CN114726400B - 一种盲跳频图案fhss信号去跳频方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，以跳频信号频率集、跳频周期和跳频周期发送的采样数为已知条件，搜索由信道去跳频滤波后幅度数据峰值下标和跳频频率二元组节点组成的跳频表，自动搜索频率切换点，在去跳频过程中基于低通滤波后正交解调幅度峰峰值自动修正频率切换点漂移。

Description

一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法

技术领域

本发明属于无线电通信领域，特别涉及一种盲跳频图案FHSS信号去跳频技术。

背景技术

FHSS(跳频扩频)通信系统的接收端涉及两个主要过程：去跳频和解调。去调频的作用是将各个跳频信道时间片中出现的信号片段从信道频率搬移到0中频，组装成完整的0中频基带信号；跳频信号通过去调频转换为0中频基带信号后，从原理上来说，解调方法与非扩频通信系统没有本质差异。

目前，FHSS接收机主要由跳频图案发生器、NCO(数控振荡器)、混频器以及基带解调器等基本模块组成，跳频图案发生器跟踪发送端跳频图案，控制NCO改变本振频率，通过混频器实现去跳频，提交给后续基带解调模块。其中接收机中跳频图案发生器与发送端必须是一致的，也即，发送端跳频图案必须是已知的。

对于盲跳频图案FHSS信号来说，跳频图案和频率切换时间是未知的，要获得这些信息，需要长时间大量数据样本支撑，其工程实现难度较大。相对而言，检测盲跳频图案FHSS信号使用的频率集、频率切换周期和每个频率切换周期内信号持续时间等参数所需要的数据样本相对较少，易于工程实现，但现有的去调频方法依靠这几个参数尚无法实现去跳频。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，以信道频率集、频率切换周期和每个频率切换周期内信号持续时间为已知条件，实时检测到达跳频数据块的跳频表，自动检测并动态修正频率切换时间，根据跳频表和频率切换时间将跳频信号去跳频为0中频基带信号。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，包括：

S1、跳频表检测：根据已知跳频信号信道数N和频率集f₀～f_N-1，使用频率-1×f₀～-1×f_N-1对跳频数据块执行N次中频搬移、低通滤波、复数转幅、抽取以及平滑运算得到N信道幅度阵列，对N信道幅度阵列执行峰值检测获得由采样点下标q和信道频率f二元组节点(q，f)组成的跳频表阵列H_tab；

S2、跳频数据块下变频：针对跳频表H_tab中下标为k的节点，二元组中频率为f_k，设置频率切换点为P′_k＝P′_syn+k×P_H，对跳频数据块中下标P′_k起始的P_S个采样点执行频偏为-1×f_k的中频搬移运算，缓存到输出下变频采样块中起始下标为k×P_S的存储区，其中，P′_syn是执行下变频时使用的起始频率切换点，P_H是频率切换周期对应的采样点数为已知参数，P_S是每个频率切换周期内发送的信号采样点数为已知参数；

S3、起始频率切换点搜索：设置起始频率切换点P″_syn∈(q₀-1,q₀-2,…,q₀-d)，置S2中的P′_syn＝P″_syn，使用S2所述方法对跳频数据块执行d次下变频，计算d个下变频采样块中每个频率切换点前后两侧±τ采样点区间内I和Q分量微分绝对值和E_sum，E_sum最小时的频率切换点P″_syn即为跳频数据块的起始频率切换点P_syn，其中，q₀为跳频表首节点二元组中数据下标，d<P_H为常数，τ<P_H/2为常数；

S4、精密起始频率切换点搜索：置频率切换点P″′_syn∈(P_syn，P_syn±1，...，P_syn±K)，K<P_H/2为常数，置S2中的P′_syn＝P″′_sync，使用S2所述方法对跳频数据块执行2K+1次下变频，对每个下变频数据块执行低通滤波和正交解调运算，根据正交解调幅度峰峰值Q_pp和P″′_syn关系获得精密起始频率切换点P_sync以及P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr；

