CN115149978B - 具有防截获功能的啁啾扩频调制方法、***及介质 - Google Patents

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CN115149978B CN202211076166.2A CN202211076166A CN115149978B CN 115149978 B CN115149978 B CN 115149978B CN 202211076166 A CN202211076166 A CN 202211076166A CN 115149978 B CN115149978 B CN 115149978B
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Abstract

本发明公开了一种具有防截获功能的啁啾扩频调制方法、***及介质，本发明包括将输入的数字比特a j 进行随机化、信道编码和交织处理得到的数字码流中的数字码元进行符号映射；将符号映射得到的数据符号组帧、调制；将调制输出波形中每个采样点的相位引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量以实现相位随机化处理，并以相位随机化处理后的相位生成最终的啁啾扩频调制输出波形。本发明通过在啁啾扩频调制每个数据符号时引入[0,2kπ]内均匀分布的随机初始相位变量，使宽带线性调频信号的频率随机化，使啁啾扩频调制的功率谱密度随参数k增大而减小，达到了调制信号具有低截获概率的目标，解决啁啾扩频调制信号容易被截获的问题。

Description

具有防截获功能的啁啾扩频调制方法、***及介质
技术领域
本发明涉及数字通信领域中数字信号的传输技术，具体涉及一种具有防截获功能的啁啾扩频调制方法、***及介质。
背景技术
扩频调制技术包括直接序列扩频（DSSS）和跳频扩频（FHSS），以及跳时扩频（FTSS）三种扩频技术或者以上扩频技术的结合，用于实现抗干扰通信，经扩频调制后的信号是一种具有低截获概率特征的通信信号。而啁啾（chirp）扩频调制技术与前述扩频调制通信***不同，它是基于宽带线性调频啁啾脉冲来编码调制数据符号，具有对抗多径干扰和免疫多普勒效应的优点。啁啾扩频调制技术主要应用场景为低功耗、低速率无线个人区域网络；基于啁啾扩频调制为基础的LoRa调制解调技术也在物联网中得到广泛应用；但啁啾扩频调制技术因为其线性调频的特点，致使调制信号的功率包络、带宽等保持不变，调制信号的频谱响应较为容易识别，信号容易被截获。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种具有防截获功能的啁啾扩频调制方法、***及介质，本发明在啁啾扩频调制每个数据符号时引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量，使宽带线性调频信号的频率随机化，使啁啾扩频调制的功率谱密度随参数k增大而减小，达到了调制信号具有低截获概率（Low Probability ofIntercept，LPI）的目标，能够解决啁啾扩频调制信号容易被截获的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，包括：
S1，将输入的数字比特a j 进行随机化得到数字比特b j ；
S2，将随机化得到的数字比特b j 进行信道编码和交织处理得到0或1组成的数字码流；
S3，将信道编码和交织处理后得到的数字码流中的数字码元进行符号映射；
S4，将符号映射得到的数据符号组帧；
S5，将组帧后的数据符号进行调制；
S6，将调制输出波形中每个采样点的相位引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量以实现相位随机化处理，并以相位随机化处理后的相位生成最终的啁啾扩频调制输出波形。
可选地，步骤S1中包括：采用线性移位寄存器，按照给定的伪随机序列c j 逐比特对输入的数字比特a j 进行模2加运算得到数字比特b j 以实现随机化处理。
可选地，所述给定的伪随机序列c j 为具有伪随机性的M序列。
可选地，步骤S3包括：将信道编码和交织处理后得到的数字码流中的数字码元按照预设的数量SF个比特为一组进行格雷码编码，映射为取值[0,1,…,m,…,M]的数据符号m，其中M为数据符号的最大取值，且有M = 2 SF -1，每个数据符号的持续时间为T B，其中SF为正整数，表示啁啾扩频调制的扩频因子。
可选地，步骤S4包括将符号映射得到的每一组数据符号作为帧内数据域数据，并在帧内数据域数据前附加前缀符号、帧同步头符号以及频率同步头符号，从而得到一帧组帧后的数据。
