CN109194365B - 一种二维图案调制跳频通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种二维图案调制跳频通信方法，其包括在跳频通信过程中，将发送的信息比特映射到两个信息载体单元，分别是跳频序列的符号和跳频起跳时刻的符号，利用跳频图案的频域变化和时域变化来表征信息，实现时频二维的跳频图案调制。本发明是一种能有效抑制跟踪干扰、部分频带干扰的跳频方式，同时具有非等间隔跳频周期，且易于提高信息传输速率。

Description

一种二维图案调制跳频通信方法

技术领域

本发明涉及一种跳频通信方法，具体涉及一种二维图案调制跳频通信方法。

背景技术

跳频技术使通信信号的载波频率伪随机跳变，以躲避的方式的对抗窄带阻塞干扰，具有较强的适应性和健壮性，在抗干扰无线通信领域有着广泛的应用。然而，随着通信对抗和电子技术的不断发展，干扰方变得越来越智能，以至可以截获跳频通信的某些参数并实施有针对性的干扰策略，如跟踪干扰。跟踪干扰可以造成跳频增益损失，使跳频通信变得如定频通信一样脆弱，是对跳频通信最有效的干扰方式。

跟踪干扰针对的正是作为系统基础的常规跳频原理。只要跳频原理不变，跟踪干扰就仍然可以对系统造成严重影响。近年来，已有学者试图对常规跳频原理做出改进，提出了具有良好抗跟踪干扰性能的新型跳频模式。

“信道即消息(the Medium is the Message)”的传输方式。在这种传输方式下，每个信道本身的固有特征称为“信道描述符(Channel Descriptor)”。信道不仅是运载消息的通道，而且利用信道描述符来表达消息。发送端只要选择占用某个信道，即相当于发送了特定的信息，用什么样的波形占用信道反而是次要的；接收端只要正确识别出当前被占用的信道就可以收到信息。因为信道本身的固有特征与发送波形无关，在干扰条件下比发送波形更容易识别，因此这种模式可以比常规跳频模式具有更好的抗跟踪干扰性能。但这种模式需要在很宽的频带内，针对所有可能的信道进行识别，接收机较为复杂。

“非常规跳频模式”(Unconventional FH Mode，UFH)。此模式将常规FH/MFSK的数据频率和对偶频率置于相互正交的信道中，并在每个信道使用未经调制的单频信号作为空中波形，被干扰条件下，单频信号比调制信号更容易识别。但UFH数据信道和对偶信道的频率间隔在每一跳都是相等的，如果干扰方截获了这一频率间隔，即可针对对偶信道实施更有效的干扰。

差分跳频(Differential Frequency Hopping，DFH)模式是相关跳频增强型扩谱电台的核心原理。差分跳频系统跳频频点之间通过不同传输信息的差异建立起相关性，这种相关性是在频率转移函数的控制下建立起来的。由于DFH接收机必须在一个较宽的带宽内检测，DFH接收机失去了常规跳频接收机利用前置预选滤波器和窄带中频滤波器抑制带外干扰的优势，受部分频带干扰和多音干扰影响的概率增加。

还有文献提出了一种抗跟踪干扰的多序列跳频通信方法，该方法将待传输的信息调制在不同的跳频序列上，并且数据信道和补偿信道频率分别按不同跳频序列跳变，使干扰方无法准确跟踪补偿信道，减少了跟踪干扰的影响；同时，接收机射频前端采用窄带接收，与差分跳频的宽带接收相比可有效抑制部分频带干扰。这种将跳频方式的信息传输速率受跳速限制，难以提高。同时，跳频周期固定，属于匀速跳频，抗侦察能力受限。

综合上述抗干扰跳频通信方式可知，“信道即消息”跳频方式、“非常规跳频模式”、差分跳频模式都具有传输信号波形简单稳健的特点。跟踪干扰总是针对传输信号，因此干扰效果有限，甚至会有利于正确传输。但普遍采用宽带接收方式也使系统抗异频干扰能力下降。而多序列跳频通信方式采用窄带接收，增强了抗异频干扰能力增强，但是其信息传输速率受跳速限制，高阶调制需要增加接收通道，系统复杂度提高，跳频周期固定，抗侦察能力受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种能有效抑制跟踪干扰、部分频带干扰的跳频方式，同时具有非等间隔跳频周期，且易于提高信息传输速率的二维图案调制跳频通信方法。

