CN109586764A - 一种基于fpga的自适应跳频系统及自适应跳频方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于FPGA的自适应跳频系统及自适应跳频方法，它用于通信技术领域。本发明解决了目前的跳频通信系统无法规避开受到干扰的跳频点，导致系统传输信息能力下降的问题。本发明的接收机部分能够对信道的质量进行评估，进而改变自适应跳频系统的跳频点来避开实际信道传输过程中较差的频率点，有效解决传输信息的能力下降的问题，从而提高跳频系统的抗干扰能力。本发明可以应用于通信技术领域用。

Description

一种基于FPGA的自适应跳频系统及自适应跳频方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种自适应跳频系统及自适应跳频方法。
背景技术
扩频通信理论与香农定理息息相关：
其中，C为信道容量，B为信道带宽，S/N表示系统的信噪比。式(1)给出了这三者之间的数学关系，描述了信息无差错传输的能力。式(1)可以进行变换为
通常来讲，扩频通信系统中存在干扰，使得则有
可得
由式(4)可以分析得到信道带宽、信道容量和系统信噪比之间的关系。可以看出保证信道容量不变的情况下，则有系统信噪比反比于信道带宽，那么在低信噪比下就可以通过增大信道带宽来保证系统信息无差错传输的能力，扩频通信正是通过扩展传输信息信号的带宽，所以使得扩频通信系统有着强大的抗干扰能力。
跳频通信是扩频通信的一个重要分支，它通过伪码序列控制跳频图案发生器在多个频点中进行选择，从而产生跳频信号，具有很强的抗干扰性能，适用于复杂的电子战通信环境。跳频通信系统的信号流程是：发射机先将数据源的比特流信息通过调制器进行调制。此时，伪码发生器控制跳频图案发生器获得当前相位下的频点，从时间-频率二维的角度来看就形成了一个相应的跳频图案。跳频图案发生器将调制后的信号混频到跳频频点处，从而得到了发射的跳频信号并将其发射到信道中去。这与其他的数字通信系统不同的是，跳频通信是一个瞬时的窄带通信系统，但在频域上其中心频率根据跳频图案不断跳变，这使得它能够有效地避开人为干扰，具备很强的抗干扰性能。接收机对在信道中叠加了噪声和干扰的发射信号进行接收，进而得到接收信号。其中，收发两端的跳频图案相同，但接收信号所处的跳频图案相位是随机且未知的。在跳频同步后，收发两端跳频图案发生器相位对准，经由混频器得到一个稳定的窄带中频信号。在后续的滤波及解调运算后，恢复得到数据源的比特流信息。虽然跳频通信系统具有着诸多优势，但是目前的跳频通信系统并不能够对信道质量进行实时评估，所以目前的跳频通信系统无法规避开受到干扰的跳频点，导致系统传输信息的能力下降。
发明内容
本发明的目的是为解决目前的跳频通信系统无法规避开受到干扰的跳频点，导致系统传输信息能力下降的问题。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：
基于本发明的一个方面，一种基于FPGA的自适应跳频系统，所述自适应跳频系统包括发射机部分和接收机部分：
所述发射机部分包含有信源模块、信息编码模块、DBPSK调制模块、混频模块、DAC、发射机自适应跳频图案产生器模块、发射机控制模块、时钟源模块和伪码发生器模块；
信源模块用于产生数据信息，并将数据信息发送给信息编码模块；
信息编码模块用于对接收到的数据信息进行编码，并将编码后的数据信息发送给DBPSK调制模块；
DBPSK调制模块用于对接收到的编码后数据信息的跳频载波进行调制，并将经过调制后的数据信息传输给混频模块；
时钟源模块用于控制伪码发生器模块产生伪随机码，发射机自适应跳频图案产生器模块根据接收到的伪随机码产生不同频率的信息，并将产生的不同频率的信息发送给混频模块；
混频模块用于将调制后的数据信息和不同频率的信息合成特定频率的信号，并将合成的特定频率的信号发送给DAC；
DAC用于将接收到的信号转换成模拟信息，并将模拟信息发送到信道中；
发射机控制模块用于完成上位机与发射机的数据交互，通过上位机的配置实时控制发射机对系统指标参数进行调整；
所述接收机部分包含有ADC、实时信道质量评估模块、混频与滤波模块、接收机自适应跳频图案产生器模块、DBPSK解调模块、跳频同步模块和接收机控制模块；
ADC用于接收信道中的模拟信息，将模拟信息转换成数字信息；并将数字信息发送给实时信道质量评估模块和混频与滤波模块；
实时信道质量评估模块根据实时接收的数字信息估计信道的信噪比，并将估计结果经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块，同时改变接收机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案；