可选地，步骤S5包括分别对每一帧组帧后的数据中的前缀符号、帧同步头符号、频率同步头符号、帧内数据域数据分别进行线性频率调制，且对前缀符号、帧同步头符号、帧内数据域数据三者进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性相同，对频率同步头符号进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性与对帧内数据域数据进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性相反。
可选地，所述对前缀符号、帧同步头符号、帧内数据域数据三者进行线性频率调制所采用的频率变化率为正的频率变化率，且调制后的输出波形的函数表达式为：
Figure 822383DEST_PATH_IMAGE001
对频率同步头符号进行线性频率调制所采用的频率变化率为负的频率变化率，且调制后的输出波形的函数表达式为：
Figure 693387DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 831107DEST_PATH_IMAGE003
表示采用的频率变化率为正的频率变化率进行线性频率调制后的输出波形，j为虚数单位，f m (t)为调制符号m时的瞬时频率，t为时间，
Figure 824471DEST_PATH_IMAGE004
为瞬时相位，B为信道带宽，T B 为数据符号周期，m为数据符号的第m个取值的索引，M为数据符号的最大取值，t 1=(M-m)/B，
Figure 782062DEST_PATH_IMAGE005
表示采用的频率变化率为负的频率变化率进行线性频率调制后的输出波形。
可选地，步骤S6中引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量是指针对任意第n个采样点采用线性同余随机数发生器产生[0,2π]内均匀分布的随机相位θ(n)，且以随机相位θ(n)乘以一个权重因子k作为初始相位，生成最终的啁啾扩频调制输出波形的离散时间函数表达式为：
Figure 987916DEST_PATH_IMAGE006
上式中，x m (n)表示任意符号m的第n个采样点最终的啁啾扩频调制输出波形，j为虚数单位，n为采样点序号，M为数据符号的最大取值，k为线性频率调制系数，k取值范围为[0,1]，B为信道带宽，f s为采样频率，参数N 1的计算方式为N 1 = f s (M-m)/B。
此外，本发明还提供一种具有防截获功能的啁啾扩频调制***，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述具有防截获功能的啁啾扩频调制方法的步骤。
此外，本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述具有防截获功能的啁啾扩频调制方法的步骤。
和现有技术相比，本发明具有下述优点：本发明在啁啾扩频调制每个数据符号时引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量，使宽带线性调频信号的频率随机化，使啁啾扩频调制的功率谱密度随参数k增大而减小，达到了调制信号具有低截获概率（LowProbability of Intercept，LPI）的目标，能够解决啁啾扩频调制信号容易被截获的问题。
附图说明
图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。
图2为本发明实施例中组帧时的数据帧结构示意图。
图3为本发明实施例中扩频调制数据符号调制的原理图。
图4为本发明实施例***的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例具有防截获功能的啁啾扩频调制方法包括：
S1，将输入的数字比特a j 进行随机化得到数字比特b j ；
S2，将随机化得到的数字比特b j 进行信道编码和交织处理得到0或1组成的数字码流；
S3，将信道编码和交织处理后得到的数字码流中的数字码元进行符号映射；
S4，将符号映射得到的数据符号组帧；
S5，将组帧后的数据符号进行调制；
S6，将调制输出波形中每个采样点的相位引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量以实现相位随机化处理，并以相位随机化处理后的相位生成最终的啁啾扩频调制输出波形。
