CN110198177B - 一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，在多序列联合跳频的基础上，通过带内扩频的方式将伪随机特征码调制到频率跳变的载波上，为数据信道增加除载波频率以外的特征信息，作为区分信号来源的标志。接收机利用已知伪随机特征码与发射信号之间的相关性进行判决，减少干扰信号出现在多序列跳频的对偶信道而引发的误码。本发明进一步提高了多序列联合跳频通信的抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗干扰跳频通信方法，特别是涉及一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法。
背景技术
跳频通信是指传输信号的载波在传输频带上按照伪随机规律跳变的通信方式，收发双方传输信号的载波频率按照预定的跳频序列伪随机变化。由于干扰方不知道当前跳频通信***使用的频率，因此不能对跳频通信***进行有效的干扰。跳频通信具有良好的抗干扰和抗截获能力，检测概率低且能抑制频率选择性衰落，在军事通信特别是短波/超短波战术通信中被广泛应用。
随着干扰技术的发展，跟踪干扰成为跳频通信面临的最大威胁，跟踪干扰可以在短时间内捕捉到跳频***当前使用的频率并进行干扰，大幅削减跳频通信通过躲避干扰产生的跳频增益。随着跟踪干扰技术的发展，跟踪干扰对一定跳速下的跳频图案截获概率几乎达到 100％，使跳频通信丧失抗干扰增益。
近年来，跳频通信***的抗干扰技术也得到了一定的发展。常规跳频模式下可以通过信道编码、空域干扰消除等方式减少误码，作为被跟踪干扰影响后的补偿措施。除了补偿措施，还出现了差分跳频等非常规跳频模式对抗跟踪干扰。目前研究较多的是利用多序列跳频方法，其利用信道表示消息，数据信道和对偶信道分别按不同的跳频序列跳变，接收端通过检测对应信道频点的能量进行判决。由于对偶信道没有实际发送的信号，跟踪干扰无法捕获对偶信道并进行有效的干扰，减小了跟踪干扰的影响。这种跳频方法抗跟踪干扰效果比较好，然而当干扰信号碰撞到对偶信道时，对偶信道上出现较大的能量，误码率大幅提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，减少多序列跳频因对偶信道被干扰而造成的误码。
本发明采用如下技术方案：
一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，将伪随机特征编码作为区分信号来源的标志，通过带内扩频的方式将伪随机特征编码调制到频率跳变的载波上，为发送信号和解调信号增加特征。
其中，所述伪随机特征码为数据信道增了除载波频率之外的其它特征信息但与用户数据无关。
具体的，其包括信号发射过程和信号接收过程；
所述信号发射过程包括如下步骤：
(1)利用信道编码对二进制用户数据d(t)进行差错控制编码得到待发送序列dc(t)；
(2)将待发送序列dc(t)转换为N进制信号dn(t)；
(3)在序列映射通道，N进制信号dn(t)决定发射信号选择哪个跳频序列，该序列对应的频率经频率合成器合成后，作为跳频载波；
(4)在特征调制通道，对作为特征信息的伪随机特征码c(t)进行2PSK调制，生成特征信号；伪随机特征码的生成时钟与跳频***同步时钟一致，在同步的情况下，载波上调制的伪随机特征码对接收端是已知的；
(5)特征调制模块输出的特征信号与序列映射通道合成的跳频载波进行混频，完成频谱搬移后，送往射频前端；
(6)射频前端完成带通滤波和功率放大后，通过发射端天线发射；
所述信号接收过程包括如下步骤：
(A)接收端射频前端将从天线接收到的射频信号进行低噪放大、带通滤波、增益控制后，送往N个接收支路；
(B)N个接收支路并行工作，对应N个正交的跳频序列；
对于某一个接收支路，接收端生成的本地跳频序列与发射端保持同步，接收端生成伪随机特征码时利用跳频时钟信息实现同步；
对于每一个接收支路，完成解跳的中频信号经过特征解调后被送往能量检测模块进行平方率非相干能量检测；
(C)在每一个特征解调通道中，用与发射端同步的伪随机特征码c(t)对完成解跳的中频信号进行特征解调，解调后进行窄带滤波滤除干扰信号；
(D)在每一个能量检测模块中，特征解调后的信号经过窄带滤波，进行平方率非相干检测，得到N个检测结果，送往判决模块进行判决；
