CN107786240A - 多重载波频率跳变的数字通信电台装置 - Google Patents

多重载波频率跳变的数字通信电台装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多重载波频率跳变的数字通信电台装置，包括有通信载波随机指示单元、基带处理单元、收发变频单元、通信载波搜索单元以及双工器。本发明在电台通信的过程中，由通信载波随机指示单元随机改变指示信息使通信载波频率处于跳变的状态，而承载语音和数据的通信信道在通信带宽内同样处于随机跳变状态，并且由伪噪声信道对其进行伪装隐藏，多重载波频率随机跳变方式不仅提高了通信的抗干扰能力，而且避免了现有模拟通信电台和数字通信电台中在复杂电磁环境中抗干扰能力差和容易被截获的缺陷，并解决了实际跳频通信过程中需要解决的问题，适用于民用专网通信以及军用通信等多种保密抗干扰场景下的数传和语音通信。

Description

多重载波频率跳变的数字通信电台装置
技术领域
本发明涉及无线通信或通信对抗技术领域，具体是一种多重载波频率跳变的数字通信电台装置。
背景技术
通信电台无论在民用还是军用领域有着十分广泛的应用，是不可或缺的一种通信工具。传统的通信电台由于单一的定频载波和调制方式等原因导致其存在抗干扰能力较差、通信易中断以及通信容易被截获等诸多缺陷，在一些紧急的重要场合或者军用场景下，这些缺点是不能容忍的。
定频模拟通信电台是最常见的一种通信电台形式(如图1所示)，很多专网电台都采用这种方式实现点对点通信，每次通信可选用一个频道作为通信载频，调制方式一般采用窄带调频。此种类电台实现方式简单，对于通信质量要求不高，通信内容不涉密的场景下是非常实用的。但是其抗干扰能力差，在复杂的电磁环境下，特别是有针对性的干扰时其通信几乎被中断。
为了避免上述模拟通信电台的缺陷，提高其抗干扰能力，有专利提出了以通信频率跳变和数字调制相结合的通信电台，比如专利申请号为201110324875.3的中国专利申请文件公开了一种数据传输快速跳频电台，其跳频通信***原理框图如图2所示，整个***可分为三部分：数字信号处理、跳频本振源和射频变频通道。数字信号处理部分在发射时对输入信源进行FSK调制以及数模转换，当接收时则对接收模拟信号进行模数转换和FSK解调获得信宿。跳频本振源采用直接数字频率合成器(DDS)实现，直接数字频率合成器通过控制线与FPGA电路连接，FPGA向直接数字频率合成器写入数据可以控制直接数字频率合成器输出相应频率，如果电台需要设置为跳频通信状态，则FPGA按照一组频率集(即跳频图案)依次改变送入直接数字频率合成器的值，此时直接数字频率合成器输出的频率就会快速地跳变。射频变频通道则是采用传统的混频、滤波和放大的形式去实现。
上面所述的专利中，提及了当跳频电台处于快速跳频接收状态时，接收电台的FPGA电路模块写入直接数字频率合成器的频率值与发射电台FPGA电路模块写入直接数字频率合成器模块的频率值快速变化的时候保持相同，但是未提及无线通信时异地收发电台如何实现跳频同步，因为精准同步才是跳频电台需要解决的重要问题；即使能够实现同步，有限长度的跳频图案还是存在被截获的可能。另外，整个通信的频率跳变范围最大为20MHz，难以抵抗大功率的信号阻塞和信号压制。
发明内容
本发明的目的是提供一种多重载波频率跳变的数字通信电台装置，来避免现有模拟通信电台和数字通信电台中在复杂电磁环境中抗干扰能力差和容易被截获的缺陷，并解决实际跳频通信过程中需要解决的问题。
本发明的技术方案如下：
一种多重载波频率跳变的数字通信电台装置，其特征在于：包括有通信载波随机指示单元、基带处理单元、收发变频单元、通信载波搜索单元以及双工器；
所述通信载波随机指示单元为突发式频率发生装置，是发射电台为接收端提供通信载波频率值的重要指示信息，其产生的载波指示信息在限定的频率范围内随机产生，每一个载波指示信息都对应于通信频段内的一个载波频率值；