接收机自适应跳频图案产生器模块用于将跳频图案发送给混频与滤波模块，并将跳频图案经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块；
混频与滤波模块用于去除跳频载波和滤除正交下变频后的高频分量，并将混频与滤波结果输出给DBPSK解调模块和跳频同步模块；
DBPSK解调模块用于解调出信源模块发射的数据信息；
跳频同步模块用于同步和跟踪发射机部分的伪随机码的变化；
接收机控制模块用于完成上位机与接收机的数据交互，通过上位机的配置实时控制接收机对系统指标参数进行调整。
本发明的另一方面，一种基于FPGA的自适应跳频方法，该方法通过以下步骤实现：
信源模块产生数据信息，并将产生的数据信息发送给信息编码模块；信息编码模块对数据信息进行编码，并将编码后的数据信息发送给DBPSK调制模块；DBPSK调制模块对编码后数据信息的跳频载波进行调制，并将经过调制后的数据信息传输给混频模块；
时钟源控制伪码发生器产生伪随机码，并将产生的伪随机码发送给发射机自适应跳频图案产生器模块，发射机自适应跳频图案产生器模块根据伪随机码来产生不同频率的信息，并将产生的不同频率的信息发送给混频模块；混频模块将调制后的数据信息和不同频率的信息合成特定频率的信号，并将合成的特定频率的信号发送给DAC；DAC将信号转换成模拟信息，并将模拟信息发送到信道中；
ADC将信道中的模拟信息转换成数字信息；并将数字信息发送给实时信道质量评估模块和混频与滤波模块；实时信道质量评估模块对信道中的数字信息的信噪比进行实时估计，并将信噪比估计结果实时反馈给发射机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案，同时改变接收机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案；
接收机自适应跳频图案产生器模块将跳频图案发送给混频与滤波模块后，混频与滤波模块去除跳频载波和滤除正交下变频后的高频分量，并在将混频与滤波结果输出给DBPSK解调模块和跳频同步模块的同时，将跳频图案经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块；跳频同步模块同步和跟踪发射机部分的伪随机码的变化，DBPSK解调模块将信源模块发射的数据信息解调出来；
上位机与发射机的数据交互和上位机与接收机的数据交互分别通过发射机控制模块和接收机控制模块来完成，通过上位机的配置实时控制发射机和接收机对系统指标参数进行调整。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于FPGA的自适应跳频系统及自适应跳频方法，本发明的接收机部分能够对信道的质量进行评估，进而改变自适应跳频系统的跳频点来避开实际信道传输过程中较差的频率点，有效解决传输信息的能力下降的问题，从而提高跳频系统的抗干扰能力。
附图说明
图1是本发明的一种基于FPGA的自适应跳频系统的框图；
图2是本发明的一种基于FPGA的自适应跳频系统中发射机的框图；
图3是本发明的一种基于FPGA的自适应跳频系统中发射机的框图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式。本实施方式所述的一种基于FPGA的自适应跳频系统，所述自适应跳频系统包括发射机部分和接收机部分：
所述发射机部分包含有信源模块、信息编码模块、DBPSK调制模块、混频模块、DAC、发射机自适应跳频图案产生器模块、发射机控制模块、时钟源模块和伪码发生器模块；
信源模块用于产生数据信息，并将数据信息发送给信息编码模块；
信息编码模块用于对接收到的数据信息进行编码，并将编码后的数据信息发送给DBPSK调制模块；
DBPSK调制模块用于对接收到的编码后数据信息的跳频载波进行调制，并将经过调制后的数据信息传输给混频模块；
时钟源模块用于控制伪码发生器模块产生伪随机码，发射机自适应跳频图案产生器模块根据接收到的伪随机码产生不同频率的信息，并将产生的不同频率的信息发送给混频模块；
混频模块用于将调制后的数据信息和不同频率的信息合成特定频率的信号，并将合成的特定频率的信号发送给DAC；
DAC用于将接收到的信号转换成模拟信息，并将模拟信息发送到信道中；
发射机控制模块用于完成上位机与发射机的数据交互，通过上位机的配置实时控制发射机对系统指标参数进行调整；
