CN110808822B

CN110808822B - 一种数字随机多频点跳频跳时信息传输方法及系统

Info

Publication number: CN110808822B
Application number: CN201910952749.9A
Authority: CN
Inventors: 赵武; 赵洪毅; 马晓龙; 关欣; 万超; 马雨宸; 曲浩然; 齐晓斐; 张志勇
Original assignee: Northwestern University
Current assignee: Northwestern University
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2039-10-09
Also published as: CN110808822A

Abstract

本发明提出一种数字随机多频点跳频跳时信号传输方法及系统，包括采样N位信号、搭建N点FFT模块、搭建跳频图样产生模块、搭建数据缓存模块、搭建子载波映射模块、搭建IFFT模块。针对跳频集维度较小等问题，采用基于OFDM的数字跳频通信技术，通过在子载波映射前缓存数据，然后再映射的方式，提高跳频集维度，达到增强跳频系统抗截获性能的目的。

Description

一种数字随机多频点跳频跳时信息传输方法及系统

技术领域

本发明属于跳频通信技术领域，涉及一种数字随机多频点跳频跳时信息传输方法。

背景技术

跳频通信技术是指收发双方传输信号的载波频率受伪随机码的控制，按照预定规律进行离散变化的通信方式。这种通信方式最初由Hedy Lamarr在第二次世界大战期间提出，并申请了专利，但是直到20世纪70年代才逐渐实用化，并在军事通信中被首先采用。在诸如GSM和蓝牙等无线通信系统中，为了消除个人用户信道的恶化所产生的影响或者减小信道之间的干扰的影响，皆采用了跳频技术。跳频系统抗截获性能取决于跳频带宽，跳频带宽越宽，跳频集维度越大，跳频系统抗截获性能越好。

传统跳频通信系统使用模拟射频电路完成跳频功能，其具有难以数字集成、跳速慢、跳频集维度较小、功耗较大的缺点。数字FH-OFDM技术通过随机分配子载波来实现跳频功能，由于OFDM系统具有较高的峰均比，使得数字FH-OFDM技术的功率利用率较低，并且数字FH-OFDM技术仍具有跳频集维度较小的缺点。

为了利用多载波通信的优点，同时又不引入高PAPR，近年来针对上行高速链路通信提出了一种SC-FDMA技术。在原理上，SC-FDMA可以看做DFT扩频的多载波CDMA方案，即在SC-FDMA中，时域数据符号在多载波调制之前通过DFT变换转换到频域。近年来，数字跳频通信技术快速发展，现有的数字跳频通信技术采用随机分配子载波方式完成跳频，其跳频集维度仍具有极大提升空间。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有较大跳频集维度的数字随机多频点跳频跳时方案。针对跳频集维度较小等问题，采用基于OFDM的数字跳频通信技术，通过在子载波映射前缓存数据，然后再映射的方式，提高跳频集维度，达到增强跳频系统抗截获性能的目的。

为此，本发明所采用的技术方案是：

一种数字随机多频点跳频跳时信息传输方法，该方法包括如下步骤：

步骤一、对待传输的信息采样，获得N位信号，每位信号作为一个数据对应一个子载波；

步骤二、对N位信号进行快速傅里叶变换；

步骤三、对经过快速傅里叶变换后的N位信号进行信号缓存后输出M×N位缓存数据；其中，缓存的信号长度为c×N位，缓存时间为c,c为随机整数，介于1-M之间，M为整数；

步骤四、将M×N位缓存数据中的c×N位缓存数据映射到M×N个子载波中的c×N个子载波上，M×N个子载波中未被映射的子载波设为零，c×N个子载波中的每个子载波具有多个频点；