步骤S1将输入的数字比特a j 进行随机化得到数字比特b j 可以根据需要采用不同的实现方式。作为一种可选的实施方式，本实施例中，步骤S1包括：采用线性移位寄存器，按照给定的伪随机序列c j 逐比特对输入的数字比特a j 进行模2加运算得到数字比特b j 以实现随机化处理，其函数表达式为：b j =a j ⊕c j 。采用线性移位寄存器实现逐比特处理，可简化随机化处理的方式。给定的伪随机序列c j 可根据需要随机生成。例如作为一种优选的实施方式，本实施例中，给定的伪随机序列c j 选择具有伪随机性的M序列，M序列也称为m-序列，为通过往周期序列中添加白噪声随机值后得到的伪随机序列。
步骤S2用于将随机化得到的数字比特b j 进行信道编码和交织处理得到0或1组成的数字码流。具体地，本实施例为将步骤S1输出的随机数字比特b j 按照k比特一组进行(n,k)循环码编码，将循环码编码器输出的n×8编码比特为一组采用矩阵交织器进行列输入、行输出交织处理后输出数字比特序列e i 。
本实施例中，步骤S3包括：将信道编码和交织处理后得到的数字码流中的数字码元（数字比特序列e i ）按照预设的数量SF个比特为一组进行格雷码编码，映射为取值[0,1,…,m,…，M]的数据符号m，其中M为数据符号的最大取值，且有M = 2 SF -1，每个数据符号的持续时间为T B，其中SF（SpreadingFactor）为正整数，表示啁啾扩频调制的扩频因子。
本实施例中，步骤S4包括将符号映射得到的每一组数据符号作为帧内数据域数据，并在帧内数据域数据前附加前缀符号、帧同步头符号以及频率同步头符号，从而得到一帧组帧后的数据。具体地，如图2所示，本实施例中将步骤S3输出的符号前相继复接N pr个取值为0的前缀符号，2个表示收发机地址标识的帧同步头符号和2.5个取值为0的频率同步头符号后组成一帧数据以用于调制传输。
本实施例中，步骤S5包括分别对每一帧组帧后的数据中的前缀符号、帧同步头符号、频率同步头符号、帧内数据域数据分别进行线性频率调制，且对前缀符号、帧同步头符号、帧内数据域数据三者进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性相同，对频率同步头符号进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性与对帧内数据域数据进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性相反。
作为一种可选的实施方式，本实施例中对前缀符号、帧同步头符号、帧内数据域数据三者进行线性频率调制所采用的频率变化率为正的频率变化率，即：对帧前缀符号和帧同步头采取upchirp调制（频率变化率为正的线性频率调制），且前缀符号为N pr个连续的0，帧同步头为2个描述收发机身份标识的符号，对频率同步头采取downchirp调制（频率变化率为负的线性频率调制），对帧内数据域数据采取upchirp调制。信道带宽固定为B（kHz），并且时间带宽积为TB×B= 2SF，啁啾（chirp）扩频调制的调制过程为，对取值为[0,1,……，M]中的符号m进行upchirp调制。本实施例中，upchirp调制后的输出波形的函数表达式为：
Figure 511301DEST_PATH_IMAGE001
对频率同步头符号进行线性频率调制所采用的频率变化率为负的频率变化率（downchirp调制），且downchirp调制后的输出波形的函数表达式为：
Figure 144408DEST_PATH_IMAGE007
其中，
Figure 386033DEST_PATH_IMAGE008
表示采用的频率变化率为正的频率变化率进行线性频率调制后的输出波形，j为虚数单位，f m (t)为调制符号m时的瞬时频率，t为时间，
Figure 864419DEST_PATH_IMAGE009
为瞬时相位，B为信道带宽，T B 为数据符号周期，m为数据符号的第m个取值的索引，M为数据符号的最大取值，t 1=(M-m)/B，
Figure 507890DEST_PATH_IMAGE010
表示采用的频率变化率为负的频率变化率进行线性频率调制后的输出波形。
若以采样频率f S 对调制波形进行采样，可以得到upchirp调制和downchirp调制信号的离散时间波形分别为：
Figure 311898DEST_PATH_IMAGE011
Figure 40819DEST_PATH_IMAGE012
对啁啾（chirp）扩频调制输出波形
Figure 322896DEST_PATH_IMAGE013
中每个采样点的瞬时相位
Figure 820874DEST_PATH_IMAGE014
，分别与[0,2π]内均匀分布的相位随机变量θ(nT s)权重处理后的初始相位kθ(nT s)相加，实现相位随机化处理，并以此相位和作为复基带信号相位，则可以得到一个数据符号周期T B内的低截获概率啁啾（chirp）扩频调制输出波形x m (nT S)为：
Figure 61362DEST_PATH_IMAGE015