所述接收机部分包含有ADC、实时信道质量评估模块、混频与滤波模块、接收机自适应跳频图案产生器模块、DBPSK解调模块、跳频同步模块和接收机控制模块；
ADC用于接收信道中的模拟信息，将模拟信息转换成数字信息；并将数字信息发送给实时信道质量评估模块和混频与滤波模块；
实时信道质量评估模块根据实时接收的数字信息估计信道的信噪比，并将估计结果经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块，同时改变接收机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案；
接收机自适应跳频图案产生器模块用于将跳频图案发送给混频与滤波模块，并将跳频图案经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块；
混频与滤波模块用于去除跳频载波和滤除正交下变频后的高频分量，并将混频与滤波结果输出给DBPSK解调模块和跳频同步模块；
DBPSK解调模块用于解调出信源模块发射的数据信息；
跳频同步模块用于同步和跟踪发射机部分的伪随机码的变化；
接收机控制模块用于完成上位机与接收机的数据交互，通过上位机的配置实时控制接收机对系统指标参数进行调整。
本实施方式的自适应跳频系统的关键技术在于能够对信道质量进行实时评估，这与常规跳频通信系统相比，本实施方式的接收机能够实现实时的信道信噪比估计功能，并通过反馈信道完成收发信机对自适应跳频图案的实时动态更新。自适应跳频通信系统的工作流程可分为三个阶段：通信建立、扫频和通信保持。
在通信建立阶段，目标是建立起通信双方的同步机制。在扫频阶段，对跳频频率集中所有的频点进行扫频，通过实时信道质量评估模块将其划分为可用跳频频率集和备用跳频频率集。在通信保持阶段，实时信道质量评估模块持续对通信链路进行检测，利用接收机自适应跳频图案产生器对受到干扰的跳频点进行处理，而后接收机将实时更新的自适应跳频图案通过反馈信道将反馈信息通知给发射机。此时，收发双方即可同时更新发射机和接收机的自适应跳频图案产生器做出实际调整，来达到自适应跳频的目的。
自适应跳频通信系统中通信链路可分为两种信道，传输信道和反馈信道。发射机通过反馈信道接收实时更新的反馈信息，对发射机自适应跳频图案产生器做出调整，规避开受到干扰的跳频点，再将数据信息调制到跳频信号中发射到传输信道，即传输信道完成了数据信息的传输。接收机对传输信道中的接收信号进行实时信道质量评估，并利用检测到的信道状态对接收机自适应跳频图案产生器模块实时更新，将生成好的自适应跳频图案通过反馈信道通知发射机，即反馈信道完成反馈信息的传输。最终，收发双方实时同步自适应跳频图案，对可用频率集、发射功率或跳频速率进行自适应地调整。
具体实施方式二：本实施方式所述的一种基于FPGA自适应跳频方法，该方法通过以下步骤实现：
信源模块产生数据信息，并将产生的数据信息发送给信息编码模块；信息编码模块对数据信息进行编码，并将编码后的数据信息发送给DBPSK调制模块；DBPSK调制模块对编码后数据信息的跳频载波进行调制，并将经过调制后的数据信息传输给混频模块；
时钟源控制伪码发生器产生伪随机码，并将产生的伪随机码发送给发射机自适应跳频图案产生器模块，发射机自适应跳频图案产生器模块根据伪随机码来产生不同频率的信息，并将产生的不同频率的信息发送给混频模块；混频模块将调制后的数据信息和不同频率的信息合成特定频率的信号，并将合成的特定频率的信号发送给DAC；DAC将信号转换成模拟信息，并将模拟信息发送到信道中；
ADC将信道中的模拟信息转换成数字信息；并将数字信息发送给实时信道质量评估模块和混频与滤波模块；实时信道质量评估模块对信道中的数字信息的信噪比进行实时估计，并将信噪比估计结果实时反馈给发射机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案，同时改变接收机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案；
接收机自适应跳频图案产生器模块将跳频图案发送给混频与滤波模块后，混频与滤波模块去除跳频载波和滤除正交下变频后的高频分量，并在将混频与滤波结果输出给DBPSK解调模块和跳频同步模块的同时，将跳频图案经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块；跳频同步模块同步和跟踪发射机部分的伪随机码的变化，DBPSK解调模块将信源模块发射的数据信息解调出来；
