。

对优化的混沌序列和数据符号进行异或操作，得到数据序列。

按照下式，生成里德-所罗门码：

g(x)＝1+x²+x⁵

其中，g(x)表示里德-所罗门码，x²,x⁵分别表示移位寄存器的第2级，第5级寄存器的序列号，+表示模2加操作。

按照下式，生成加扰序列：

f(x)＝1+x¹+x³+x¹²+x¹⁶

其中，f(x)表示最长线性移位寄存器序列的本原多项式，x¹,x³,x¹²,x¹⁶分别表示移位寄存器的第1级，第3级，第12级，第16级寄存器的序列号。

所述门限函数量化是指，将大于0的混沌实值序列的值赋值为1，将小于0的混沌实值序列的值赋值为-1。

步骤5，按照下式，计算频率序列中每个数据的值：

其中，F_n表示频率序列中第n个数据的值，F_n-1表示频率序列中第n-1个数据的值，Z_n表示数据序列，M表示步骤1所选取的频点数，q表示步骤1所选取的频率子集数，mod表示取两数相除余数操作。

步骤6，从频率序列中选取第m个数据值与第m-2个数据值，判断二值是否相等，若是，则执行步骤7，否则，所选的频率序列中第m个数据的值不变。

步骤7，按照下式，计算频率序列中第m个数据的值：

其中，F_m表示频率序列中第m个数据的值，F_m-2表示频率序列中第m-2个数据的值。

步骤8，将频率序列中每个频率值分别赋值给频率控制字值{0,1,2,…,M-1}，得到频率控制字。

步骤9，生成时域信号：

第一步，从频率序列中任选一个数据值，按照下式，生成所选数据值在差分跳频系统每个发送周期内的时域信号：

s(t)＝exp(jwt)

其中，s(t)表示所选数据值在差分跳频系统第t个发送周期内时域信号，t的取值由差分跳频系统的采样频率决定，exp(·)表示以自然数为底的指数操作，j表示虚数单位，w表示信号角频率，w＝2πF_n，π表示圆周率。

