CN112737997A - 基于fh-ofdm的导航通信一体化信号波形构造方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于FH‑OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法及系统，包括：步骤S1：构造导通一体化OFDM多载波信号；步骤S2：构造子载波跳频OFDM信号；步骤S3：构造基于OFDM+CAZAC序列的测量信号；步骤S4：根据导通一体化OFDM多载波信号、子载波跳频OFDM信号、基于OFDM+CAZAC序列的测量信号，获取基于FH‑OFDM的导航通信一体化信号波形构造结果信息。本发明实现了电台高速导通一体化，同时使电台在恶劣信道环境下仍然具有很强的抗截获、抗破译和抗干扰能力。

Description

基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法及系统
技术领域
本发明涉及于FH-OFDM的导航通信技术领域，具体地，涉及一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法及系统。
背景技术
导航定位技术在现代战争中起到越来越重要的作用，卫星导航信号易受干扰等脆弱性问题逐渐显现，难以满足今后的高强度作战需求。以无线电台为用户设备形态的通信网络具备端对端通信能力，因此在信号收发过程中相对于地基无线电导航和卫星导航具有更近的信号链路，这使得实际应用中无线通信信号具有更高的接收功率，同时在通信网络中融合了跳频、加密等一系列抗干扰和抗欺骗措施，使其相对于其他导航方式具有突出的抗干扰优势。
针对军用无线电台高速导通一体化、高速数传、抗干扰抗截获需求，提出了基于FH-OFDM的电台波形构造。该波形构造可以根据窄带和宽带传输需求进行适应性调整，满足多波形构造需求；采用基于子载波跳频的构造，可以实现基于宽带跳频的强抗干扰抗截获；基于CAZAC序列构造的扩频测量信号具有优良相关特性，采用双向测量体制可以实现高精度授时与测距功能。
专利文献CN1658699A公开了一种在使用跳频-正交频分复用(FH-OFDM)的移动通信系统中的过区切换方法。移动主机根据当前服务基站的发送功率强度预测过区切换；保留与至少一个候选基站有关的过区切换所需的物理信道；从至少一个候选基站中选择过区切换目标基站；释放与服务基站连接的信道；通过保留的物理信道与目标基站进行数据通信。该专利文献在流程构造和技术性能上仍然有待提高的空间。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法及系统。
根据本发明提供的一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法，包括：
步骤S1：根据导通一体化OFDM多载波信号构造控制信息，构造导通一体化OFDM多载波信号；步骤S2：根据子载波跳频OFDM信号构造控制信息，构造子载波跳频OFDM信号；步骤S3：根据基于OFDM+CAZAC序列的测量信号构造控制信息，构造基于OFDM+CAZAC序列的测量信号；步骤S4：根据导通一体化OFDM多载波信号、子载波跳频OFDM信号、基于OFDM+CAZAC序列的测量信号，获取基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造结果信息。
优选地，所述步骤S1包括：步骤S1.1：OFDM将整个信号带宽划分为多个子信道，通过调整不同子信道传输信号的构造；可以满足测量与通信等不同业务功能，实现链路资源的动态调整。
当电台间进行通信时，所有子信道均为通信信道；
当电台需要与其他电台进行电台间测距或时间同步时，则划分一个子信道为测量信道，传输伪码调制测量信号实现电台间的测量。
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：针对军用电台工作抗干扰需求，采用子载波跳频OFDM的信号调制方式以实现抗干扰、抗截获以及多波形兼容构造需求。
在跳频与OFDM体制结合方式上，选取了子载波跳频OFDM构造；
优选地，所述步骤S2包括：