本发明采用如下技术方案：

一种二维图案调制跳频通信方法，在跳频通信过程中，将发送的信息比特映射到两个信息载体单元，分别是跳频序列的符号和跳频起跳时刻的符号，利用跳频图案的频域变化和时域变化来表征信息，实现时频二维的跳频图案调制。

其中，利用跳频序列进行信息调制时，多个跳频序列联合工作，以所述跳频序列的符号作为跳频序列的序号，利用不同序列频点跳变的差异来表示消息。

其中，利用跳频起跳时刻进行信息调制时，将一个跳频周期内，可用于频点起跳的时间划分为多个时隙，以所述跳频起跳时刻的符号作为当前频点起跳时隙的序号，而频点驻留时间不变，利用起跳时刻变化的差异来表示信息。

其中，将待传输的信息调制在序列起跳时刻的变化上，多个起跳时刻实现高阶调制，由待传输信息决定起跳时刻。

具体的，其包括如下步骤：

(1)发射机对待传送的二元数据进行信道编码；

(2)对编码后的数据进行串并转换，分为两个支路，支路1的二元数据数目为log₂M，支路2的二元数据数目为log₂L，其中M为跳频序列的个数，L为一个跳频周期内的起跳时刻数；

(3)支路1的二元数据经过映射后送往跳频序列选择单元，在M个跳频序列中确定一条发射序列；

支路2的二元数据经过映射后送往发射时刻选择单元，在L个起跳时刻中确定一个发射时刻；

(4)利用支路1的二元数据确定的跳频序列输出频率控制字，将频率控制字和起跳时刻，送到频率合成单元，生成单音频信号，发送至射频前端；

(5)发射机的射频前端完成滤波、功率放大处理后将信号送至天线发射出去；

(6)接收机上有M个接收通道并行接收，每个通道的射频前端将从天线上接收到的信号进行滤波、功率放大处理后将信号送至M个解跳单元；

(7)对每一个接收通道，在跳频序列控制下，利用频率合成单元生成的本振信号与接收信号进行混频、滤波处理，完成解跳处理；

(8)每一个接收通道上，解跳后的输出送往模数转换器进行模数转换；

(9)模数转换器的输出送往L个能量检测通道，每一个能量检测通道延迟(i-1)T_s，T_s为跳频时隙时长；

(10)将M·L个能量检测的结果送往综合判决单元进行判决，其中的最大值如果超过门限阈值则判为有信号，将对应的接收通道号映射为跳频序列选择二元数据，将对应的起跳时刻映射为起跳时刻选择二元数据；

(11)将跳频序列选择二元数据与起跳时刻选择二元数据进行并串转换，然后将进行信道解码；

(12)将解码后的数据送往信宿。

方法中，所述跳频序列的个数M以及一跳周期内的起跳时刻数L采用相同的进位制。

本发明适用于抗干扰无线通信领域，更具体来说，可以实现抗复杂强干扰条件下的应急通信。

(1)从时域上看，频点间隔随机变化，具有“变间隔跳频”特征，使跳频信号具有更好的隐蔽性。

(2)从频域上看，多个跳频序列联合工作，实现了补偿频率的隐藏，降低被跟踪被干扰的概率。

(3)从时域和频域联合起来看，跳频图案更加随机，具有更好的抗侦察截获能力。

(4)相比多序列跳频，在不提高跳速的条件下，信息速率得到有效提高。

(5)相比差分跳频，通过多个窄带信道同步接收，具有更好的抗部分频带干扰和抗多音干扰能力。

附图说明

图1为本发明的二维图案调制跳频通信方法工作流程图；

图2为应用本发明方法的二维图案调制跳频通信发射机工作原理图；

图3为应用本发明方法的二维图案调制跳频通信接收机工作原理图；

图4为实施例1得到的图案调制跳频图案。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，该实施例是示例性的，仅用于解释本发明，并不对保护范围构成限定。

结合图1的工作流程示意图，以二进制系统为例(M＝2，L＝2)。

在本发明的二维图案调制跳频(2D Pattern Modulation Frequency Hopping,2D-PMFH)通信过程中，整个工作频带W_SS内包含N个正交跳频频点。发送端与接收端有M条跳频序列工作，在每一个跳周期内有L个起跳时隙可选。每跳在数据比特选定的一个跳频序列输出频点和起跳时刻，发送单音频信号，所以每跳传输的二进制符号数B＝log₂M+log₂L。