上位机与发射机的数据交互和上位机与接收机的数据交互分别通过发射机控制模块和接收机控制模块来完成，通过上位机的配置实时控制发射机和接收机对系统指标参数进行调整。
自适应跳频系统划分为发射机和接收机两部分，发射机部分所实现的功能可概括如下，信源模块产生的数据信息经过编码后，调制混频到跳频频点处，通过DAC发射到信道中。接收机模块通过ADC接收信号并对其进行正交下变频，若跳频同步模块已成功捕获并跟踪，则此时收发双方的自适应跳频图案产生器是实时同步的。在此基础上，解调模块可正常工作并解调出发送的数据信息。实时信道质量评估模块根据实时接收的信号估计信道信噪比，并根据跳频同步模块对应到实际的跳频子信道。接收机自适应跳频图案产生器一方面根据跳频图案产生跳频载波用于正交下变频，另一方面根据实时信道质量评估结果实时更新跳频图案，规避开信道质量较差的跳频点，并将实时更新的跳频图案通过反馈信道通知给发射机。发射机通过反馈信息对发射机自适应跳频图案产生器进行实时更新，保持收发双方同步一致。
发射机部分的信源模块主要用于产生发送的信息。DBPSK调制模块用于对跳频载波的调制，其特点在于使用的奇偶序列差分编码方式。发射机自适应跳频图案模块受伪码发生器控制，由跳频序列决定跳频频点的跳变规律，而跳频频率集则由发射机自适应跳频图案产生器自身进行配置。发射机控制模块承担着上位机与发射机部分进行数据交互的功能，通过上位机的配置来实时控制发射机对系统指标参数的调整。
接收机部分有接收机自适应跳频图案产生器、DBPSK解调模块、混频与滤波模块、跳频同步模块和接收机控制模块等。接收机自适应跳频图案模块受伪码发生器控制，由跳频序列决定跳频频点的跳变规律，而跳频频率集则由接收机自适应跳频图案产生器自身进行配置。DBPSK解调模块的特点在于不需要与本地载波进行相干解调，适合硬件编程设计。混频与滤波模块的中滤波模块的作用是将混频之后的高频分量进行滤除，将滤波之后的信号送入捕获跟踪。同步跟踪使用的是快速出具捕获法。同步捕获使用的是早迟们能量法。在接收机中控制模块功能与发射机类似，是上位机与接收机之间通信的桥梁，为多模式多速率的配置提供了接口。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述接收机的跳频同步模块采用的是快速出局捕获和早迟门能量的方法。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二不同的是，所述接收机的跳频同步模块采用的方法还包括早迟门能量的方法。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三或四不同的是，所述实时信道质量评估模块在上位机使用SSME算法。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式五不同的是，所述实时信道质量评估模块的工作过程如下：
实时信道质量评估模块在k时刻接收信号的值为yk，系统对接收信号中每个符号的采样点数为Nss，接收信号中涉及的符号个数为Nsym，n的取值范围是0到Nsym-1，且n的取值为0和正整数，则中间变量Yαn和Yβn分别表示为：
中间变量mp和mss值的计算方式为：
则信号的功率S和噪声的功率N的关系式表示如下：
mp＝c11S+c12N
mss＝c21S+c22N
参数c11、c12、c21和c22通过对mp和mss求取数学期望值来得到，且参数c11、c12、c21和c22是发射机和接收机滤波器系数的函数；则通过S/N计算出信道的信噪比。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于FPGA的自适应跳频系统，其特征在于，所述自适应跳频系统包括发射机部分和接收机部分：
所述发射机部分包含有信源模块、信息编码模块、DBPSK调制模块、混频模块、DAC、发射机自适应跳频图案产生器模块、发射机控制模块、时钟源模块和伪码发生器模块；
信源模块用于产生数据信息，并将数据信息发送给信息编码模块；
信息编码模块用于对接收到的数据信息进行编码，并将编码后的数据信息发送给DBPSK调制模块；
DBPSK调制模块用于对接收到的编码后数据信息的跳频载波进行调制，并将经过调制后的数据信息传输给混频模块；
时钟源模块用于控制伪码发生器模块产生伪随机码，发射机自适应跳频图案产生器模块根据接收到的伪随机码产生不同频率的信息，并将产生的不同频率的信息发送给混频模块；
混频模块用于将调制后的数据信息和不同频率的信息合成特定频率的信号，并将合成的特定频率的信号发送给DAC；
DAC用于将接收到的信号转换成模拟信息，并将模拟信息发送到信道中；