步骤S2.2：通过混沌序列生成系统跳频的调频图谱，然后在基带OFDM调制过程中完成子载波的映射过程。
相比于基于射频跳频的OFDM体制，具有易于数字化、实现简单、易增加跳频点数、频谱利用率高和隐蔽性强的特点。
基于OFDM信号多子载波构型灵活特点，可以满足窄带和宽带跳频信号波形构造需求。在波形生成时，根据信号带宽条件和需求，确定调频带宽区间和子载波信道带宽，通过给用户分配不同数量的子载波数量，并配合不同阶数的调制方式，可以适应不同的信号传输速率需求。具体的，针对宽带信号的子载波FH-OFDM技术，在跳频过程中，通过跳频图案的生成在宽频带对多个子载波的频点进行选择，完成宽带跳频发送过程；针对窄带信号的子载波FH-OFDM技术，同样根据相对较大的跳频频点范围生成待选择子载波，通过将窄带信号调制到固定频点的子载波上完成宽带跳频，进而达到抗干扰的目的。
对于不同电台的子载波分配上，采用子载波交织聚合策略，即不同电台信号由跳频带宽范围内的不连续子载波聚合组成，同时，这样可以进一步可以获得更好的频率分集效果，同时使电台导航通信具有更强的抗截获和抗干扰能力。
优选地，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：在测量信号构造上，利用OFDM所具有的时频特性，结合CAZAC序列完美的自相关和互相关特性，实现基于扩频测量信道的测距和钟差测量。
CAZAC序列全称为恒包络自相关序列，具有以下特性:
1、恒包络特性。任意CAZAC序列的幅值恒定，这一特性可以保证相应带宽内的每个频点经历相同的激励，便于实现相干检测中的无偏估计。
2、理想的周期性自相关特性。对于任意CAZAC原始序列与循环移动n位后所得的序列互补相关名字相关峰值尖锐。
3、良好的互相特性。即互相关和部分相关值接近于零，便于接收端准确地把所需信号检测出来，并减小检测差错。
4、低峰均比(PAPR/CM)。任意CAZAC序列组成的时域信号的峰值预期均值的比值较低，从而便于功率放大器实现。
5、傅里叶变换之后仍然是CAZAC序列。任意CAZAC序列通过傅里叶变换/反傅里叶变换(FFT/IFFT)后仍然为CAZAC序列，具有CAZAC序列的所有性质。
由于其优良的自相关特性，便于接收端从序列中提取准确的测量信息，以便精确地计算出距离信息；同时由于其良好的互相关特性，使其在军用无线电台中的多址能力出众，能够有效地提高系统容量；选取CAZAC序列作为发送数据，也可以使OFDM信号达到较小的峰均比，可以解决OFDM信号固有的峰均比高的问题。
本项目选取的CAZAC序列为Zadoff-Chu序列(ZC序列)，其数学表达式如下：
Figure BDA0002861632530000031
其中，N为序列长度，k＝0,1，…，N-1，j2＝-1，r为与N互质的任意正整数。N＝839的CAZAC序列的自相关曲线如下，从图中可以看到其良好的自相关性能。
根据本发明提供的一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造系统，包括：
模块M1：根据导通一体化OFDM多载波信号构造控制信息，构造导通一体化OFDM多载波信号；模块M2：根据子载波跳频OFDM信号构造控制信息，构造子载波跳频OFDM信号；模块M3：根据基于OFDM+CAZAC序列的测量信号构造控制信息，构造基于OFDM+CAZAC序列的测量信号；模块M4：根据导通一体化OFDM多载波信号、子载波跳频OFDM信号、基于OFDM+CAZAC序列的测量信号，获取基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造结果信息。
优选地，所述模块M1包括：模块M1.1：OFDM将整个信号带宽划分为多个子信道，通过调整不同子信道传输信号的构造；可以满足测量与通信等不同业务功能，实现链路资源的动态调整。
当电台间进行通信时，所有子信道均为通信信道；
当电台需要与其他电台进行电台间测距或时间同步时，则划分一个子信道为测量信道，传输伪码调制测量信号实现电台间的测量。
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.1：针对军用电台工作抗干扰需求，采用子载波跳频OFDM的信号调制方式以实现抗干扰、抗截获以及多波形兼容构造需求。