S5、跳频数据块去跳频：检测每个跳频数据块的跳频表H_tab，对第一个数据块搜索起始频率切换点P_syn、精密起始频率切换点P_sync和P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr，对每个跳频数据块执行下变频并检查下变频数据块的正交解调幅度峰峰值Q_pp是否超出阈值Q_ppthr，未超出则输出下变频数据块为去跳频数据块，超出则重新搜索P_sync和Q_ppthr并重新执行下变频。

进一步地，S1所述对N信道幅度阵列执行峰值检测获得由采样点下标q和信道频率f二元组节点(q，f)组成的跳频表阵列H_tab具体步骤如下：

S11、检测N信道幅度阵列A₀～A_N-1的最大值得到MaxA₀～MaxA_N-1；

S12、针对信道幅度阵列A_k，当A_k[q]>λ×MaxA_k且A_k[q]>A_k[q-1]且A_k[q]>A_k[q+1]为真时得到一个信道峰值A_peak＝A_k[q]和幅度数据下标q，在q-δ到q+δ区间所有信道幅度阵列不存在大于等于A_peak的幅度点时，存储二元组(q×dX,f_k)到跳频表H_tab并置q＝q+P_H/(2×dX)继续搜索峰值点，其中k∈(0,1,…，N-1)，λ<1.0为常数，δ<P_H/(2×dX)，P_H是频率切换周期对应的采样点数为已知参数，dX为幅度阵列抽取倍数，f_k为计算幅度阵列A_k时使用的跳频频率；

S13、按照数据下标升序准则对跳频表H_tab执行排序。

进一步地，S3所述计算d个下变频采样块中每个频率切换点前后两侧±τ采样点区间内I和Q分量微分绝对值和E_sum具体步骤如下：

S31、E_sum的计算公式为

其中z_k＝P″_syn+k×P_S是下变频数据块中第k个频率切换点数据下标，S_I是跳频信号I分量，S_Q是跳频信号Q分量，M是跳频表节点数。

进一步地，S4所述根据正交解调幅度峰峰值Q_pp和P″′_syn关系获得精密起始频率切换点P_sync以及P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr具体步骤如下：

S41、对每个频率切换点P″′_syn产生下变频数据块执行低通滤波和正交解调，计算正交解调幅度阵列的最大峰峰值Q_pp，将(P″′_syn，Q_pp)二元组缓存到切换点-峰峰值阵列中；

S42、从切换点-峰峰值阵列中取Q_pp值最小节点的P″′_syn为精密起始频率切换点P_sync；

S43、输出Q_ppthr＝α×min(Q_{pp_pre}，Q_{pp_suc})，其中Q_{pp_pre}和Q_{pp_suc}分别为切换点-峰峰值阵列中Q_pp最小节点的前序和后继节点的幅度峰峰值，α<1.0为常数。

进一步地，S5所述跳频数据块去跳频具体步骤如下：

S51、使用S1搜索每个跳频数据块的跳频表H_tab；

S52、使用S3搜索第一个跳频数据块的起始频率切换点P_syn；

S53、使用S4搜索第一个跳频数据块的精密起始频率切换点P_sync和P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr；

S54、置S2中的P′_syn＝P_sync，使用S2所述方法对每个跳频数据块中m×P_H个采样点执行下变频得到下变频数据块，m＝(跳频数据块采样点数-P_sync)/P_H为整数，对下变频数据块执行低通滤波和正交解调，检查正交解调幅度峰峰值Q_pp是否超出阈值Q_ppthr，未超出则输出下变频数据块为去跳频数据块，超出则使用S4所述方法，置S4中P_syn＝P_sync，重新搜索P_sync和Q_ppthr并重新执行本步骤；

S55从跳频表H_tab中删除m个节点，从跳频数据块中删除数据下标小于m×P_H的采样点，调整P_sync＝P_sync+m×P_H。

本发明的有益效果为：

1)无需已知跳频图案，仅需已知频率集、频率切换周期以及频率切换周期内发送的采样点数即可对盲跳频信号执行去跳频，不存在跳频图案同步捕获过程，使得本发明方法可对真随机图案跳频信号执行实时去跳频。

