CN109818648A - 一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法,在线性调频信号中,把调频斜率用一个可控的伪随机数代替;在此基础上,将其与多序列跳频技术进行结合;每一跳的载波频率与一个伪随机线性调频信号混频,并且保证伪随机线性调频信号的扩展带宽小于信道带宽,产生了一种通信抗干扰波形。本发明立足于多序列跳频,以进一步提升多序列跳频通信抗干扰能力为研究起点,提出了基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法,它可以作为一种应急通信手段应用于实践中。

Description

一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法
技术领域
本发明涉及一种抗干扰通信方法,适用于无线通信抗干扰领域,具体涉及一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法。
背景技术
为了提高系统抗干扰能力,各类无线通信系统中广泛采用了扩频通信技术,常用的扩频通信技术主要包括跳频扩频、直接扩频以及直扩/跳频结合的技术等等。
直接扩频技术有较强抗窄带干扰能力和低截获概率的特点。但是一旦干扰方侦察到通信方工作频率范围,实施宽带干扰,直接扩频的通信质量会会大幅度下降。另外直接扩频体制也存在远近效应影响通信质量的问题。
跳频技术有力解决了频谱资源有限所带来的限制,具有较好的阻塞式干扰能力。但是,随着通信对抗技术的发展和进步,干扰方对于跳频图案的截获概率大大增强,而跳频速率受到硬件限制又无法无限制的提高,因此跳频通信受跟踪干扰的威胁日益严重。另一方面,现有的跳频技术带宽一般只有几百kHz,抗跟踪干扰能力有待提高。
差分跳频对于跟踪干扰有较强的抗干扰性能,但是由于其信息传递模式的影响,存在误码扩散的问题,而且,差分跳频接收机通常采用宽带接收模式,易受带内窄带邻信道干扰,特别是在对偶信道被干扰条件下,会导致误码率显著上升。
直扩/跳频混合扩谱体制可以使得直扩、跳频两种技术优势互补。具有了比纯跳频更强的抗截获能力以及相对于纯直扩更强的组网能力。但是,在频谱资源有限的情况下,直扩/跳频混合扩谱体制难以获得较高的处理增益。
除了以上所描述的几种典型抗干扰技术手段,还有一种新的跳频技术,即多序列跳频技术。已经有文献对其在不同信道条件、多种干扰样式下的抗干扰性能做了定量分析。根据分析该方法具有较好的抗干扰效果,但是它存在一个致命的弱点就是当对偶频率被干扰的情况下,其抗干扰性能急剧下降。但是多序列跳频恰到好处的将跳频技术、差分跳频的优点集于一身,抗跟踪干扰效果明显,不存在误码扩散,所以寻求一种改进型的多序列跳频技术手段很有必要。
发明内容
基于多序列跳频通信技术,以进一步提高多序列跳频通信抗干扰能力为目标,本发明提出了一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法。
本发明将伪随机线性调频技术与多序列跳频技术相结合,提出一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法。
本发明采用如下技术方案:
一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法,在线性调频信号中,把调频斜率用一个可控的伪随机数代替;对于要发送的二进制比特信息数据先进行极性变换,然后每个比特位持续期间,调制进去斜率变化量大于等于1的伪随机线性调频信号;在此基础上,将其与多序列跳频技术进行结合;每一跳的载波频率与一个伪随机线性调频信号混频,并且保证伪随机线性调频信号的扩展带宽小于信道带宽,产生了通信抗干扰波形。
所述通信方法,包括如下基本步骤:
(1)将用户信息变换产生多序列跳频信号;
(2)将用户信息进行码型变换,产生伪随机线性调频信号;
(3)将步骤(2)得到的伪随机线性调频信号以及步骤(1)得到的多序列跳频信号混频后,经射频发送;