在跳频与OFDM体制结合方式上，选取了子载波跳频OFDM构造；
优选地，所述模块M2包括：
模块M2.2：通过混沌序列生成系统跳频的调频图谱，然后在基带OFDM调制过程中完成子载波的映射过程。
相比于基于射频跳频的OFDM体制，具有易于数字化、实现简单、易增加跳频点数、频谱利用率高和隐蔽性强的特点。
基于OFDM信号多子载波构型灵活特点，可以满足窄带和宽带跳频信号波形构造需求。在波形生成时，根据信号带宽条件和需求，确定调频带宽区间和子载波信道带宽，通过给用户分配不同数量的子载波数量，并配合不同阶数的调制方式，可以适应不同的信号传输速率需求。具体的，针对宽带信号的子载波FH-OFDM技术，在跳频过程中，通过跳频图案的生成在宽频带对多个子载波的频点进行选择，完成宽带跳频发送过程；针对窄带信号的子载波FH-OFDM技术，同样根据相对较大的跳频频点范围生成待选择子载波，通过将窄带信号调制到固定频点的子载波上完成宽带跳频，进而达到抗干扰的目的。
对于不同电台的子载波分配上，采用子载波交织聚合策略，即不同电台信号由跳频带宽范围内的不连续子载波聚合组成，同时，这样可以进一步可以获得更好的频率分集效果，同时使电台导航通信具有更强的抗截获和抗干扰能力。
优选地，所述模块M3包括：
模块M3.1：在测量信号构造上，利用OFDM所具有的时频特性，结合CAZAC序列完美的自相关和互相关特性，实现基于扩频测量信道的测距和钟差测量。
CAZAC序列全称为恒包络自相关序列，具有以下特性:
1、恒包络特性。任意CAZAC序列的幅值恒定，这一特性可以保证相应带宽内的每个频点经历相同的激励，便于实现相干检测中的无偏估计。
2、理想的周期性自相关特性。对于任意CAZAC原始序列与循环移动n位后所得的序列互补相关名字相关峰值尖锐。
3、良好的互相特性。即互相关和部分相关值接近于零，便于接收端准确地把所需信号检测出来，并减小检测差错。
4、低峰均比(PAPR/CM)。任意CAZAC序列组成的时域信号的峰值预期均值的比值较低，从而便于功率放大器实现。
5、傅里叶变换之后仍然是CAZAC序列。任意CAZAC序列通过傅里叶变换/反傅里叶变换(FFT/IFFT)后仍然为CAZAC序列，具有CAZAC序列的所有性质。
由于其优良的自相关特性，便于接收端从序列中提取准确的测量信息，以便精确地计算出距离信息；同时由于其良好的互相关特性，使其在军用无线电台中的多址能力出众，能够有效地提高系统容量；选取CAZAC序列作为发送数据，也可以使OFDM信号达到较小的峰均比，可以解决OFDM信号固有的峰均比高的问题。
本项目选取的CAZAC序列为Zadoff-Chu序列(ZC序列)，其数学表达式如下：
Figure BDA0002861632530000051
其中，N为序列长度，k＝0,1，…，N-1，j2＝-1，r为与N互质的任意正整数。N＝839的CAZAC序列的自相关曲线如下，从图中可以看到其良好的自相关性能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明能够高效可靠地实现通信与导航功能；
2、本发明能够在恶劣信道环境下，仍然具有很强的抗截获、抗破译和抗干扰能力；
3、本发明流程构造合理，使用方便，能够克服现有技术的缺陷；
4、本发明能够使电台在恶劣信道环境下仍然具有很强的抗截获、抗破译和抗干扰能力。
5、本发明能够保证在可靠通信时，具备高效可靠的导航功能。
6、本发明构造中充分结合了FH(Frequency-Hopping，跳频)通信系统优越的抗干扰性能、OFDM(Orthogonal Frequency Division Mult iplexing，正交频分复用)技术杰出的抗多径衰落能力和高传输速率的特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例中军用无线电台通信导航一体化波形构造方案原理示意图。
图2为本发明实施例中导航子信道与通信子信道频谱分配方案原理示意图。
图3为本发明实施例中子载波跳频聚合信号原理示意图。