2)在去跳频过程中动态修正起始频率切换点，容忍接收设备的时间和时钟漂移，使得低成本射频接收机在不依赖卫星时间和驯服时钟的条件下也可实现快跳频信号的去跳频。

3)跳频表节点由跳频周期内一个粗略的峰值点下标和跳频频率构成，使得本发明方法在低载噪比条件下仍具备适当的性能。

附图说明

图1一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法示意图；

具体实施方式

下面结合实施例，详细说明本发明方法的实施方式。

在实施例中，跳频信号发送端工作流程：

1)16kbps数字信号源发送位流，

2)以1024采样/每个符号执行GSMK调制后得到采样率16384ksps调制信号，

3)以频率切换周期P_H＝256采样点，在N＝16个真随机信道上执行跳频运算，通过SDR设备发送到空中；

在实施例中，跳频信号接收端使用SDR设备接收空中跳频信号，SDR设备使用内部时钟，接收端工作参数设置：

1)已知跳频信道数N＝16和跳频频率集f₀～f_N-1，已知频率切换周期对应的采样点数P_H＝256，在本实施例中每个频率周期内发送的信号采样点数P_S＝240，

2)根据事先检测到的跳频信号信道带宽设置低通滤波器带宽Bw＝16kHz，

3)设置接收端采样率F_S为P_H的整数倍数，置F_S＝16384ksps，

4)为了支持接收机采集的连续跳频采样流的去跳频，在本实施例中使用两级跳频表，第一级全局跳频表H_tab，第二级当前FIFO队列数据块跳频表H_tabcur；

一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，一个具体实施例包括：

C1、空中射频采样数据接收和缓存：接收到达数据，缓存到FIFO队列中，记录FIFO队列首节点在采样流中的下标Ptr0。

C2、跳频表检测，步骤如下：

C21、设置抽取倍数dX＝8以降低计算开销，设置平滑系数为5点全1矩形窗以消除噪声引起的峰值，根据已知跳频信号信道数N和频率集f₀～f_N-1，使用频率-1×f₀～-1×f_N-1对FIFO队列数据块执行N次中频搬移、低通滤波、复数转幅度、抽取和平滑运算，得到N信道幅度阵列A₀～A_N-1，；

C22、检测N信道幅度阵列A₀～A_N-1的最大值得到MaxA₀～MaxA_N-1，清空FIFO队列数据块跳频表H_tab；

C23、针对信道幅度阵列A_k，当A_k[q]>λ×MaxA_k且A_k[q]>A_k[q-1]且A_k[q]>A_k[q+1]为真时得到一个信道峰值A_peak＝A_k[q]和幅度数据下标q，在q-δ到q+δ区间所有信道幅度阵列不存在大于等于A_peak的幅度点时，存储二元组(q×dX,fk)到跳频表Htabcur并置q＝q+PH/(2×dX)继续搜索峰值点，其中k∈(0,1,…，N-1)，λ<1.0为常数，δ<PH/(2×dX)，PH是频率切换周期对应的采样点数为已知参数dX为幅度阵列抽取倍数，fk为计算幅度阵列Ak时使用的跳频频率；

C24、按照数据下标升序准则对当前FIFO队列数据块跳频表H_tabcur执行排序；

C25、以全局跳频表H_tab末节点中数据下标q_end为参考点，在FIFO队列数据块跳频表H_tabcur中搜索数据下标q_k，当存在|q_end-q_k|<P_H时，将从节点k+1开始的所有H_tabcur节点缓存到全局跳频表H_tab末节点之后，当全局跳频表H_tab为空时，复制FIFO队列数据块跳频表H_tabcur到H_tab。

C3、跳频数据块下变频：针对跳频表H_tab中下标为k的节点，二元组中频率为f_k，设置频率切换点为P′_k＝P′_syn+k×P_H，对跳频数据块中下标P′_k起始的P_S个采样点执行频偏为-1×f_k的中频搬移运算，缓存到输出下变频采样块中起始下标为k×P_S的存储区，其中，P′_syn是执行下变频时使用的起始频率切换点，P_H是频率切换周期对应的采样点数为已知参数，P_S是每个频率切换周期内发送的信号采样点数为已知参数。