所述的基带处理单元包括有信道处理单元和IQ调制解调单元，所述的信道处理单元在电台发射时产生同步信道、位置索引信道、语音通信信道和伪噪声信道，其中，同步信道为整个通信链路提供子帧/符号的时频同步及补偿条件；位置索引信道通过序列调制传递给接收机端语音通信信道的随机跳变位置信息；语音通信信道承载数据和语音的传输信息；伪噪声信道是对未使用的时频资源进行噪声调制填充，利用产生的伪随机序列和语音信道相同的调制方式进行调制映射，将通信语音信道淹没在噪声信道里面进行隐蔽和伪装；在电台接收时，接收侧对基带数据进行子帧/符号的时频同步检测并完成补偿，同步补偿后的数据需要对位置索引信道进行解析并获得语音通信信道位置，在通信的过程中，语音通信信道的位置每间隔一个无线帧长度(10ms)随机跳变一次，必须通过位置索引信道解析获取，在完成对语音信道进行信道解析后，获取最终的通信信息；所述的IQ调制解调单元为数字基带数据的调制和解调，当处于发射状态时，则将信道生成的基带数据进行正交调制并将调制后的信号搬移至中频载波上；当处于接收状态时，则将接收的中频信号进行采集和DDC变换，经过抽取和成型滤波器后获取IQ基带数据提供至信道解析模块；
所述的基带处理单元包括有DSP芯片、FPGA可编程逻辑芯片和DDS芯片；
所述的收发变频单元包括有本地振荡器、混频器、滤波单元和功率放大器，当处于发射状态时，调制后的中频载波信号输入至混频器，在混频器中与本地振荡器进行混频将中频调制信号搬移至设定的射频载波频率，载波信号再经过滤波单元、功率放大器后输出至天线端口；当处于接收状态时，天线端口输入的信号经过LNA在混频器中与本地振荡器进行混频将载波信号搬移至中频，中频信号经过滤波放大等处理将信号传输至ADC采集端口；
所述的通信载波搜索单元为接收电台对发射通信载波的搜索，经过变频、滤波、放大以及高速采集，实时频率捕捉，对频率指示信息进行捕捉，捕捉后的频率指示信息后根据相应的计算法获取通信载波频率值；
所述的双工器为收发通道切换单元，使用半双工模式，即当处于发射状态时，接收通道关闭；当处于接收状态时，发射通道关闭。
所述的多重载波频率跳变的数字通信电台装置，其特征在于：在通信的过程中，发射端的调制载波频率在一定的频率范围内进行随机跳变(比如500MHz)，接收端利用发射端的载波指示信息对通信载波频率进行实时同步跟踪，并根据获取的载波指示信息换算得到通信载波频率，从而在该频率下对信号进行下变频和IQ解调。
所述的多重载波频率跳变的数字通信电台装置，其特征在于：发射端语音通信的信道位置每间隔一个无线帧长度随机跳变一次，跳变的范围为通信带宽范围(比如20MHz)；接收端利用同步信道和位置索引信道对语音信道位置进行准确定位并对信道携带的语音信息进行无间断的清晰解析。
本发明中，通信载波随机指示单元在每次通信之前都会随机选择一个载波并生成载波信息发射，此时的接收端在战术约定的频段内进行载波指示搜索(比如40MHz范围内)。通信载波随机指示单元搜索的频段与实际的通信频段相隔很远，而且是以突发的方式进行发射，目的是防止指示搜索频段被识别、干扰或截获。接收端的通信载波搜索单元一直在做实时搜索，只要有突发频率产生就能识别并根据相应的算法法则获取通信载波频率值。通信载波搜索单元将搜索到的通信载波频率值上报至整机控制单元，控制单元将频率值下发至通信接收单元，通信接收单元将在该频率值上对信号进行下变频、滤波和放大等处理，经过高速ADC采集后做IQ解调处理，并形成基带数据发送至基带处理单元做信道解析。
本发明中，频域上将几十兆赫兹的通信带宽分成约200个信道，语音通信由于信息量较小暂时占用一个信道。时域上将定义一个无线帧长度为10ms，每一个无线帧随机改变一次语音信道的位置，能够保持语音信道位置处于动态随机变化状态。由于在无线帧内部有位置索引信道，只需要在接收端对位置索引信道做解析就能够获得语音通信信道位置。
本发明中，通信载波的频率在通信过程中是随机跳变的，承载语音信息的通信信道的位置同样是随机跳变的，从而实现了多重载波频率跳变的通信方式，该通信方式在在复杂电磁环境中有着较强的抗干扰能力，无限长度的随机跳变方式有效的降低了被截获的概率。另外，本发明解决了实际跳频通信过程中跳频快速准确同步的问题。
本发明的有益效果：
本发明在电台通信的过程中，由通信载波随机指示单元随机改变指示信息使通信载波频率处于跳变的状态，而承载语音和数据的通信信道在通信带宽内同样处于随机跳变状态，并且由伪噪声信道对其进行伪装隐藏，多重载波频率随机跳变方式不仅提高了通信的抗干扰能力，而且避免了现有模拟通信电台和数字通信电台中在复杂电磁环境中抗干扰能力差和容易被截获的缺陷，并解决了实际跳频通信过程中需要解决的问题，适用于民用专网通信以及军用通信等多种保密抗干扰场景下的数传和语音通信。
附图说明
图1为传统的定频模拟通信电台的结构原理框图。
图2为数据传输快速跳频电台的结构原理框图。
图3为本发明结构的结构原理框图。
具体实施方式
参见图3，一种多重载波频率跳变的数字通信电台装置，包括有通信载波随机指示单元2、基带处理单元1、收发变频单元、通信载波搜索单元4以及双工器8；