假设一跳持续时间为T_c，跳频周期为T_h＝T_c，发射信号持续时间为T_s＝T_c/L。记每跳发送符号的能量为E_s，每个符号的持续时间为T_s，符号速率R_s＝1/T_s，则发送比特的能量为E_b＝E_s/B，比特速率R_b＝BR_s。

实施例1发射信号方法

如图2所示，发送信号时，发送端生成两个跳频序列FS₀和FS₁。在t时刻，当串并转换后发往数据映射I的数据为“0”时，选择跳频序列FS₀的当前频率f_(0,t)上发送单频信号s₀(t)；当串并转换后发往数据映射I的数据为“1”时，选择跳频序列FS₁的当前频率f_(1,t)上发送单频信号s₁(t)。而对于每一跳，均有两个起跳时刻FT₀和FT₁。在t时刻，当串并转换后发往数据映射II的数据为“0”时，选择在起跳时刻FT₀＝i·T_hop发送相应的单频信号；当串并转换后发往数据映射II的数据为“1”时，选择在起跳时刻FT₁＝i·T_hop+T_s发送相应的单频信号。

2D-PMFH二进制序列映射(M＝2，L＝2)如表1所示。以图1为例，假如从第i跳开始，用户待发送数据b＝00 01 10 11，经串并转换后，在t₁＝i·T_hop时刻，选择跳频序列FS₀对应的频点上发送单频信号s₀(t)，在t₂＝(i+1)·T_hop+T_s时刻，选择跳频序列FS₀对应的频点上发送单频信号s₀(t)，在t₃＝(i+2)·T_hop时刻，选择跳频序列FS₁对应的频点上发送单频信号s₀(t)，在t₄＝(i+3)·T_hop+T_s时刻，选择跳频序列FS₁对应的频点上发送单频信号s₀(t)。

表1 2D-PMFH二进制序列映射表(M＝2，L＝2)

二进制序列	00	01	10	11
					数序列	FS<sub>0</sub>	FS<sub>0</sub>	FS<sub>1</sub>	FS<sub>1</sub>
数序列编号	1	1	2	2
					起跳时间	FT<sub>0</sub>	FT<sub>1</sub>	FT<sub>0</sub>	FT<sub>1</sub>
起跳时间编号	1	2	1	2

实施例2接收信号方法

接收信号时，跳频接收机在多个通道上并行接收，每个接收通道都是窄带的。如图3所示，当M＝2时，共有2个接收通道。每一个通道都有独立的频率合成器，受控于各自的跳频序列FS_i。第i条接收通道的频率合成器输出的参考本振信号为：

式(1)中，为第i条接收通道参考本振信号频率；是对接收信号相位的估计值；是对接收信号延时T_d的估计值；k是跳频点时间序号。

假设跳频接收机对接收信号的处理是线性(广义)的，可以用叠加定理分别对干扰信号和有用信号进行分析。将输入信号进行分解，然后分别考虑各自通道通过接收机的响应。

首先，假设各种干扰和噪声都为0，只考虑有用信号通过接收系统的响应输出，接收信号r(t)经射频滤波器后，与本地跳频频率合成器输出参考信号混频，混频器的输出U_i(t)为：

假设接收机已经同步，即有用信号通过中频窄带带通滤波器的输出v_i(t)为：

式(3)中，P为Es/Ts。

根据闸门函数的定义知，

接收端生成的本地跳频序列与FS₀和FS₁分别保持同步。r(t)分别与接收通道0和接收通道1的当前频率进行混频，并经中频窄带滤波后进行平方率非相干检测。接收通道i(i＝0,1)的一跳检测结果R_i可表示为

由R_i可得判决变量Y＝R₀-R₁，经判决恢复出用户数据，完成变间隔信道上的并行窄带接收。例如，最简单的判决方法是硬判决，即当Y≥0时，认为发送数据为0；反之，当Y≤0时，认为发送数据为1。