C4、起始频率切换点搜索：设置起始频率切换点P″_syn∈(q₀-1,q₀-2,…,q₀-d)，置C3中的P′_syn＝P″_sync，使用C3所述方法对跳频数据块执行d＝2×P_H/3＝170次下变频，计算d个下变频采样块中每个频率切换点前后两侧±τ采样点区间内I和Q分量微分绝对值和E_sum，E_sum最小时的频率切换点P″_syn即为跳频数据块的起始频率切换点P_syn，其中，q₀为跳频表首节点二元组中数据下标，d<P_H为常数，τ<P_H/2为常数。

C5、精密起始频率切换点搜索：置频率切换点P″′_syn∈(P_syn，P_syn±1，...，P_syn±K)，K<P_H/2为常数，置C3中的P′_syn＝P″′_syn，使用C3所述方法对跳频数据块执行2K+1次下变频，对每个下变频结果执行低通滤波和正交解调运算，根据正交解调幅度峰峰值Q_pp和P″′_syn关系获得精密起始频率切换点P_sync以及P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr。

C6、跳频数据块去跳频，步骤如下：

C61、检测FIFO队列数据块跳频表H_tabcur，将H_tabcur合并到全局跳频表H_tab；

C62、在本实施例中，当全局跳频表H_tab节点数大于N＝16时，使用C4所述方法搜索起始频率切换点P_syn，置C5中K＝2，使用C5所述方法搜索精密起始频率切换点P_sync，记录P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr，本步骤仅执行一次；

C63、置C3中的P′_syn＝P_sync，使用C3所述方法对FIFO队列数据块中m×P_H个采样点执行下变频得到下变频数据块，m＝(FIFO队列数据块采样点数-P_sync)/P_H为整数，检查下变频数据块的正交解调幅度峰峰值Q_pp是否超出阈值Q_ppthr，未超出则输出下变频数据块为去跳频数据块，超出则置C5中K＝2，置C5中P_syn＝P_sync，使用C5所述方法重新检测P_sync和Q_ppthr并再次执行本步骤；

C64、从跳频表H_tab中删除m个已经消耗的节点，从跳频数据FIFO队列中删除数据下标小于m×P_H的采样点，调整P_sync＝P_sync+m×P_H。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，其特征在于包含如下步骤：

S1、跳频表检测：根据已知跳频信号信道数N和频率集f₀～f_N-1，使用频率-1×f₀～-1×f_N-1对跳频数据块执行N次中频搬移、低通滤波、复数转幅、抽取以及平滑运算得到N信道幅度阵列，对N信道幅度阵列执行峰值检测获得由采样点下标q和信道频率f二元组节点(q，f)组成的跳频表阵列H_tab；

S2、跳频数据块下变频：针对跳频表H_tab中下标为k的节点，二元组中频率为f_k，设置频率切换点为P′_k＝P′_syn+k×P_H，对跳频数据块中下标P′_k起始的P_S个采样点执行频偏为-1×f_k的中频搬移运算，缓存到输出下变频采样块中起始下标为k×P_S的存储区，其中，P′_syn是执行下变频时使用的起始频率切换点，P_H是频率切换周期对应的采样点数为已知参数，P_S是每个频率切换周期内发送的信号采样点数为已知参数；

S3、起始频率切换点搜索：设置起始频率切换点P″_syn∈(q₀-1，q₀-2，…，q₀-d)，置S2中的P′_syn＝P″_syn，使用S2所述方法对跳频数据块执行d次下变频，计算d个下变频采样块中每个频率切换点前后两侧±τ采样点区间内I和Q分量微分绝对值和E_sum，E_sum最小时的频率切换点P″_syn即为跳频数据块的起始频率切换点P_syn，其中，q₀为跳频表首节点二元组中数据下标，d＜P_H为常数，τ＜P_H/2为常数；

S4、精密起始频率切换点搜索：置频率切换点P″_syn∈(P_syn，P_syn±1，…，P_syn±K)，K＜P_H/2为常数，置S2中的P′_syn＝P″′_sync，使用S2所述方法对跳频数据块执行2K+1次下变频，对每个下变频数据块执行低通滤波和正交解调运算，根据正交解调幅度峰峰值Q_pp和P″′_syn关系获得精密起始频率切换点P_sync以及P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr；

