CN109547060A - 跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统及跳扩频通信方法 - Google Patents

跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统及跳扩频通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统及跳扩频通信方法，跳扩频信号发射装置包括信息调制器，用于组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；频率合成器，用于根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列，发送至数字调制器；数字调制器，用于根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变；射频调制器，用于将数字调制后的组合序列转换成射频信号，发送至跳扩频信号接收装置。本发明能够实现一个传输信号内完成多跳，使得传输内容不易被发现，传输过程抗干扰能力强，抗截获能力强。

Description

跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统 及跳扩频通信方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统及跳扩频通信方法。
背景技术
随着信号检测技术，尤其是低截获概率信号检测技术的产生和应用，使得传统的测控信号处理方式面临着前所未有的危机。尤其是在军用方面，直接序列扩频体制已经不能满足现代化信息战争的需求。所以国内外科学工作者一直致力于寻找一种能够进一步提高测控系统抗干扰、抗截获能力的信号处理方式。因此，由简单直接扩频体制(DS，DirectSequence，直接序列)和单一跳频体制(FH，Frequency Hopping，跳频)所组成的跳扩频(DS/FH)体制应运而生，而且引起了广泛的关注，并成为了航天测控领域的热门研究方向之一。
然而，针对高速的DS/FH的信道模型现有技术中还没有完备的介绍，尤其针对一个符号被扩频后，一个符号内完成多跳的情况，也就是一个扩频码内进行多跳运算的模型是一个研究的新课题。
因此，提供一种跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统及跳扩频通信方法。。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种跳扩频信号发射装置、跳扩频信号接收装置、跳扩频通信系统及跳扩频通信方法，能够实现一个传输信号内完成多跳，使得传输内容不易被发现，传输过程抗干扰能力强，抗截获能力强。
根据本发明的一个方面，提供一种跳扩频信号发射装置，包括：
信息调制器，用于组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；
频率合成器，用于根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列，发送至数字调制器；
数字调制器，用于根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变。
射频调制器，用于将数字调制后的组合序列转换成射频信号，发送至跳扩频信号接收装置。
进一步地，通过以下公式计算码控制字：
其中，Rcw(t)为码控制字，Rc(t)为码率，Rd(t)为码多普勒，fs为采样速率，v为通信目标移动速度，c为光速。
进一步地，通过以下公式计算频率控制字：
其中，fcw(k)为码控制字，ft(k)为第k个跳频图案的本地载波序列，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，fs为采样速率，v为通信目标移动速度，c为光速。
进一步地，上述跳扩频信号发射装置，还包括：扩频码累加器，用于在采样点移动时，计算并存储扩频码；
载波相位累加器，用于在采样点移动时，计算并存储载波相位；
跳频频点累加器，用于在采样点移动时，计算并存储跳频频点。
进一步地，一个扩频码的长度为30码片，一个跳频频率为10个码片，一个码片对应8个采样点，一个原始信息序列对应3个跳频频点。
进一步地，跳频频率表为频率控制字、跳频序列和跳频图案的映射关系。
根据本发明的另一方面，提供一种跳扩频信号接收装置，包括：
射频混频器，用于将接收的射频信号转换成组合序列，发送至数字解跳器；
数字解跳器，用于根据跳频频率表对组合序列解跳，发送至解扩解调器；
解扩解调器，用于根据扩频码序列对解跳后的组合序列进行解扩解调，获取原始信息序列。
进一步地，通过以下公式计算原始信息序列：
r(t)＝Acos(2π(ft(k)+fd(k))t+θ)·D(t-τ)·C(Rc(t)+Rd(t)-τ)+n(t)
其中，r(t)为原始信息序列，A为信号幅度，k为载波序列号，θ为估计相位信息，ft(k)为第k个跳频图案的载波序列，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，D(t)为数据序列，C(t)为用于扩频的PN序列，τ为发射机到接收机的延迟，n(t)为独立于信号的高斯白噪声，Rc(t)为码率，Rd(t)为码多普勒。
进一步地，跳频频率表为频率控制字、跳频序列和跳频图案的映射关系。
根据本发明的又一方面，提供一种跳扩频通信系统，包括上述跳扩频信号发射装置和上述跳扩频信号接收装置。