(4)解调多序列跳频信号;
(5)解调伪随机线性调频信号;
(6)将经步骤(5)后得到的解调信号进行积分判决,还原用户信息。
不失一般性,以序列数为2的双序列跳频为例,基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法步骤如下:
1、发射部分
(1)利用两个相互正交的跳频序列FS0和跳频序列FS1分别代表信道0和信道1,这两个信道分别用来表示用户数据码元0和1。在任意时刻,如果用户数据码元为0,则选择信道0,也就是选择跳频序列FS0的当前频率进行发送,如果用户数据码元为1,则选择信道1,也就是选择跳频序列FS1的当前频率进行发送。这样就将待发送的用户数据码元0和1转化为两个跳频序列的交替发送,得到双序列跳频信号。
(2)对于待发送的用户数据码元0和1进行极性变换,然后将极性变换后的每比特用户数据与斜率变化量大于等于1的伪随机线性调频信号相乘,得到转换后的伪随机线性调频信号。
(3)将上述步骤得到的转换后的伪随机线性调频信号和双序列跳频信号进行混频,通过一个带通滤波器,取和频信号。至此,得到了一种新的波形,将该波形经过射频模块发送出去。
、接收部分
(1)接收机采用双通道接收,两路通道分别代表信道0和信道1,各自合成与发端跳频图案算法相一致的跳频序列FS0和跳频序列FS1。接收过程中,采用常规跳频自同步法实现同步捕获和同步跟踪,首先将接收到的信号与本地合成的两路跳频信号分别混频,混频后积分,与门限值进行比较,此处门限值一般选择高于环境底噪Dr dB(Dr典型值为3)。如果在检测时间内的积分值大于门限值,则激活解伪随机线性调频部分,也即成功解跳,此时输出解跳信号。否则不进行解伪随机线性调频,输出为0,搜索控制器将控制跳频序列发生器的时钟脉冲抑制掉一个,对下一跳信号进行重复判断,直到大于门限值。
(2)当激活解伪随机线性调频部分后,同样将本地产生伪随机线性调频信号与解跳信号混频,混频后积分,与门限值进行比较,如果在检测时间内的积分值大于门限值,则表示成功解调,输出解调信号进行判决,反之,输出0。
(3)将两路接收通道的输出值,在每段检测时间内进行累加,然后判决,如果信道1的累加值大于信道0就判决发送信码1,反之,判决发送的是信码0。
本发明的有益效果在于:
(1)有效的改进了多序列跳频技术,并且获得了较好的抗窄带干扰效果
该设计方法继承了多序列跳频技术对抗跟踪干扰效果明显的特点,将其与伪随机线性调频技术结合后,其特征在于,接收端的解伪随机线性调频技术,可以将窄带干扰的频谱展宽,获得较高的输出端信干比,因而可以更好的对抗窄带干扰。
(2)双保险机制,其特征在于对偶频率被干扰仍可通信
当干扰到当前的发射频率时,由于我们采用非相干检测器,反而会增大检测概率。当干扰到对偶频率时,由于信息具有伪随机线性调频的特征,产生误码的概率也很低。
(3)高检出概率
虽然干扰技术中有一种是扫频干扰,但是我们采用的是伪随机调频,在同步的情况下,干扰信号与接收端的伪随机线性调频匹配的概率是很低的,从而提高了检测概率。
(4)不存在误码扩散
相较于差分跳频,多序列跳频与其抗跟踪干扰的原理基本一样,但是由于差分跳频的下一跳频率与当前的信息有关系,所以当出现误码时容易导致误码扩散。而本发明采用跳频序列表示信息,不仅具有跳频序列资源丰富的优势,而且还能够避免误码扩散。
(5)实现同步接收,其特征在于抗宽带阻塞干扰性能好
本发明设计抗干扰通信方法可以实现同步、窄带接收,能够在接收端滤掉带外干扰信号,因而具有较好的抗宽带阻塞干扰性能。
附图说明
图1是基于伪随机线性调频的双序列跳频设计流程图;
图2是基于伪随机线性调频的双序列跳频发射部分框图;
图3是伪随机线性调频信号产生原理图;
图4是双序列跳频信号产生原理图;
图5是基于伪随机线性调频的双序列跳频接收部分原理图;
图6是解伪随机线性调频原理图。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的技术方案做详细描述。