本实施例步骤S6中引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量是指针对任意第n个采样点采用线性同余随机数发生器产生[0,2π]内均匀分布的随机相位θ(n)，且以随机相位θ(n)乘以一个权重因子k作为初始相位，生成最终的啁啾扩频调制输出波形的离散时间函数表达式为：
Figure 12001DEST_PATH_IMAGE006
上式中，x m (n)表示任意符号m的第n个采样点最终的啁啾扩频调制输出波形，j为虚数单位，n为采样点序号，M为数据符号的最大取值，k为线性频率调制系数，k取值范围为[0,1]，B为信道带宽，f s为采样频率，参数N 1的计算方式为N 1 = f s (M-m)/B。如图3所示，图中的[0,P]线性同余随机数发生器是指线性同余随机数发生器在[0,P]范围内生成随机数，且输出的随机数通过“÷P”操作归一化到[0,1]之间，然后通过成立2π映射到[0,2π]内得到随机相位θ(n)，随机相位θ(n)乘以一个权重因子k作为初始相位kθ(n)，即：引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量。对啁啾（chirp）扩频调制为将每一个数据符号m基于频率控制字生成调制符号m的瞬时频率f m (n)，然后与上一时刻的相位累加得到采样点的相位φ m (n)，再与[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量kθ(n)相加，实现相位随机化处理，并以此相位和作为复基带信号相位，则可以得到一个数据符号周期T B内的低截获概率啁啾（chirp）扩频调制输出波形x m (n)。
综上所述，本实施例具有防截获功能的啁啾扩频调制方法在啁啾扩频调制每个数据符号时引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量，使宽带线性调频信号的频率随机化，使啁啾扩频调制的功率谱密度随参数k增大而减小，达到了调制信号具有低截获概率（LowProbability of Intercept，LPI）的目标，能够解决啁啾扩频调制信号容易被截获的问题。
此外，本实施例还提供一种具有防截获功能的啁啾扩频调制***，包括相互连接的微处理器和存储器，所述微处理器被编程或配置以执行所述具有防截获功能的啁啾扩频调制方法的步骤。如图4所示，本实施例中具有防截获功能的啁啾扩频调制***包括：数字码流随机化单元、数字码流信道编码单元、数字码元符号映射单元、数据符号组帧单元以及数据符号调制单元。其中：数字码流随机化单元用于采用线性移位寄存器按照给定的生成多项式g(x)生成的伪随机序列c j 逐比特对输入的数字比特a j 进行模2加运算得到b j =a j ⊕c j 实现随机化处理。数字码流信道编码交织单元用于对数字码流随机化单元输出的数字比特b j 进行信道编码和交织处理。数字码元符号映射单元用于将信道编码交织处理后待传输的0/1数字码流按照SF比特为一组进行格雷码编码映射为取值[0,1,……,M]的数据符号，其中M= 2 SF -1，每个数据符号的持续时间为T B，其中SF（SpreadingFactor）为正整数，表示啁啾（chirp）扩频调制的扩频因子；数据符号组帧单元用于将前述数字码元映射单元输出的符号前相继复接N pr个取值为0的前缀符号，2个表示收发机地址标识的帧同步头符号和2.5个取值为0的频率同步头符号后组成一帧数据送数据符号调制单元调制传输；数据符号调制单元用于对帧前缀符号和帧同步头采取upchirp调制（频率变化率为正的线性频率调制），且前缀符号为N pr个连续的0，帧同步头为2个描述收发机身份标识的符号，对频率同步头采取downchirp调制（频率变化率为负的线性频率调制），对帧内数据域数据采取upchirp调制。
此外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行所述具有防截获功能的啁啾扩频调制方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，包括：
S1，将输入的数字比特a j 进行随机化得到数字比特b j ；
S2，将随机化得到的数字比特b j 进行信道编码和交织处理得到0或1组成的数字码流；
S3，将信道编码和交织处理后得到的数字码流中的数字码元进行符号映射；
S4，将符号映射得到的数据符号组帧；
S5，将组帧后的数据符号进行调制；
S6，将调制输出波形中每个采样点的相位引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量以实现相位随机化处理，并以相位随机化处理后的相位生成最终的啁啾扩频调制输出波形。