根据本发明的还一方面，提供一种基于跳扩频通信系统实现的跳扩频通信方法，包括以下步骤：
组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；
根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列；
根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变；
将数字调制后的组合序列转换成射频信号；
接收射频信号，并将射频信号转换成组合序列；
根据跳频频率表对组合序列解跳；
根据扩频码序列对解跳后的组合序列进行解扩解调，获取原始信息序列。
本发明与现有技术相比具有以下的优点：
本发明组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列，并根据组合序列计算码控制字，根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列，根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变，实现一个传输信号内完成多跳，使得传输内容不易被发现，传输过程抗干扰能力强，抗截获能力强。
附图说明
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的跳扩频通信系统框图；
图2是本发明的跳扩频通信方法流程图；
图3为一个码片的采样点数为16时，原始信息序列和扩频码相位的仿真图；
图4为一个码片的采样点数为16时，跳频信号相位的仿真图；
图5为一个码片的采样点数为16时，跳频信号信息的仿真图；
图6为跨越频率的采样点模型；
图7为一个码片的采样点数为16时，跳频信号信息的仿真图；
图8为一个码片的采样点数为16时，跳频信号相位的仿真图；
图9为一个码片的采样点数为16时，跳频信号相位的仿真图；
图10为一个码片的采样点数为16时，跳频信号信息的仿真图；
图11是本发明的跳扩频通信方法流程图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本发明用扩频序列码去进行频移键控调制，使载波频率不断跳变，发端信息序列与扩频码序列组合以后按照不同的码字去控制频率合成器，输出频率随码字的不同而形成频率的跳变，而在接收端需要有一个与发送端完全相同的本地扩频发生器去控制本地频率合成器，使其输出的跳频信号能在混频器中接收信号，差频出固定的中频信号，然后经中频器及信息解调器输出恢复原始信息。
图1是本发明的跳扩频通信系统框图，参见图1，本发明提供的跳扩频通信系统，包括跳扩频信号发射装置和跳扩频信号接收装置。
参见图1，跳扩频信号发射装置，包括：
信息调制器，用于组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；
频率合成器，用于根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列，发送至数字调制器；
数字调制器，用于根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变。
射频调制器，用于将数字调制后的组合序列转换成射频信号，发送至跳扩频信号接收装置。
进一步地，跳频频率表为频率控制字、跳频序列和跳频图案的映射关系。扩频码序列通过扩频码发生器生成。
进一步地，通过以下公式计算码控制字：
其中，Rcw(t)为码控制字，Rc(t)为码率，Rd(t)为码多普勒，fs为采样速率，v为通信目标移动速度，c为光速。
进一步地，通过以下公式计算频率控制字：
其中，fcw(k)为码控制字，ft(k)为第k个跳频图案的本地载波序列，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，fs为采样速率，v为通信目标移动速度，c为光速。
进一步地，上述跳扩频信号发射装置，还包括：扩频码累加器，用于在采样点移动时，计算并存储扩频码；
载波相位累加器，用于在采样点移动时，计算并存储载波相位；
跳频频点累加器，用于在采样点移动时，计算并存储跳频频点。
进一步地，一个扩频码的长度为30码片，一个跳频频率为10个码片，一个码片对应8个采样点，一个原始信息序列对应3个跳频频点。
参见图1，上述跳扩频信号接收装置，包括：
射频混频器，用于将接收的射频信号转换成组合序列，发送至数字解跳器；
数字解跳器，用于根据跳频频率表对组合序列解跳，发送至解扩解调器；
解扩解调器，用于根据扩频码序列对解跳后的组合序列进行解扩解调，获取原始信息序列。
进一步地，跳频频率表为频率控制字、跳频序列和跳频图案的映射关系。
进一步地，通过以下公式计算原始信息序列：
r(t)＝Acos(2π(ft(k)+fd(k))t+θ)·D(t-τ)·C(Rc(t)+Rd(t)-τ)+n(t)
其中，r(t)为原始信息序列，A为信号幅度，k为载波序列号，θ为估计相位信息，ft(k)为第k个跳频图案的载波序列，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，D(t)为数据序列，C(t)为用于扩频的PN序列，τ为发射机到接收机的延迟，n(t)为独立于信号的高斯白噪声，Rc(t)为码率，Rd(t)为码多普勒。
另外，Uo(t)＝exp(2π(fin(k)+fd(k))t+θ)
其中，Uo(t)是为本地载波跟踪信号，k为载波序列号，θ为估计相位信息，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，fd(k)为第k个跳频图案的输入序列。