图4为本发明实施例中CAZAC序列自相关性示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
军用电台的波形构造结合FH(Frequency-Hopping，跳频)通信系统优越的抗干扰性能、OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)技术杰出的抗多径衰落能力和高传输速率的特点、CAZAC(Const Amplitude Zero Auto-Corelation)序列良好的自相关和互相关特性以及直接扩频调制在抗干扰和提高系统增益方面的突出特点，通过将多种关键技术融合形成基于FH-OFDM技术的军用电台自适应导航通信一体化波形构造，使新一代军用电台在恶劣信道环境下仍然具有很强的抗截获、抗破译和抗干扰能力，高效可靠地实现通信与导航功能。
如图1-4所示，一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形包括三个部分，分别是OFDM多载波信号、子载波跳频信号以及测量信号，构造步骤如下：
步骤1：构造导通一体化OFDM多载波信号
OFDM将整个信号带宽划分为多个子信道，通过调整不同子信道传输信号的构造，可以满足测量与通信等不同业务功能，实现链路资源的动态调整。当电台间进行通信时，所有子信道均为通信信道；当电台需要与其他电台进行电台间测距或时间同步时，则划分一个子信道为测量信道，传输伪码调制测量信号实现电台间的测量。
步骤2：构造子载波跳频OFDM信号。
针对军用电台工作抗干扰需求，采用子载波跳频OFDM的信号调制方式以实现抗干扰、抗截获以及多波形兼容构造需求。
在跳频与OFDM体制结合方式上，选取了子载波跳频OFDM构造。通过混沌序列生成系统跳频的调频图谱，然后在基带OFDM调制过程中完成子载波的映射过程。相比于基于射频跳频的OFDM体制，具有易于数字化、实现简单、易增加跳频点数、频谱利用率高和隐蔽性强的特点。
基于OFDM信号多子载波构型灵活特点，可以满足窄带和宽带跳频信号波形构造需求。在波形生成时，根据信号带宽条件和需求，确定调频带宽区间和子载波信道带宽，通过给用户分配不同数量的子载波数量，并配合不同阶数的调制方式，可以适应不同的信号传输速率需求。具体的，针对宽带信号的子载波FH-OFDM技术，在跳频过程中，通过跳频图案的生成在宽频带对多个子载波的频点进行选择，完成宽带跳频发送过程；针对窄带信号的子载波FH-OFDM技术，同样根据相对较大的跳频频点范围生成待选择子载波，通过将窄带信号调制到固定频点的子载波上完成宽带跳频，进而达到抗干扰的目的。
对于不同电台的子载波分配上，采用子载波交织聚合策略，即不同电台信号由跳频带宽范围内的不连续子载波聚合组成，同时，这样可以进一步可以获得更好的频率分集效果，同时使电台导航通信具有更强的抗截获和抗干扰能力。
步骤三：构造基于OFDM+CAZAC序列的测量信号
在测量信号构造上，拟利用OFDM所具有的时频特性，结合CAZAC序列完美的自相关和互相关特性，实现基于扩频测量信道的测距和钟差测量。
CAZAC序列全称为恒包络自相关序列，具有以下特性:
恒包络特性。任意CAZAC序列的幅值恒定，这一特性可以保证相应带宽内的每个频点经历相同的激励，便于实现相干检测中的无偏估计。
理想的周期性自相关特性。对于任意CAZAC原始序列与循环移动n位后所得的序列互补相关名字相关峰值尖锐。
良好的互相特性。即互相关和部分相关值接近于零，便于接收端准确地把所需信号检测出来，并减小检测差错。
低峰均比(PAPR/CM)。任意CAZAC序列组成的时域信号的峰值预期均值的比值较低，从而便于功率放大器实现。
傅里叶变换之后仍然是CAZAC序列。任意CAZAC序列通过傅里叶变换/反傅里叶变换(FFT/IFFT)后仍然为CAZAC序列，具有CAZAC序列的所有性质。
由于其优良的自相关特性，便于接收端从序列中提取准确的测量信息，以便精确地计算出距离信息；同时由于其良好的互相关特性，使其在军用无线电台中的多址能力出众，能够有效地提高系统容量；选取CAZAC序列作为发送数据，也可以使OFDM信号达到较小的峰均比，可以解决OFDM信号固有的峰均比高的问题。
本项目选取的CAZAC序列为Zadoff-Chu序列(ZC序列)，其数学表达式如下：