通信载波随机指示单元2为突发式频率发生装置，是发射电台为接收端提供通信载波频率值的重要指示信息，其产生的载波指示信息在限定的频率范围内随机产生，每一个载波指示信息都对应于通信频段内的一个载波频率值；
基带处理单元1包括有信道处理单元和IQ调制解调单元，信道处理单元在电台发射时产生同步信道、位置索引信道、语音通信信道和伪噪声信道，其中，同步信道为整个通信链路提供子帧/符号的时频同步及补偿条件；位置索引信道通过序列调制传递给接收机端语音通信信道的随机跳变位置信息；语音通信信道承载数据和语音的传输信息；伪噪声信道是对未使用的时频资源进行噪声调制填充，利用产生的伪随机序列和语音信道相同的调制方式进行调制映射，将通信语音信道淹没在噪声信道里面进行隐蔽和伪装；在电台接收时，接收侧对基带数据进行子帧/符号的时频同步检测并完成补偿，同步补偿后的数据需要对位置索引信道进行解析并获得语音通信信道位置，在通信的过程中，语音通信信道的位置每间隔一个无线帧长度(10ms)随机跳变一次，必须通过位置索引信道解析获取，在完成对语音信道进行信道解析后，获取最终的通信信息；IQ调制解调单元为数字基带数据的调制和解调，当处于发射状态时，则将信道生成的基带数据进行正交调制并将调制后的信号搬移至中频载波上；当处于接收状态时，则将接收的中频信号进行采集和DDC变换，经过抽取和成型滤波器后获取IQ基带数据提供至信道解析模块；
基带处理单元1包括有DSP芯片、FPGA可编程逻辑芯片和DDS芯片；
收发变频单元包括有本地振荡器3、混频器5、滤波单元6和功率放大器7，当处于发射状态时，调制后的中频载波信号输入至混频器5，在混频器5中与本地振荡器3进行混频将中频调制信号搬移至设定的射频载波频率，载波信号再经过滤波单元6、功率放大器7后输出至天线端口；当处于接收状态时，天线端口输入的信号经过LNA在混频器5中与本地振荡器3进行混频将载波信号搬移至中频，中频信号经过过滤波单元6、功率放大器7后传输至ADC采集端口；
通信载波搜索单元4为接收电台对发射通信载波的搜索，经过变频、滤波、放大以及高速采集，实时频率捕捉，对频率指示信息进行捕捉，捕捉后的频率指示信息后根据相应的计算法获取通信载波频率值；
双工器8为收发通道切换单元，使用半双工模式，即当处于发射状态时，接收通道关闭；当处于接收状态时，发射通道关闭。
本实施例中，通信载波随机指示单元2在某一频段范围内(比如40MHz)生成约1600个载波指示索引信息，每个载波指示索引信息对应于一个通信载波频率，通信载波频率和载波指示信息之间存在某种特定的关系式，举例说明：
ftr_channel＝fstart+Ctr_index*fchan_step
其中，fstart为设定通信频段的起始频率，Ctr_index为发射载波指示信息索引，fchan_step为通信频率的信道栅格。
作为多种变形，以上通信载波频率和载波指示信息有很多种对应关系，有线性的也有非线性的，最终都可以直接或者间接获得通信载波频率值。发射端的指示信号是突发式的信号，突发持续时间可以在***界面设定。接收端的载波搜索模块内部经过了变频、滤波和功率放大以及高速采集，通过高速采集对限定的载波指示频段范围内做频率搜索，在高速搜索的同时与背景噪声频谱做差分比较，突出指示信号，对指示信号做出判断获取，并通过指示信号得到发射通信载波频率大小，然后下发载波频率值至接收机模块。
本实施例中，不仅通信载波频率做频率跳变，承载语音数据的通信信道同样也处于跳变状态。装置的调制方式采用了传统的正交频分多址方式，在资源映射中，本发明根据需求在频域上设计了同步信道、位置索引信道、语音通信信道和伪噪声信道，以一个资源块为一个信道宽度计算，整个频域上可分为大约200个信道，时域上设计了以无线帧、子帧和符号等时间单位。语音通信信道的位置每间隔一个无线帧长度(10ms)随机跳变一次，伪噪声信道采用了与语音通信信道相同的调制方式对未使用的信道做填充。信道的跳变和伪装使得语音通信信道难以被跟踪和截获，即使短时间被截获，整个信道的多层加扰和扩频使得难以破译最终的数据或语音信息。接收端通过对位置索引信道的解析来获取语音通信信息的位置。
作为一种变形，为了提高信道的随机性，可以将语音信道的跳变间隔提高至半个无线帧或者一个子帧。
本实施例中，基带处理单元在已经同步的情况会以无线帧为单位进行同步检测，一旦检测失同步立即上传至主控端，使主控端发起载波指示搜索；在上报失同步的同时，基带处理单元会重新做同步运算，直到时频完全同步为止。