M和L使用相同进制表示，可以但不限于使用二进制、四进制、六进制、八进制或十六进制等。多个时隙采用择大判决法。

实施例3结果的读取

结果如图4所示，通过图4可知，利用跳频序列进行信息调制时，多个跳频序列联合工作，将待发射比特符号映射为跳频序列的序号，利用不同序列频点跳变的差异来表示消息，通过补偿频率的伪随机跳变实现了其在跟踪干扰下的隐藏。

利用跳时刻进行信息调制时，将一个跳频周期内，可用于频点起跳的时间划分为多个时隙，将待发射比特符号映射为当前频点起跳时隙的序号，而频点驻留时间不变，利用起跳时刻变化的差异来表示信息。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，但并不限于此，本领域的技术人员很容易根据上述实施例领会本发明的精神，并作出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种二维图案调制跳频通信方法，其特征在于，在跳频通信过程中，将发送的信息比特进行串并转换后映射到两个信息载体单元分别进行信息调制，对于利用跳频序列进行信息调制的信息载体单元，利用不同序列频点跳变的差异来表示信息，对于利用跳频起跳时刻进行信息调制的信息载体单元，利用起跳时刻变化的差异来表示信息；

具体为，若发送端与接收端有M条跳频序列工作，在每一跳周期内有L个起跳时刻可选，M=2 ^m ，L=2 ⁿ ，m和n均为大于等于1的正整数；在发送端，将待发送的信息比特进行串并转换，m个信息比特与n个信息比特对应为一组，其中m个信息比特用于跳频序列选择，n个信息比特用于起跳时刻选择；将m个信息比特对应的二进制数转换为十进制数，作为选定的跳频序列序号；将n个信息比特对应的二进制数转换为十进制数，作为选定的起跳时刻的序号；在选定的起跳时刻发射选定的跳频序列对应频点的单频信号作为通信信号，实现时频二维的跳频图案调制。

2.根据权利要求1所述的二维图案调制跳频通信方法，其特征在于，利用跳频序列进行信息调制时，将待发射比特符号映射为跳频序列的序号。

3.根据权利要求1所述的二维图案调制跳频通信方法，其特征在于，利用跳频起跳时刻进行信息调制时，将待发射比特符号映射为当前频点起跳时刻的序号。

4.根据权利要求1所述的二维图案调制跳频通信方法，其特征在于，多个起跳时刻实现高阶调制，由待传输信息决定起跳时刻。

5.根据权利要求1~4任一项所述的二维图案调制跳频通信方法，其特征在于，其具体通过如下步骤实现：

（1）发射机对待传送的二元数据进行信道编码；

（2）对编码后的数据进行串并转换，分为两个支路，支路1的二元数据数目为log₂ M，支路2的二元数据数目为log₂ L，其中M为跳频序列的个数，L为一个跳频周期内的起跳时刻数；

（3）支路1的二元数据经过映射后送往跳频序列选择单元，在M个跳频序列中确定一条发射序列；

支路2的二元数据经过映射后送往发射时刻选择单元，在L个起跳时刻中确定一个发射时刻；

（4）利用支路1的二元数据确定的发射序列输出频率控制字，将频率控制字和发射时刻，送到频率合成单元，生成单频信号，发送至射频前端；

（5）发射机的射频前端完成滤波、功率放大处理后将信号送至天线发射出去；

（6）接收机上有M个接收通道并行接收，每个通道的射频前端将从天线上接收到的信号进行滤波、功率放大处理后将信号送至M个解跳单元；

（7）对每一个接收通道，在跳频序列控制下，利用频率合成单元生成的本振信号与接收信号进行混频、滤波处理，完成解跳处理；

（8）每一个接收通道上，解跳后的输出送往模数转换器进行模数转换；

（9）模数转换器的输出送往L个能量检测通道，每一个能量检测通道延迟(i-1)T _s，T _s为跳频时隙时长，i为接收通道编号；

（10）将M·L个能量检测的结果送往综合判决单元进行判决，其中的最大值如果超过门限阈值则判为有信号，将对应的接收通道号映射为跳频序列选择二元数据，将对应的起跳时刻映射为起跳时刻选择二元数据；

（11）将跳频序列选择二元数据与起跳时刻选择二元数据进行并串转换，然后将进行信道解码；

（12）将解码后的数据送往信宿。

6.根据权利要求5所述的二维图案调制跳频通信方法，其特征在于，所述M和L采用相同的进位制。