(E)在判决时，对N个接收支路的能量检测结果进行判决；
(F)将N进制信号dn(t)转换为二进制接收信号序列dc(t)。
(G)对dc(t)进行信道译码。
其中，步骤(1)中，所述信道编码方式为卷积码、Turbo码或RS码。
其中，步骤(4)中，所述伪随机特征码c(t)采用m序列等伪随机序列，码速率低于跳频频点带宽，使用时转换为双极性码。
其中，步骤(E)中，判决方法采用硬判决或结合译码方法进行软判决。
其中，步骤(E)中，所述硬判决方法为，对N个接收支路，每个接收支路经过平方率非相干检测结果为Ri,(i＝1,...,NS)；设检测结果最大值Rmax＝max{R1,R2,...,RN}＝Ri，Ri对应的子信道i为数据信道。
其中，若步骤(1)中的信道编码方式为卷积码，则步骤(G)选用Viterbi译码。
本发明的有益效果在于：
(1)利用多个跳频序列联合工作，将用户数据映射为跳频序列序号，最终体现为发射信号的载波频率，利用信道表示消息。
(2)与常规跳频通信不同之处在于，利用信道表示用户数据；与多序列跳频不同之处在于，在载波上调制了与用户数据无关的伪随机特征码，该码为数据信道增加了除载波频率之外的其它特征信息。
(3)在特征解调过程中，接收机利用发射信号和特征解调信号的相关性，减小与特征解调信号不相关的干扰信号对判决造成的影响，可以减少干扰信号出现在多序列跳频的对偶信道而引发的误码。
(4)伪随机特征码的码速率低于跳频频点的带宽，接收端依然可以采用窄带接收，不会因为调制展宽信号频谱而引入带外干扰。
(5)多个跳频序列联合工作改变了跟踪干扰起效的条件，针对多序列跳频对偶信道进行干扰才能起到明显效果；对偶信道和数据信道的频率差伪随机变化，达到了将对偶信道在跟踪干扰下隐藏的目的，降低了对偶信道被干扰的概率。
(6)在数据信道的频点上，伪随机特征码为数据信道增加了除频率之外的其它特征，为接收机增加了辨别接收信号能量来源的能力，降低了当对偶信道存在干扰信号时发生误码的概率，进一步提高了多序列联合跳频的抗干扰能力。
附图说明
图1是结合伪随机特征码的多序列联合跳频***发射机结构框图；
图2是结合伪随机特征码的多序列联合跳频***接收机结构框图；
图3是结合伪随机特征码的多序列联合跳频频率选择过程示意图；
图4是结合伪随机特征码的多序列联合跳频特征解调过程示意图；
图5是结合伪随机特征码的多序列联合跳频判决过程示意图；
图6是跟踪干扰ρr对PRC-MSFH和FH/2FSK误码率影响图(ρw＝1/16，β＝1)；
图7多音干扰Q对PRC-MSFH和MSFH误码率影响图。
具体实施方式
下面结合附图及实例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
实施例
一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，用户数据经过信道编码和进制转换后，用跳频序列序号来表征用户数据，相应跳频序列输出后经频率合成器作为跳频载波。伪随机特征码序列作为数据信道的特征信息，经过调制后成为特征信号，最后特征信号调制到跳频载波上，经过射频前端由天线发射。在接收端，通过射频前端接收到的信号送至N个接收支路，每个接收支路利用本地跳频序列对接收信号进行跳频同步，完成跳频解调。然后对信号进行特征解调，特征解调后的信号经过窄带滤波后进行平方率非相干能量检测，将接收支路的能量检测结果进行比较判决，确定数据信道，进制转换后进行信道译码，恢复得到用户数据。
更具体的说，它包括了一个信号发射步骤和一个信号接收步骤。假设共有N个跳频序列联合工作。
如图1、图3所示，信号发射包括如下步骤：
(1)信源(101)提供用户数据，信道编码模块(102)利用卷积码对用户数据进行差错控制编码，在进制转换模块(103)将已编码的数据转换为N进制信号。在跳频序列选择模块(104)，N进制信号从跳频序列集(105)选择对应序号的跳频序列，该序列当前时刻对应的频点经频率合成(106)后，作为载波信号，在跳频调制模块(109)与特征信号进行调制。
如图3所示为序列映射通道的跳频序列选择过程，N进制信号即序列选择信息，在序列选择模块(302)从跳频序列集(301)中选择相应跳频序列，取出当前时刻对应的频点，送往频率合成器生成跳频载波。