第二步，判断是否选完频率序列中的所有数据值，若是，则生成时域信号后执行步骤10，否则，执行本步骤的第一步。

步骤10，获得频率控制字序列：

第一步，从生成时域信号中任取一个时域信号，按照下式，进行快速傅里叶变换，得到所选时域信号在差分跳频系统每个信号角频率上的频域信号：

其中，S(w)表示所选时域信号在差分跳频系统第w个信号角频率上的频域信号，∫(·)表示积分操作。

第二步，使用信号幅度谱分析方法，对频域信号进行信号幅度谱分析，得到信号的幅度值。

第三步，从所有信号幅度值中，找到最大信号幅度值。

第四步，将最大信号幅度值的频率控制字作为差分跳频系统的频率控制字。

第五步，判断是否选完所有的时域信号，若是，则执行本步骤的第六步，否则，执行本步骤的第一步。

第六步，将所有的差分跳频系统的频率控制字放到一个空集合中，得到频率控制字序列。

步骤11，获得处理后数据序列：

使用差值计算方法，对频率控制字序列和加扰序列进行差值计算，得到相邻跳频控制字差值。

使用映射方法，对相邻跳频控制字差值进行映射，得到映射值。

使用映射值译码方法，对映射值进行译码，得到译码后数据序列。

对译码后数据序列与优化的混沌序列进行异或操作，得到异或后数据序列。

使用映射译码，对异或后数据序列进行译码操作，得到处理后的数据序列。

所述差值计算方法是指,使用频率控制字序列当前跳频控制字减去上一跳频率控制字，再减去当前加扰序列的值，得到相邻跳频控制字差值。

所述映射方法的具体步骤如下：

第一步，判断相邻跳频控制字差值的绝对值是否小于等于3，若是，将相邻跳频控制字差值赋值给映射值，否则，执行本步骤的第二步。

第二步，判断K是否小于等于3，若是，则将K值赋予ΔH，否则，将Q赋值给ΔH。其中，Δd表示相邻跳频控制字的差值，ΔH表示映射值。

所述映射值译码方法的具体步骤如下：

第一步，判断ΔH的值是否为3，若是，将0值赋予Z_n，否则，执行本步骤的第二步。

第二步，判断ΔH的值是否为1，若是，将0值赋予Z_n，否则，执行本步骤的第三步。

第三步，将1值赋予Z_n。

所述映射译码是指将数据序列中1的数据译码为0，将-1的数据译码为1。

下面结合附图2对本发明的仿真效果做进一步的描述。

1.仿真条件：

本发明的仿真是在MATLAB R2014a的软件环境下进行的。

2.仿真内容：

本发明的仿真实验所用数据为待发送的数据信息长度为10000个数据，所需频点数为64个频点，每跳传输的比特数为1比特，最长线性移位寄存器序列级数为16级，它的本原多项式为f(x)＝1+x¹+x³+x¹²+x¹⁶,里德-所罗门码参数n为31,k为15,混沌序列初始值为1,频率子集数为2个子集，初始频率为15赫兹。

本发明的仿真实验采用频率序列的二维连续性检验频率统计直方图来评价本发明方法的实际效果。

3.仿真效果分析：

附图2中，图2(a)为采用现有技术通过频率转移函数来处理频率序列中每个数据的值获得的二维连续性检验频率统计直方图，图2(b)为采用本发明的方法通过加扰序列来处理频率序列中每个数据的值获得的二维连续性检验频率统计直方图，图2中的x轴表示当前跳频率，y轴表示下一跳频率，z轴表示频点在跳频频率总数中出现的次数。

通过对比图2(a)和图2(b)对频率对出现次数分布可以看出，本发明能够获得均匀、连续分布的频点对，因此产生的频率序列具有较好地二维连续性。本发明对差分跳频系统的单频特性进行50次独立仿真实验，实测数据统计结果见表1。

表1单频路径出现次数测量结果一览表

由表1可以看出本发明提出方法单频路径出现次数大大减少，进而提高了单频特性，使差分跳频系统的抗干扰性大大增强。

本发明提供的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，解决了频率序列二维连续性差的问题，做到了满足频率序列二维连续性的要求，减少了单频路径出现的次数。上述实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)选取参数：

根据差分跳频系统要求分别设定最长线性移位寄存器序列级数、里德-所罗门码参数、混沌序列初始值、频点数、频率子集数、初始频率；

(2)输入随机分布的待处理的数据序列；

(3)生成混沌序列：

(3a)对待处理的数据序列进行映射编码，生成数据符号；

(3b)按照下式，生成混沌实值序列：

y(n)＝-y(n-1)²-|y(n-1)|+1

其中，y(n)表示混沌实值序列中第n个数据的值，y(n-1)表示混沌实值序列中第n-1个数据的值，|·|表示取绝对值操作；

(3c)对生成的混沌实值序列进行门限函数量化，生成混沌序列；

(4)生成加扰序列：

(4a)对混沌序列和最长线性移位寄存器序列进行异或操作，得到优化的混沌序列；

(4b)对优化的混沌序列和数据符号进行异或操作，得到数据序列；

(4c)按照下式，生成里德-所罗门码：

g(x)＝1+x²+x⁵

其中，g(x)表示里德-所罗门码，x²,x⁵分别表示移位寄存器的第2级，第5级寄存器的序列号，+表示模2加操作；

(4d)按照下式，生成最长线性移位寄存器序列的加扰序列：

f(x)＝1+x¹+x³+x¹²+x¹⁶

其中，f(x)表示最长线性移位寄存器序列的加扰序列，x¹,x³,x¹²,x¹⁶分别表示移位寄存器的第1级，第3级，第12级，第16级寄存器的序列号；

(5)按照下式，计算频率序列中每个数据的值：

其中，F_n表示频率序列中第n个数据的值，F_n-1表示频率序列中第n-1个数据的值，Z_n表示数据序列，M表示步骤(1)所选取的频点数，q表示步骤(1)所选取的频率子集数，mod表示取两数相除余数操作；