从以上两个公式可以看出来原始信息序列不仅有频偏而且还有码偏，码偏也是由频偏引入来的。
频偏fd是由于多普勒效应而造成的，多普勒效应也会产生码偏。若由于多普勒效应而产生的频偏为Rd，则可以得到由于多普勒效应而产生的码偏为
Rd＝Rc·fd/f0
无论是码偏还是频偏都引入了一个中间变量，移动速度和光速的比值，这个比值和本振f0相乘得到的是频偏，和伪码速率Rc相乘得到的是码偏
由于本振频率一般远远大于码速率f0>>Rc，所以多普勒频移一般远远大于码偏移。
故此有如下推导
建立上述数学模型思路如下：首先建立码控制字，码控制字由码率Rc和码多普勒Rd相加后相比采样速率fs构成：
扩频码累加器初始化：acc＝0；
载波相位初始化：carryphase＝0
然后建立码控制字和频率控制字，每移动一个采样点，扩频码累加器和载波相位均都累加一次，当然不同时刻码控制字不同，不同跳频频率频率控制字不同
acc＝Rcw+acc
图2为本发明跳扩频通信系统的工作原理图，在图2中，扩频码长度是30码片，一个跳频频率是10个码片，一个码片对应8个采样点，一个原始信息序列对应3个跳频频点。在这里，扩频码长度、跳频频率的码片数目，码片对应的采样点数目、原始信息序列对应的跳频频点数目不限于此。
chcode_period＝30；(一个符号对应的30个chip)
Th_period＝10；(一跳对应的10个chip)
第一步，对跳扩频信道模型进行初始化，具体地，跳扩频通信系统的初设设置如下
c＝299792458；％％光速
fs＝160e6；％*采样速率；
ts＝1/fs；％％％采样点周期
fi＝60e6；％中频频率
fc＝10.0e6；％码速率
v1＝-1800；％通信目标移动速度-1800m/s
sigma＝v1/c；％％运动速度/光速
f0＝2075.42e6；％射频中心频率
fstep＝100e3；％跳频步进100k
freqstepselect＝[20,50,80]；％％跳频控制字
chcode_period＝30；％％％一个符号对应的500个CHIP
Th_chips＝10；％％一跳对应的100个chip，
Rd＝fc.*sigma；％％％Rate of code Doppler码偏移60
fd＝sigma.*f0；％％％％Doppler frequency offset最大频偏12.46K
freq_Num＝chcode_period./Th_chips；％％％一个符号对应频率点个数5个
一个码片对应8个采样点
第二步，码偏移和码控制字初始化
第三步，计算扩频码、跳频码、扩频码相位和电文，在这里，电文也是原始信息序列，扩频码也是信道化码
第四步，判断码相位是否达到一个扩频码周期，若是，则重新计数，若否，则判断码相位是否达到一个跳频码周期，若是，则重新计数，并增加跳频频点数目，跳频频点数目达到一个电文周期，此时，增加电文数目，若否，则计算频率控制字，并根据该频率控制字选择跳频图案，以对电文进行跳频处理，并输出载波频率累加相位、信道化码相位索引和电文相位索引。
图3为一个码片的采样点数为16时，原始信息序列和扩频码相位的仿真图。如图3所示，一个码片的采样点数为16时，一个扩频码的码片为30，则一个符号扩频后的采样点为480。
％pn_index1：扩频码相位(0<＝pn_index1<＝chcode_period)
％teleindex：原始信息序列相位(1,1,...,2,2..)
％carryphase_in：载波频率累加相位(-1<＝carryphase_in<＝1)
图4为一个码片的采样点数为16时，跳频信号相位的仿真图，如图4所示，一个跳频频率是10个码片，因此，一个跳频频点对应的采样点为160，另外，跳频信号相位信息为2*Pi*相位，范围为0到1。
图5为一个码片的采样点数为16时，跳频信号信息的仿真图，如图5所示，跳频信号信息，即跳频序列的实部为COS(2*Pi*相位)，范围为-1到1。
下面关键点是跳频频率点在跳频时的变动：
v1＝-1800；％8000m/s
chcode_period＝500；％％％一个符号对应的500个CHIP
Th_period＝100；％％一跳对应的100个chip，
freqstepselect＝[200,50,300,40,100]；％％跳频控制字
速度如果反向，此时频率周期呈现收缩状态，这个周期还没有完成，下一个频率采样点就来了。
图6为跨越频率的采样点模型，如图6所示，频率fi与频率fi+1之间相差一个采样周期Ts。
％carryphase_in：载波频率累加相位(-1<＝carryphase_in<＝1)
图7为一个码片的采样点数为16时，跳频信号信息的仿真图，如图7所示，跳频信号信息，即跳频序列的实部为COS(2*Pi*相位)，范围为-1到1。此时，跳频频率点为(1600，0.7035)。
图8为一个码片的采样点数为16时，跳频信号相位的仿真图，如图8所示，一个跳频频率是100个码片，因此，一个跳频频点对应的采样点为1600，另外，跳频信号相位信息为2*Pi*相位，范围为0到1。此时，跳频频率点为(1600，0.8742)。
如果速度正向，此时频率周期呈现扩张状态，已经超过没有频偏的周期数量
v1＝1800；％8000m/s
chcode_period＝500；％％％一个符号对应的500个CHIP
Th_period＝100；％％一跳对应的100个chip，
freqstepselect＝[200,50,300,40,100]；％％跳频控制字