S5、跳频数据块去跳频：检测每个跳频数据块的跳频表H_tab，对第一个数据块搜索起始频率切换点P_syn、精密起始频率切换点P_sync和P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr，对每个跳频数据块执行下变频并检查下变频数据块的正交解调幅度峰峰值Q_pp是否超出阈值Q_ppthr，未超出则输出下变频数据块为去跳频数据块，超出则重新搜索P_sync和Q_ppthr并重新执行下变频。

2.根据权利要求1所述一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，其特征在于，S1所述对N信道幅度阵列执行峰值检测获得由采样点下标q和信道频率f二元组节点(q，f)组成的跳频表阵列H_tab具体步骤如下：

S11、检测N信道幅度阵列A₀～A_N-1的最大值得到MaxA₀～MaxA_N-1；

S12、针对信道幅度阵列A_k，当A_k[q]＞λ×MaxA_k且A_k[q]＞A_k[q-1]且A_k[q]＞A_k[q+1]为真时得到一个信道峰值A_peak＝A_k[q]和幅度数据下标q，在q-δ到q+δ区间所有信道幅度阵列不存在大于等于A_peak的幅度点时，存储二元组(q×dX，f_k)到跳频表H_tab并置q＝q+P_H/(2×dX)继续搜索峰值点，其中k∈(0，1，…，N-1)，λ＜1.0为常数，δ＜P_H/(2×dX)，P_H是频率切换周期对应的采样点数为已知参数，dX为幅度阵列抽取倍数，f_k为计算幅度阵列A_k时使用的跳频频率；

S13、按照数据下标升序准则对跳频表H_tab执行排序。

3.根据权利要求1所述一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，其特征在于，S3所述计算d个下变频采样块中每个频率切换点前后两侧±τ采样点区间内I和Q分量微分绝对值和E_sum具体步骤如下：

S31、E_sum的计算公式为其中z_k＝P″_syn+k×P_S是下变频数据块中第k个频率切换点数据下标，S_I是跳频信号I分量，S_Q是跳频信号Q分量，M是跳频表节点数。

4.根据权利要求1所述一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，其特征在于，S4所述根据正交解调幅度峰峰值Q_pp和P″′_syn关系获得精密起始频率切换点P_sync以及P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr具体步骤如下：

S41、对每个频率切换点P″′_syn产生下变频数据块执行低通滤波和正交解调，计算正交解调幅度阵列的最大峰峰值Q_pp，将(P″′_syn，Q_pp)二元组缓存到切换点-峰峰值阵列中；

S42、从切换点-峰峰值阵列中取Q_pp值最小节点的P″′_syn为精密起始频率切换点P_sync；

S43、输出Q_ppthr＝α×mib(Q_{pp_pre}，Q_{pp_suc})，其中Q_{pp_pre}和Q_{pp_suc}分别为切换点-峰峰值阵列中Q_pp最小节点的前序和后继节点的幅度峰峰值，α＜1.0为常数。

5.根据权利要求1所述一种盲跳频图案FHSS信号去跳频方法，其特征在于，S5所述跳频数据块去跳频具体步骤如下：

S51、使用S1检测每个跳频数据块的跳频表H_tab；

S52、使用S3搜索第一个跳频数据块的起始频率切换点P_syn；

S53、使用S4搜索第一个跳频数据块的精密起始频率切换点P_sync和P_sync出现漂移时的正交解调幅度峰峰值阈值Q_ppthr；

S54、置S2中的P′_yn＝P_sync，使用S2所述方法对每个跳频数据块中m×P_H个采样点执行下变频得到下变频数据块，m＝(跳频数据块采样点数-P_sync)/P_H为整数，对下变频数据块执行低通滤波和正交解调，检查正交解调幅度峰峰值Q_pp是否超出阈值Q_ppthr，未超出则输出下变频数据块为去跳频数据块，超出则使用s4所述方法，置S4中P_syn＝P_sync，重新搜索P_sync和Q_ppthr并重新执行本步骤；

S55从跳频表H_tab中删除m个节点，从跳频数据块中删除数据下标小于m×P_H的采样点，调整P_sync＝P_sync+m×P_H。