以上具体实施方案仅用于说明本发明，而非用于限定本发明，本领域内一般技术人根据上述设计思想所作任何不具有创造性的创造，均应视为在本专利的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多重载波频率跳变的数字通信电台装置，其特征在于：包括有通信载波随机指示单元、基带处理单元、收发变频单元、通信载波搜索单元以及双工器；
所述通信载波随机指示单元为突发式频率发生装置，是发射电台为接收端提供通信载波频率值的重要指示信息，其产生的载波指示信息在限定的频率范围内随机产生，每一个载波指示信息都对应于通信频段内的一个载波频率值；
所述的基带处理单元包括有信道处理单元和IQ调制解调单元，所述的信道处理单元在电台发射时产生同步信道、位置索引信道、语音通信信道和伪噪声信道，其中，同步信道为整个通信链路提供子帧/符号的时频同步及补偿条件；位置索引信道通过序列调制传递给接收机端语音通信信道的随机跳变位置信息；语音通信信道承载数据和语音的传输信息；伪噪声信道是对未使用的时频资源进行噪声调制填充，利用产生的伪随机序列和语音信道相同的调制方式进行调制映射，将通信语音信道淹没在噪声信道里面进行隐蔽和伪装；在电台接收时，接收侧对基带数据进行子帧/符号的时频同步检测并完成补偿，同步补偿后的数据需要对位置索引信道进行解析并获得语音通信信道位置，在通信的过程中，语音通信信道的位置每间隔一个无线帧长度随机跳变一次，必须通过位置索引信道解析获取，在完成对语音信道进行信道解析后，获取最终的通信信息；所述的IQ调制解调单元为数字基带数据的调制和解调，当处于发射状态时，则将信道生成的基带数据进行正交调制并将调制后的信号搬移至中频载波上；当处于接收状态时，则将接收的中频信号进行采集和DDC变换，经过抽取和成型滤波器后获取IQ基带数据提供至信道解析模块；
所述的基带处理单元包括有DSP芯片、FPGA可编程逻辑芯片和DDS芯片；
所述的收发变频单元包括有本地振荡器、混频器、滤波单元和功率放大器，当处于发射状态时，调制后的中频载波信号输入至混频器，在混频器中与本地振荡器进行混频将中频调制信号搬移至设定的射频载波频率，载波信号再经过滤波单元、功率放大器后输出至天线端口；当处于接收状态时，天线端口输入的信号经过LNA在混频器中与本地振荡器进行混频将载波信号搬移至中频，中频信号经过滤波放大等处理将信号传输至ADC采集端口；
所述的通信载波搜索单元为接收电台对发射通信载波的搜索，经过变频、滤波、放大以及高速采集，实时频率捕捉，对频率指示信息进行捕捉，捕捉后的频率指示信息后根据相应的计算法获取通信载波频率值；
所述的双工器为收发通道切换单元，使用半双工模式，即当处于发射状态时，接收通道关闭；当处于接收状态时，发射通道关闭。
2.根据权利要求1所述的多重载波频率跳变的数字通信电台装置，其特征在于：在通信的过程中，发射端的调制载波频率在一定的频率范围内进行随机跳变，接收端利用发射端的载波指示信息对通信载波频率进行实时同步跟踪，并根据获取的载波指示信息换算得到通信载波频率，从而在该频率下对信号进行下变频和IQ解调。
3.根据权利要求1所述的多重载波频率跳变的数字通信电台装置，其特征在于：发射端语音通信的信道位置每间隔一个无线帧长度随机跳变一次，跳变的范围为通信带宽范围；接收端利用同步信道和位置索引信道对语音信道位置进行准确定位并对信道携带的语音信息进行无间断的清晰解析。
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Denomination of invention: A Digital Communication Radio Device with Multiple Carrier Frequency Jumps

Effective date of registration: 20230613

Granted publication date: 20191015

Pledgee: Anhui pilot Free Trade Zone Hefei area sub branch of Huishang Bank Co.,Ltd.

Pledgor: ANHUI EGRETS ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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