本发明适于多序列跳频,但为了便于分析说明,不失一般性,以多序列跳频的特殊形式,即双序列跳频为例进行阐述,后续介绍均以双序列跳频为例(如图1所示)。本领域技术人员可在下述说明内容的基础上,应用其他形式的多序列跳频对其进行替换也是可以实现的。
一、发射部分(如图2所示)
步骤1:产生双序列跳频信号(如图3所示)
双序列跳频技术采用“信道即消息”的概念,跳频频率不携带信息,而是利用两个相互正交的跳频序列FS0和FS1代表信道0和信道1,这两个信道分别用来表示用户数据码元0和1。即发送数据码元0时,就选择信道0,即选择跳频序列FS0的当前跳频率来进行发送。发送数据码元1时,就选择信道1,即选择跳频序列FS1的当前跳频率来进行发送。这样用户数据码元0和1在分选信道0和1时,就相当于在选择两个不同的跳频序列FS0和FS1。巧妙的把信息转换为由两个跳频序列表示。在每一位信息发送的时候,总会选择或者信道0或者信道1的当前跳频率进行发送。
步骤2:产生伪随机线性调频信号(如图4所示)
(1)伪随机线性调频信号原理
典型的随机线性调频(Linear Frequency Modulation,LFM)信号可以表示为:
其中,rect(t/τ)表示宽度为τ的矩形脉冲。其瞬时频率可以表示为:
其中,μ为调频斜率,其值可正可负。本发明用伪随机序列产生的一系列伪随机数作为LFM信号的斜率,这样就使得合成的LFM信号的频率变化速率在伪随机的变化,故称之为伪随机线性调频信号。
(2)伪随机线性调频信号应用方法
由于调频斜率是一个可控的伪随机数,那么就意味着一个调频斜率的持续时间完全可控。所以对于待发送的用户数据码元先进行极性变换,然后将极性变换后的每比特用户数据与斜率变化量(调频斜率的个数,也就是伪随机数的个数)大于等于1的伪随机线性调频信号相乘。这样,就实现了由用户数据向伪随机线性调频信号的转换。而且由于伪随机斜率的转换速率与信息速率之间有制约关系,加上伪随机数(伪随机斜率)是有限的,所以这里产生的伪随机线性调频信号是带限的,这也为后面与双序列跳频信号结合提供了条件。发明中,将其带宽限制在信道带宽之内。
步骤3:伪随机线性调频信号与双序列跳频信号的结合方式
在一次跳频通信过程中,一个时刻只会出现一个窄带频谱,这个瞬时的窄带频谱比原信码频谱稍大一点,除去保护间隔带宽,还有一定的空闲带宽。为了充分利用频谱,可以将基带信息的频谱进行扩大,采用线性调频的方法能够在较短时间有效扩展基带频谱,又出于进一步降低被破译概率的考量,并且希望在对偶频率被干扰下的仍然能够获得较好的通信效果,选择了伪随机线性调频。
结合步骤1和步骤2的描述,可以知道,每一比特用户数据码元,都会对应一段伪随机线性调频信号以及一段跳频载波信号(可以是信道0或者信道1对应的当前跳载波信号),并且把每一比特用户数据码元对应的伪随机线性调频信号的带宽限制在信道带宽之内,然后将二者进行混频,相当于在原有的双序列跳频信号上加入了一个特征信号,这个特征信号就是伪随机线性调频信号。这样就将伪随机线性调频信号与双序列跳频技术结合了起来,经过带通滤波器,取出和频信号,至此,产生了一种全新的通信抗干扰设计方法。最后把这个信号经过射频发射出去。
二、接收部分
如图5所示,接收部分最主要的就是在同步的基础上进行解跳、解调,接收过程中,采用常规跳频自同步法实现同步捕获和同步跟踪。在发明中,接收部分采用两路判决,分别对跳频序列FS0和跳频序列FS1进行同步,然后进行解伪随机线性调频,最后积分、两路信号比较,恢复发端的信息。
步骤1:解双序列跳频信号
在进行解跳时,要有两路接收通道,分别合成跳频序列FS0和跳频序列FS1,并且与发端的跳频图案算法相一致。由于这两路跳频序列相互正交,所以频率合成器合成的载波频率也是相互正交的,所以检波时接收的载波频率与非本跳频序列合成的频率相乘后结果几乎为零,从而实现解跳。