步骤五、c×N个子载波对应c×N个数据,对c×N个数据所对应的信号进行快速傅里叶逆变换后进行传输。

具体的，步骤三中c为调用MATLAB函数unidrnd产生的从1到M的离散均匀随机整数，M取值为8。

更具体的，具体的，步骤三中，c的获取方法为：

3.1、初始化采样次数记为i＝0，并由unidrnd函数产生从1到M的离散均匀随机整数c；

3.2、令i＝i+1，判断i是否等于c，若i≠c，继续i＝i+1直至i＝c后，由unidrnd函数重新产生随机整数c，最后，输出随机整数c。

具体的，步骤四中，映射包括交织映射或集中映射。

更具体的，上述交织映射方法包括；首先将第一组N个数据从第一个子载波开始，每隔N-1个子载波映射一个数据；接着将下一组N个数据从第二个子载波开始,每隔N-1个子载波映射一个数据,依次类推，完成c×N个数据映射到M×N个子载波中的c×N个子载波上。

此外，本发明还提出一种数字随机多频点跳频跳时信息传输的系统，该系统包括采样模块、FFT模块、跳频图样产生模块、数据缓存模块、子载波映射模块以及IFFT模块；所述的采样模块用于对待传输的信息采样，获得N位信号；所述的FFT模块用于对采样模块得到的信号进行快速傅里叶变换；所述的跳频图样产生模块用于对FFT模块输出的信号进行跳频图样产生；所述的数据缓存模块用于输出缓存数据；所述的子载波映射模块用于将缓存数据映射到c×N个子载波上；所述的IFFT模块用于对子载波包含的数据行快速傅里叶逆变换后进行传输。

本发明的有益效果是：

目前还未出现类似本发明所提出的方案来提高跳频集的维度，与现有方法相比，本发明利用跳频图样控制数据缓存器的数据的长度和缓存时间，使得本发明所提出的方案兼具跳频和跳时的特点，采用基于OFDM的数字跳频通信技术，通过在子载波映射前缓存数据，然后再映射的方式，提高了跳频集维度，进一步增强了系统抗截获性能。

附图说明

图1是数字随机多频点跳频跳时方案流程图。

图2是数字随机多频点跳频跳时方案结构图。

图3是跳频图样产生原理图。

图4是数据缓存算法流程图。

图5是数据缓存示意图

图6是子载波映射原理图。

图7为发射端时频图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

以下对本发明的术语进行统一解释：

FH(Frequency Hopping，跳频)：跳频通信技术是指收发双方传输信号的载波频率受伪随机码的控制，按照预定规律进行离散变化的通信方式。

DFT(Discrete Fourier Transformation，离散傅里叶变换)：是傅里叶变换在时域和频域上都呈现离散的形式，将时域信号的采样变换为在离散时间傅里叶变换(DTFT)频域的采样。

OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)：将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

FH-OFDM(Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiplexing，跳频正交频分复用)：通过随机分配子载波来实现跳频功能。

PAPR(Peak to Average Power Ratio，峰均比)：峰均比是一种对波形的测量参数，等于波形的振幅除以有效值所得到的一个比值。

SC-FDMA(Single-carrier Frequency-Division Multiple Access，单载波频分多址)：是LTE的上行链路的主流多址技术，与OFDMA相比之下具有的较低的PAPR。

FFT(Fast Fourier Transform)：快速傅里叶变换。

IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)：快速傅里叶逆变换。

跳频集维度：短波调频通信又称跳变频率通信，调频带宽指的是调频网络频率表最高与最低频率之间所占的频带宽度，跳频集维度表征调频载波频点覆盖的范围。

实施例1：

本实施例1提供一种数字随机多频点跳频跳时方案，流程如图1所示，数字随机多频点跳频跳时方案结构图如图2所示，具体步骤如下：

步骤1:采样N位信号；

步骤2:搭建N点FFT模块。将采样信号进行N点快速傅里叶变换；

搭建跳频图样产生模块。跳频图样产生模块通过MATLAB函数unidrnd产生从1到M的离散均匀随机整数，跳频图样产生原理图如图3所示。首先初始化采样次数记为i＝0，并由unidrnd函数产生从1到M的离散均匀随机整数c；接着对采样次数计数i增加1，并判断i是否等于c，如果i不等于c，就继续对采样次数计数i增加1，如果i等于c,就重新产生随机整数c；最后，输出随机整数c。