(2)在特征调制通道，完成伪随机特征码的基带调制。生成双极性伪随机特征码c(t) (107)作为数据信道的特征信息，在特征调制模块(108)通过2PSK调制完成特征码的基带调制，伪随机特征码c(t)的码速率高于跳频速率且低于跳频频点带宽。
(3)特征调制模块(108)产生的特征信号在跳频调制模块(109)与序列映射通道产生的跳频载波进行混频、滤波。
(4)经跳频调制后的信号，在射频前端(110)进行带通滤波和功率放大后，通过发射端天线(111)发射。
以N＝2为例，假设跳频时隙长度为T，符号能量为ES，跳频频带总带宽为W，则发送信号的等效表达式为：
信号在AWGN信道中传输，则接收信号可等效表示为：
r(t)＝ejθ's(t)+n(t)+nJ(t) (2)；
其中n(t)为加性高斯白噪声，其单边功率谱密度为N0，nJ(t)为干扰信号，θ′为传输过程中的相位差。噪声为零均值高斯白噪声，记等效符号信噪比为γ＝ES/N0。
至此，完成发射步骤。
如图2、4、5所示，信号接收包括如下步骤：
(5)接收端前端(202)将从接收天线(201)得到的射频信号进行低噪放大、带通滤波、增益控制后送往N个接收支路。
(6)接收端N个接收支路并行工作，功能相同，以接收支路1为例，跳频解调模块1(205)首先采用自同步法完成同步，完成同步的本地跳频序列1(203)将频率信息送至频率合成模块(204)，生成对应的跳频解调信号，在跳频解调模块1(205)完成混频、滤波，将接收信号从跳频载波搬移至中频，最终送往特征解调模块1(209)。利用跳频时钟信息同步的伪随机特征码(211)，通过特征调制模块(210)生成特征解调信号，在特征解调模块 1(209)完成对信号中特征信息的解调。
(7)在每一个特征解调通道中，用与发射端同步的伪随机特征码序列生成特征解调信号，对解跳后的中频信号进行特征解调，区分出与特征解调信号特征不同的干扰信号。
如图4所示，利用跳频同步时钟(401)的同步信息完成对伪随机特征码(402)的同步，在特征调制模块(403)将特征码通过2PSK调制为特征解调信号，与经过窄带滤波(404)的中频信号进行混频和解调。解调后的信号经过窄带滤波(405)为完成特征解调的信号。
以N＝2为例，接收端使用与发射端跳频序列FS0和FS1同步的跳频序列FS0′和FS1′，同步方式采用自同步法，分两路控制频率合成器产生解跳信号。伪随机特征码利用跳频***时钟信息与发射端伪随机特征码保持同步，通过2PSK将伪随机特征码c(t)调制到解跳信号上。经过中频窄带滤波后对信号分别对两个信道进行非相干能量检测，判决量r0和r1表示代表用户数据“0”和“1”的两个子信道的能量检测结果，检测判决量ri可表示为：
Si*(t)为发送信号Si(t)的共轭，是解调过程的等效：
(8)如图5所示，在每一个能量检测通道中，以能量检测通道1为例，特征解调后的信号经过窄带滤波(501)后进行平方率非相干检测(502)，最终将N个能量检测通道检测所得判决量送入判决器(507)进行择大硬判决，当能量检测通道i输出最大时，判决信道i 为数据信道，与经过差错控制编码和进制转换后的N进制信号相对应。
(9)判决得到的N进制信号，先经进制转换(214)还原为差错控制编码后的用户数据，再进行信道解码(215)，前面选用的卷积编码，因此这里采用Viterbi译码，还原为用户数据。
至此，完成接收步骤。
效果例
图6表示了跟踪干扰时间比例ρr对本发明(以下称PRC-MSFH)和常规跳频(以下称FH/2FSK)的误码率的影响，此时干扰带宽比例ρw＝1/16，跟踪成功率β＝1。两者的误码率都随干扰时间比例ρr的增大而增大。在相同的干扰时间比例ρr下，PRC-MSFH的误码率普遍低于FH/2FSK。在中等信干比下，PRC-MSFH对比FH/2FSK约有3-5dB的增益。
图7表示了多音干扰下干扰单音数Q对PRC-MSFH和MSFH(多序列跳频)误码率的影响。多音干扰会对MSFH造成明显的影响，与MSFH相比，PRC-MSFH在中等信干比下有约6-7dB的增益，抗干扰效果明显。原因是加入的伪随机特征码给发送信号增加了除了频率外的特征，降低了信号和干扰单音之间的相关性。解调过程中，对数据信道，伪随机特征码通过使干扰单音与发送信号的相位差不断变化，降低干扰单音了对信号的影响；对对偶信道，接收端仅存干扰单音，伪随机特征码通过使干扰单音的相位不断变化，降低干扰单音了对判决量的影响。特征码编码速度低于跳频频带宽度，接收机仍窄带接收单个跳频频点，不会引入带外干扰，因此抗干扰效果好。