具体原理是:首先将接收到的信号与本地合成的两路跳频信号分别混频,混频后积分,与门限值进行比较,此处门限值一般选择高于环境底噪3dB。如果在检测时间内的积分值大于门限值,则激活解伪随机线性调频部分,也即成功解跳,此时输出解跳信号 。否则不进行解伪随机线性调频,输出为0,搜索控制器将控制跳频序列发生器的时钟脉冲抑制掉一个,对下一跳信号进行重复判断,直到大于门限值。
步骤2:解伪随机线性调频信号(图6)
当激活解伪随机线性调频部分后,同样将本地产生伪随机线性调频信号与解跳信号混频,混频后积分,与门限值进行比较,如果在检测时间内的积分值大于门限值,则表示成功解调,输出解调信号进行判决,反之,输出0。
步骤3:积分判决
将两路接收通道的输出值,在每段检测时间内进行累加,然后判决,如果信道1的累加值大于信道0就判决发送信码1,反之,判决发送的是信码0。
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 (9)

1.一种基于伪随机线性调频的多序列跳频抗干扰通信方法,其特征在于,在线性调频信号中,把调频斜率用一个可控的伪随机数代替;在此基础上,将其与多序列跳频技术进行结合;每一跳的载波频率与一个伪随机线性调频信号混频,并且保证伪随机线性调频信号的扩展带宽小于信道带宽,产生了通信抗干扰波形。
2.根据权利要求1所述的通信方法,其特征在于,其包括如下步骤:
(1)将用户信息变换产生多序列跳频信号;
(2)将用户信息进行码型变换,产生伪随机线性调频信号;
(3)将步骤(2)得到的伪随机线性调频信号以及步骤(1)得到的多序列跳频信号混频后,经射频发送;
(4)解多序列跳频信号;
(5)解伪随机线性调频信号;
(6)将经步骤(5)后得到的解调信号进行积分判决,还原用户信息。
3.根据权利要求2所述的通信方法,其特征在于,所述多序列为双序列。
4.根据权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述步骤(1)为:利用两个相互正交的跳频序列FS0和跳频序列FS1分别代表信道0和信道1,这两个信道分别用来表示用户数据码元0和1;在任意时刻,如果用户数据码元为0,则选择信道0,也就是选择跳频序列FS0的当前频率进行发送,如果用户数据码元为1,则选择信道1,也就是选择跳频序列FS1的当前频率进行发送;这样就将待发送的用户数据码元0和1转化为两个跳频序列的交替发送,得到双序列跳频信号。
5.根据权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述步骤(2)为:对于待发送的用户数据码元0和1进行极性变换,然后将极性变换后的每比特用户数据与斜率变化量大于等于1的伪随机线性调频信号相乘,得到转换后的伪随机线性调频信号。
6.根据权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述步骤(3)为:将转换后的伪随机线性调频信号和双序列跳频信号进行混频,通过一个带通滤波器,取和频信号,得到了一种新的波形,将该波形经过射频模块发送出去。
7.根据权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述步骤(4)为:接收机采用双通道接收,两路通道分别代表信道0和信道1,各自合成与发端跳频图案算法相一致的跳频序列FS0和跳频序列FS1;接收过程中,采用跳频自同步法实现同步捕获和同步跟踪。
8.根据权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述步骤(5)为:当激活解伪随机线性调频部分后,同样将本地产生伪随机线性调频信号与解跳信号混频,混频后积分,与门限值进行比较,如果在检测时间内的积分值大于门限值,则表示成功解调,输出解调信号进行判决,反之,输出0。
9.根据权利要求3所述的通信方法,其特征在于,所述步骤(6)为将两路接收通道的输出值,在每段检测时间内进行累加,然后判决,如果信道1的累加值大于信道0就判决发送信码1,反之,判决发送的是信码0。
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