步骤3:搭建数据缓存模块。数据缓存模块将经过N点快速傅里叶变换后的信号缓存，缓存数据的长度cN(cN<＝U，U＝TN且T>＝M)及时间由跳频图样产生模块产生的随机数c决定，其算法流程图如图4所示，数据缓存示意图如图5所示。首先对将要缓存的N位数据个数记为j；其次U位数据缓存器初始化为0；然后缓存N位数据，将第一个N位数据(j＝1)，缓存入U0～UN-1，将第二个N位数据(j＝2)，缓存入UN～U2N-1，以此类推；最后判断数据缓存的个数是否等于跳频图样模块产生的随机数c,若不等于c就继续缓存N位数据，若等于c就输出U位缓存数据。

步骤4：搭建子载波映射模块。在数据缓存之后，U位数据中的cN个数据被映射到U＝TN个子载波中的cN个子载波上，未被映射的子载波设为零。映射方法有两种，即交织映射和集中映射。本设计采用交织映射方式。如图6所示，首先将第一组(j＝1)N个数据从第一个(j＝1)子载波开始，每隔N-1个子载波映射一个数据；接着将下一组(j＝2)N个数据从第j子载波开始,每隔N-1个子载波映射一个数据,依次类推，完成cN个数据映射到U＝TN个子载波中的cN个子载波上。

步骤5：搭建IFFT快速傅里叶逆变换模块，对U点数据做IFFT变换后进行信号传输。

通过以上五步，便可利用本发明实现数字随机多频点跳频跳时，来提高跳频集维度，达到增强系统抗截获性能的目的。

由于前述随机整数c的随机性，最终会导致跳频跳时，同时，从N到最终的U＝TN点数据实现了多频点。

效果验证：

本发明的具体实施例采用基于AD公司的通信系统仿真验证平台AD-FMCOMMS3-EBZ作为射频前端，设置中心频率为2.4GHz。在simulink软件中完成基带数字随机多频点跳频跳时系统设计。通过频谱仪观察发射中心频率。发射端时频图如图7所示。在图7中横轴为时间，纵轴为频率，颜色栏代表发射信号的功率(颜色越浅表明发射功率越大)，通过图7可以观察到，信号在不同时间、不同子载波上发射，兼具跳频跳时的特征，提高了跳频集维度，进一步增强了系统抗截获性能。

Claims

1.一种数字随机多频点跳频跳时信息传输方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤二、对N位信号进行快速傅里叶变换；

2.如权利要求1所述的数字随机多频点跳频跳时信息传输方法，其特征在于，具体的，步骤三中c为调用MATLAB函数unidrnd产生的从1到M的离散均匀随机整数，M取值为8。

3.如权利要求1所述的数字随机多频点跳频跳时信息传输方法，其特征在于，具体的，步骤三中，c的获取方法为：

4.如权利要求1所述的数字随机多频点跳频跳时信息传输方法，其特征在于，步骤四中，映射包括交织映射或集中映射。

5.如权利要求4所述的数字随机多频点跳频跳时信息传输方法，其特征在于，上述交织映射方法包括；首先将第一组N位缓存数据从第一个子载波开始，每隔N-1个子载波映射一个；接着将下一组N位缓存数据从第二个子载波开始,每隔N-1个子载波映射一个,依次类推，完成c×N位缓存数据映射到M×N个子载波中的c×N个子载波上。

6.实现权利要求1所述的数字随机多频点跳频跳时信息传输方法的系统，其特征在于，该系统包括采样模块、FFT模块、跳频图样产生模块、数据缓存模块、子载波映射模块以及IFFT模块；

所述的采样模块用于对待传输的信息采样，获得N位信号；

所述的FFT模块用于对采样模块得到的信号进行快速傅里叶变换；

所述的跳频图样产生模块用于对FFT模块输出的信号进行跳频图样产生；

所述的数据缓存模块用于输出缓存数据；

所述的子载波映射模块用于将缓存数据映射到c×N个子载波上；所述的IFFT模块用于对子载波包含的数据行快速傅里叶逆变换后进行传输。