(6)确定频率序列中的数据值：

从频率序列中选取第m个数据值与第m-2个数据值，判断二值是否相等，若是，则执行步骤(7)，否则，所选的频率序列中第m个数据的值不变；

(7)按照下式，计算频率序列中每个数据的值：

其中，F_m表示频率序列中第m个数据的值，F_m-2表示频率序列中第m-2个数据的值；

(8)将频率序列中每个频率值分别赋值给频率控制字值{0,1,2,···,M-1}，得到频率控制字；

(9)生成时域信号：

(9a)从频率序列中任选一个数据值，按照下式，生成所选数据值在差分跳频系统每个发送周期内的时域信号：

s(t)＝exp(jwt)

其中，s(t)表示所选数据值在差分跳频系统第t个发送周期内时域信号，t的取值由差分跳频系统的采样频率决定，exp(·)表示以自然数为底的指数操作，j表示虚数单位，w表示信号角频率，w＝2πF_n，π表示圆周率；

(9b)判断是否选完频率序列中的所有数据值，若是，则生成时域信号后执行步骤(10)，否则，执行步骤(9a)；

(10)获得频率控制字序列：

(10a)从生成时域信号中任取一个时域信号，按照下式，进行快速傅里叶变换，得到所选时域信号在差分跳频系统每个信号角频率上的频域信号：

其中，S(w)表示所选时域信号在差分跳频系统第w个信号角频率上的频域信号，∫(·)表示积分操作；

(10b)使用信号幅度谱分析方法，对频域信号进行信号幅度谱分析，得到信号的幅度值；

(10c)从所有信号幅度值中，找到最大信号幅度值；

(10d)将最大信号幅度值的频率控制字作为差分跳频系统的频率控制字；

(10e)判断是否选完所有的时域信号，若是，则执行步骤(10f)，否则，执行步骤(10a)；

(10f)将所有的差分跳频系统的频率控制字放到一个空集合中，得到频率控制字序列；

(11)获得处理后数据序列：

(11a)使用差值计算方法，对频率控制字序列和加扰序列进行差值计算，得到相邻跳频控制字差值；

(11b)使用映射方法，对相邻跳频控制字差值进行映射，得到映射值；

(11c)使用映射值译码方法，对映射值进行译码，得到译码后数据序列；

(11d)对译码后数据序列与优化的混沌序列进行异或操作，得到异或后数据序列；

(11e)使用映射译码，对异或后数据序列进行译码操作，得到处理后的数据序列。

2.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(1)中所述的里德-所罗门码参数包括码长n和消息长度k，其中，n和k均是大于0的正整数,且n＞k。

3.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(3a)中所述映射编码是指将待处理的数据序列中0的数据编码为1，将1的数据编码为-1。

4.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(3c)中所述门限函数量化是指，将大于0的混沌实值序列的值赋值为1，将小于0的混沌实值序列的值赋值为-1。

5.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(11a)中所述差值计算方法是指,使用频率控制字序列当前跳频控制字减去上一跳频率控制字，再减去当前加扰序列的值，得到相邻跳频控制字差值。

6.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(11b)中所述映射方法的具体步骤如下：

第一步，判断相邻跳频控制字差值的绝对值是否小于等于3，若是，将相邻跳频控制字差值赋值给映射值，否则，执行第二步；

第二步，判断K是否小于等于3，若是，则将K值赋予ΔH，否则，将Q赋值给ΔH；其中，Δd表示相邻跳频控制字的差值，ΔH表示映射值。

7.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(11c)中所述映射值译码方法的具体步骤如下：

第一步，判断映射值ΔH是否为3，若是，将0值赋予数据序列Z_n，否则，执行第二步；

第二步，判断映射值ΔH是否为1，若是，将0值赋予数据序列Z_n，否则，执行第三步；

第三步，将1值赋予数据序列Z_n。

8.根据权利要求1所述的基于加扰器频率转移算法的数据序列处理方法，其特征在于，步骤(11e)中所述映射译码是指将数据序列中1的数据译码为0，将-1的数据译码为1。