2.根据权利要求1所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，步骤S1中包括：采用线性移位寄存器，按照给定的伪随机序列c j 逐比特对输入的数字比特a j 进行模2加运算得到数字比特b j 以实现随机化处理。
3.根据权利要求2所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，所述给定的伪随机序列c j 为具有伪随机性的M序列。
4.根据权利要求1所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，步骤S3包括：将信道编码和交织处理后得到的数字码流中的数字码元按照预设的数量SF个比特为一组进行格雷码编码，映射为取值[0,1,…,m,…,M]的数据符号m，其中M为数据符号的最大取值，且有M = 2 SF -1，每个数据符号的持续时间为T B，其中SF为正整数，表示啁啾扩频调制的扩频因子。
5.根据权利要求1所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，步骤S4包括将符号映射得到的每一组数据符号作为帧内数据域数据，并在帧内数据域数据前附加前缀符号、帧同步头符号以及频率同步头符号，从而得到一帧组帧后的数据。
6.根据权利要求5所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，步骤S5包括分别对每一帧组帧后的数据中的前缀符号、帧同步头符号、频率同步头符号、帧内数据域数据分别进行线性频率调制，且对前缀符号、帧同步头符号、帧内数据域数据三者进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性相同，对频率同步头符号进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性与对帧内数据域数据进行线性频率调制所采用的频率变化率的正负特性相反。
7.根据权利要求6所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，所述对前缀符号、帧同步头符号、帧内数据域数据三者进行线性频率调制所采用的频率变化率为正的频率变化率，且调制后的输出波形的函数表达式为：
Figure 927777DEST_PATH_IMAGE001
对频率同步头符号进行线性频率调制所采用的频率变化率为负的频率变化率，且调制后的输出波形的函数表达式为：
Figure 844917DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 827916DEST_PATH_IMAGE003
表示采用的频率变化率为正的频率变化率进行线性频率调制后的输出波形，j为虚数单位，f m (t)为调制符号m时的瞬时频率，t为时间，
Figure 223126DEST_PATH_IMAGE004
为瞬时相位，B为信道带宽，T B 为数据符号周期，m为数据符号的第m个取值的索引，M为数据符号的最大取值，t 1=(M-m)/B，
Figure 506339DEST_PATH_IMAGE005
表示采用的频率变化率为负的频率变化率进行线性频率调制后的输出波形。
8.根据权利要求7所述的具有防截获功能的啁啾扩频调制方法，其特征在于，步骤S6中引入[0,2kπ]内均匀分布的随机相位变量是指针对任意第n个采样点采用线性同余随机数发生器产生[0,2π]内均匀分布的随机相位θ(n)，且以随机相位θ(n)乘以一个权重因子k作为初始相位，生成最终的啁啾扩频调制输出波形的离散时间函数表达式为：
Figure 328802DEST_PATH_IMAGE006
上式中，x m (n)表示任意符号m的第n个采样点最终的啁啾扩频调制输出波形，j为虚数单位，n为采样点序号，M为数据符号的最大取值，k为线性频率调制系数，k取值范围为[0,1]，B为信道带宽，f s为采样频率，参数N 1的计算方式为N 1 = f s(M-m)/B。
9.一种具有防截获功能的啁啾扩频调制***，包括相互连接的微处理器和存储器，其特征在于，所述微处理器被编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述具有防截获功能的啁啾扩频调制方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序用于被微处理器编程或配置以执行权利要求1～8中任意一项所述具有防截获功能的啁啾扩频调制方法的步骤。
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