发射机控制模块用于完成上位机与发射机的数据交互，通过上位机的配置实时控制发射机对系统指标参数进行调整；
所述接收机部分包含有ADC、实时信道质量评估模块、混频与滤波模块、接收机自适应跳频图案产生器模块、DBPSK解调模块、跳频同步模块和接收机控制模块；
ADC用于接收信道中的模拟信息，将模拟信息转换成数字信息；并将数字信息发送给实时信道质量评估模块和混频与滤波模块；
实时信道质量评估模块根据实时接收的数字信息估计信道的信噪比，并将估计结果经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块，同时改变接收机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案；
接收机自适应跳频图案产生器模块用于将跳频图案发送给混频与滤波模块，并将跳频图案经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块；
混频与滤波模块用于去除跳频载波和滤除正交下变频后的高频分量，并将混频与滤波结果输出给DBPSK解调模块和跳频同步模块；
DBPSK解调模块用于解调出信源模块发射的数据信息；
跳频同步模块用于同步和跟踪发射机部分的伪随机码的变化；
接收机控制模块用于完成上位机与接收机的数据交互，通过上位机的配置实时控制接收机对系统指标参数进行调整。
2.基于权利要求1所述的一种基于FPGA的自适应跳频系统的自适应跳频方法，其特征在于，该方法通过以下步骤实现：
信源模块产生数据信息，并将产生的数据信息发送给信息编码模块；信息编码模块对数据信息进行编码，并将编码后的数据信息发送给DBPSK调制模块；DBPSK调制模块对编码后数据信息的跳频载波进行调制，并将经过调制后的数据信息传输给混频模块；
时钟源控制伪码发生器产生伪随机码，并将产生的伪随机码发送给发射机自适应跳频图案产生器模块，发射机自适应跳频图案产生器模块根据伪随机码来产生不同频率的信息，并将产生的不同频率的信息发送给混频模块；混频模块将调制后的数据信息和不同频率的信息合成特定频率的信号，并将合成的特定频率的信号发送给DAC；DAC将信号转换成模拟信息，并将模拟信息发送到信道中；
ADC将信道中的模拟信息转换成数字信息；并将数字信息发送给实时信道质量评估模块和混频与滤波模块；实时信道质量评估模块对信道中的数字信息的信噪比进行实时估计，并将信噪比估计结果实时反馈给发射机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案，同时改变接收机自适应跳频图案产生器模块的跳频图案；
接收机自适应跳频图案产生器模块将跳频图案发送给混频与滤波模块后，混频与滤波模块去除跳频载波和滤除正交下变频后的高频分量，并在将混频与滤波结果输出给DBPSK解调模块和跳频同步模块的同时，将跳频图案经过反馈信道反馈到发射机自适应跳频图案产生器模块；跳频同步模块同步和跟踪发射机部分的伪随机码的变化，DBPSK解调模块将信源模块发射的数据信息解调出来；
上位机与发射机的数据交互和上位机与接收机的数据交互分别通过发射机控制模块和接收机控制模块来完成，通过上位机的配置实时控制发射机和接收机对系统指标参数进行调整。
3.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的自适应跳频方法，其特征在于，所述接收机的跳频同步模块采用的方法包括快速出局捕获方法。
4.根据权利要求2所述的一种基于FPGA的自适应跳频方法，其特征在于，所述接收机的跳频同步模块采用的方法还包括早迟门能量的方法。
5.根据权利要求3或4所述的一种基于FPGA的自适应跳频方法，其特征在于，所述实时信道质量评估模块对信道中的数字信息的信噪比进行实时估计是通过在上位机使用SSME算法实现的。
6.根据权利要求5所述的一种基于FPGA的自适应跳频方法，其特征在于，所述实时信道质量评估模块的工作过程如下：
实时信道质量评估模块在k时刻接收信号的值为yk，系统对接收信号中每个符号的采样点数为Nss，接收信号中涉及的符号个数为Nsym，n的取值范围是0到Nsym-1，则中间变量Yαn和Yβn分别表示为：
中间变量mp和mss值的计算方式为：
则信号的功率S和噪声的功率N的关系式表示如下：
mp＝c11S+c12N
mss＝c21S+c22N
参数c11、c12、c21和c22通过对mp和mss求取数学期望值来得到，则通过S/N计算出信道的信噪比。
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