与MSFH类似，在一定信干比下，PRC-MSFH存在最佳干扰单音数Qopt使误码率达到最大，即最坏多音干扰，如图7所示，信干比越大，Qopt越小。当干扰功率较小时，干扰方要集中功率在少数单音上，在击中数据信道和对偶信道时实现有效干扰；当干扰功率较大时，干扰方要干扰更多的频点，以更高的概率击中数据信道和对偶信道。
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 (7)
1.一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于，其包括信号发射过程和信号接收过程；利用固定数量的N个跳频序列联合工作，依据待发送数据确定发射信号的跳频序列，发射端以带内扩频的方式将双方已知的伪随机码调制在跳变载波上，增加通信信号的特征，作为区分信号来源的标志，作为数据信道发射信号，接收端利用N个窄带支路并行接收，在每一个接收支路中，用与发射端同步的伪随机特征码，对解跳后的中频信号进行特征解调，区分由发射端而来的通信信号与干扰信号；
所述信号发射过程包括如下步骤：
(1)利用信道编码对二进制用户数据d(t)进行差错控制编码得到待发送序列dc(t)；
(2)将待发送序列dc(t)转换为N进制信号dn(t)；
(3)在序列映射通道，N进制信号dn(t)决定发射信号选择哪个跳频序列，该序列对应的频率经频率合成器合成后，作为跳频载波；
(4)在特征调制通道，对作为特征信息的伪随机特征码c(t)进行2PSK调制，生成特征信号；
(5)特征调制模块输出的特征信号与序列映射通道合成的跳频载波进行混频，完成频谱搬移后，送往射频前端；
(6)射频前端完成带通滤波和功率放大后，通过发射端天线发射；
所述信号接收过程包括如下步骤：
(A)接收端射频前端将从天线接收到的射频信号进行低噪放大、带通滤波、增益控制后，送往N个接收支路；
(B)N个接收支路并行工作，对应N个正交的跳频序列；
对于某一个接收支路，接收端生成的本地跳频序列与发射端保持同步，接收端生成伪随机特征码时利用跳频时钟信息实现同步；
对于每一个接收支路，完成解跳的中频信号经过特征解调后被送往能量检测模块进行平方率非相干能量检测；
(C)在每一个特征解调通道中，用与发射端同步的伪随机特征码c(t)对完成解跳的中频信号进行特征解调，解调后进行窄带滤波滤除干扰信号；
(D)在每一个能量检测模块中，特征解调后的信号经过窄带滤波，进行平方率非相干检测，得到N个检测结果，送往判决模块进行判决；
(E)在判决时，对N个接收支路的能量检测结果进行判决；
(F)将N进制信号dn(t)转换为二进制接收信号序列dc(t)；
(G)对dc(t)进行信道译码。
2.根据权利要求1所述的一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于，步骤(1)中，所述信道编码方式为卷积码、Turbo码或RS码。
3.根据权利要求1所述的一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于，步骤(4)中，所述伪随机特征码c(t)采用m序列等伪随机序列，码速率低于跳频信道带宽，使用时转换为双极性码。
4.根据权利要求1所述的一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于，步骤(E)中，判决方法采用硬判决或结合译码方法进行软判决。
5.根据权利要求4所述的一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于，步骤(E)中，所述硬判决方法为，对N个接收支路，每个接收支路经过平方率非相干检测结果为Ri,(i＝1,...,NS)；设检测结果最大值Rmax＝max{R1,R2,...,RN}＝Ri，Ri对应的子信道i为数据信道。
6.根据权利要求1所述的一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于，伪随机特征码的生成时钟与跳频***同步时钟一致。
7.根据权利要求1所述的一种结合伪随机特征码的多序列联合跳频通信方法，其特征在于：伪随机特征码的码速率低于跳频频点的带宽，接收端可采用窄带接收。
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