Figure BDA0002861632530000081
其中，N为序列长度，k＝0,1，…，N-1，j2＝-1，r为与N互质的任意正整数。N＝839的CAZAC序列的自相关曲线如下，从图中可以看到其良好的自相关性能。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法，其特征在于，包括：
步骤S1：根据导通一体化OFDM多载波信号构造控制信息，构造导通一体化OFDM多载波信号；
步骤S2：根据子载波跳频OFDM信号构造控制信息，构造子载波跳频OFDM信号；
步骤S3：根据基于OFDM+CAZAC序列的测量信号构造控制信息，构造基于OFDM+CAZAC序列的测量信号；
步骤S4：根据导通一体化OFDM多载波信号、子载波跳频OFDM信号、基于OFDM+CAZAC序列的测量信号，获取基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造结果信息。
2.根据权利要求1所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1.1：OFDM将整个信号带宽划分为多个子信道，通过调整不同子信道传输信号的构造。
3.根据权利要求1所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.1：在跳频与OFDM体制结合方式上，选取了子载波跳频OFDM构造。
4.根据权利要求3所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
步骤S2.2：通过混沌序列生成系统跳频的调频图谱，然后在基带OFDM调制过程中完成子载波的映射过程。
5.根据权利要求1所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造方法，其特征在于，所述步骤S3包括：
步骤S3.1：在测量信号构造上，利用OFDM所具有的时频特性，结合CAZAC序列完美的自相关和互相关特性，实现基于扩频测量信道的测距和钟差测量。
6.一种基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造系统，其特征在于，包括：
模块M1：根据导通一体化OFDM多载波信号构造控制信息，构造导通一体化OFDM多载波信号；
模块M2：根据子载波跳频OFDM信号构造控制信息，构造子载波跳频OFDM信号；
模块M3：根据基于OFDM+CAZAC序列的测量信号构造控制信息，构造基于OFDM+CAZAC序列的测量信号；
模块M4：根据导通一体化OFDM多载波信号、子载波跳频OFDM信号、基于OFDM+CAZAC序列的测量信号，获取基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造结果信息。
7.根据权利要求6所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造系统，其特征在于，所述模块M1包括：
模块M1.1：OFDM将整个信号带宽划分为多个子信道，通过调整不同子信道传输信号的构造。
8.根据权利要求6所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.1：在跳频与OFDM体制结合方式上，选取了子载波跳频OFDM构造。
9.根据权利要求8所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造系统，其特征在于，所述模块M2包括：
模块M2.2：通过混沌序列生成系统跳频的调频图谱，然后在基带OFDM调制过程中完成子载波的映射过程。
10.根据权利要求6所述的基于FH-OFDM的导航通信一体化信号波形构造系统，其特征在于，所述模块M3包括：
模块M3.1：在测量信号构造上，利用OFDM所具有的时频特性，结合CAZAC序列完美的自相关和互相关特性，实现基于扩频测量信道的测距和钟差测量。
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