图9为一个码片的采样点数为16时，跳频信号相位的仿真图，如图9所示，一个跳频频率是100个码片，因此，一个跳频频点对应的采样点为1600，另外，跳频信号相位信息为2*Pi*相位，范围为0到1。此时，跳频频率点为(1600，0.1249)。
图10为一个码片的采样点数为16时，跳频信号信息的仿真图，如图10所示，跳频信号信息，即跳频序列的实部为COS(2*Pi*相位)，范围为-1到1。此时，跳频频率点为(1600，0.7075)。
图11是本发明的跳扩频通信方法流程图，如图11所示，本发明提供的基于跳扩频通信系统实现的跳扩频通信方法，包括以下步骤：
组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；
根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列；
根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变；
将数字调制后的组合序列转换成射频信号；
接收射频信号，并将射频信号转换成组合序列；
根据跳频频率表对组合序列解跳；
根据扩频码序列对解跳后的组合序列进行解扩解调，获取原始信息序列。
对于方法实施例而言，由于其与系统实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
对于方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施例并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施例，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本发明实施例所必须的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种跳扩频信号发射装置，其特征在于，包括：
信息调制器，用于组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；
频率合成器，用于根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列，发送至数字调制器；
数字调制器，用于根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变；
射频调制器，用于将数字调制后的组合序列转换成射频信号，发送至跳扩频信号接收装置。
2.根据权利要求1所述的跳扩频信号发射装置，其特征在于，通过以下公式计算码控制字：
其中，Rcw(t)为码控制字，Rc(t)为码率，Rd(t)为码多普勒，fs为采样速率，v为通信目标移动速度，c为光速。
3.根据权利要求2所述的跳扩频信号发射装置，其特征在于，通过以下公式计算频率控制字：
其中，fcw(k)为码控制字，ft(k)为第k个跳频图案的本地载波序列，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，fs为采样速率，v为通信目标移动速度，c为光速。
4.根据权利要求3所述的跳扩频信号发射装置，其特征在于，还包括：扩频码累加器，用于在采样点移动时，计算并存储扩频码；
载波相位累加器，用于在采样点移动时，计算并存储载波相位；
跳频频点累加器，用于在采样点移动时，计算并存储跳频频点。
5.根据权利要求4所述的跳扩频信号发射装置，其特征在于，一个扩频码的长度为30码片，一个跳频频率为10个码片，一个码片对应8个采样点，一个原始信息序列对应3个跳频频点。
6.根据权利要求1所述的跳扩频信号发射装置，其特征在于，跳频频率表为频率控制字、跳频序列和跳频图案的映射关系。
7.一种跳扩频信号接收装置，其特征在于，包括：
射频混频器，用于将接收的射频信号转换成组合序列，发送至数字解跳器；
数字解跳器，用于根据跳频频率表对组合序列解跳，发送至解扩解调器；
解扩解调器，用于根据扩频码序列对解跳后的组合序列进行解扩解调，获取原始信息序列。
8.根据权利要求7所述的跳扩频信号接收装置，其特征在于，通过以下公式计算原始信息序列：
r(t)＝Acos(2π(ft(k)+fd(k))t+θ)·D(t-τ)·C(Rc(t)+Rd(t)-τ)+n(t)
其中，r(t)为原始信息序列，A为信号幅度，k为载波序列号，θ为估计相位信息，ft(k)为第k个跳频图案的载波序列，fd(k)为第k个跳频图案的多普勒偏移，D(t)为数据序列，C(t)为用于扩频的PN序列，τ为发射机到接收机的延迟，n(t)为独立于信号的高斯白噪声，Rc(t)为码率，Rd(t)为码多普勒。
9.一种跳扩频通信系统，其特征在于，包括权利要求1所述跳扩频信号发射装置和权利要求7所述跳扩频信号接收装置。
10.一种基于权利要求9所述系统实现的跳扩频通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
组合原始信息序列与扩频码序列，生成组合序列发送至频率合成器；
根据组合序列计算码控制字，并根据码控制字计算频率控制字，并根据频率控制字从跳频频率表中取出跳频序列；
根据跳频序列对组合序列进行数字调制，使得组合序列频率按照跳频序列跳变；
将数字调制后的组合序列转换成射频信号；
接收射频信号，并将射频信号转换成组合序列；
根据跳频频率表对组合序列解跳；
根据扩频码序列对解跳后的组合序列进行解扩解调，获取原始信息序列。
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