专利名称：一种频率-相位联合跳变通信方法
技术领域：
本发明涉及短波跳频电台，属于无线通信的技术领域。
背景技术：
在复杂电磁干扰环境中，特别是存在有源干扰的战场环境，快速跳频已经成为抗干扰、保畅通的主要技术措施。而差分跳频技术集跳频图案、信息调制与解调于一体，具有无干扰扩频、频分复用、减少多径衰落影响和抗干扰等优越性能。目前报道的短波差分跳频电台只利用频率承载信息，数据传输速率偏低。以典型的CHESS系统为例，其跳频速度高达5000跳/秒，其中200跳用于同步与信道探测，4800跳用于数据传输。数据传输速率最低为2. 4kbps。当不使用纠错编码时，扇出系数为4时，数据率可达19. 2kbps。 本发明给出了一种频率-相位联合跳变通信方法，同时利用频率、相位承载信息，可以大大提高跳频电台的数据传输速率。
发明内容
技术问题本发明目的在于提供一种频率-相位联合跳变的通信方法，满足提高跳频电台的数据传输速率的需要。技术方案为实现上述目标，本发明采用如下技术方案利用差分频率跳变和差分相位跳变承载数据，所选择的跳频频率集子载波是正交的，选择频率和相位的算法采用常规的G函数(姚富强，《短波高速跳频CHESS电台G函数算法研究》，电子学报，Vol. 29，No. 5，2001年5月)；在发射端，利用数字合成器产生频率-相位联合跳变信号，经功率放大后输出；在接收端，将射频信号变换到基带以后，经A/D采样、FFT (快速傅立叶变换)后估计跳频集中各子载波的参数，使用非相干检测、最大似然序列检测方法得到跳频前后的频率、相位差，利用逆G函数恢复出传输的数据。所述的通信方法具体为a.将可用的跳频带宽W划分为N个正交子载波F= (F1, F2,…，Fj，每个子载波持续时间为T=N/W，从中选出k个子载波用于频率-相位联合跳变；b.在发射端，将串行数据比特流D={bl，b2，……}，每(k+m)个比特分为一组，c. k为每次频率跳变携带的比特数，Ck=2k为频率扇出系数，k比特数据构成频率跳变控制字Xnk ；d. m为每次相位跳变携带的比特数，C11^ni为相位扇出系数，m比特数据构成相位跳变控制字Xnm ；e.发射输出信号的当前频率Fn、相位Pn分别由频率转移函数Gf(FlriJnk)和相位转移函数 GjPn，XJ 决定；Fn=Gf (Fn_1; Xnk)，Pn=Gp (Pn^1, Xj ；f.频率转移函数Gf (Fn_1; Xnk)按照常规的差分跳频系统G函数设计；g.相位转移函数Gp(P1^Xnm)的构造首先确定可跳变的相位数Np，然后按照类似频率转移函数的构造方法，根据Np和相位扇出系数Cm，设计相位转移函数；
h.发射端输出数据基本单位为帧，它由帧头跳频序列和数据跳频序列构成，帧头跳频序列由伪随机序列组成，用于接收机的帧同步，数据跳频序列用于数据传输；i.发射输出信号为S(t)=E*C0S[2* Ji * (Fn+Fo) *t+Pn]，Fo 为射频载波，E、t 分别为幅度、时间；j.在接收端，接收机频率-相位联合跳变信号，输出的基带信号经过A/D采样后，以时间窗T做滑动FFT，第η个时间窗T输出的k个子载波上的频域值为Ri,,包含了第i个 子载波上的幅度和相位信息；i=l，2，…，k ;k.对得到的序列{Ri, J，应用最大似然序列检测技术，检测出帧头跳频序列，从而完成帧的同步和跟踪；I.在同步完成以后，对接收的跳频数据序列Ri, n应用最大似然序列检测技术，可检测出频率跳变序列{FJ和相位跳变序列{PJ，通过频率转移逆函数Flri)和相位逆转移函数Xnm=G4p(PwPlri)解调输出比特数据(Xn^XJ,从而在接收端恢复出串行数据流D。有益效果本发明提供的频率-相位联合跳变的通信方法，相对通常仅利用频率承载信息的差分跳频方法，还利用相位承载信息，为此可以多传输数据，达到提高跳频电台数据传输速率的目的。
图I为本发明一种频率-相位联合跳变的通信方法的组成框图。其中有串并转换模块10、频率转移函数Gf (Fn_1; Xnk)模块11、相位转移函数Gp(Fn^1, Xnm)模块12、DDS数字直接合成器13、发射机14 ;无线传输信道20 ;并串转换模块
30、频率转移逆函数Gf(Un)模块31、相位转移逆函数Gp1 (Un)模块32、序列检测模块33、FFT模块34、ADC模块35、接收机36。
具体实施例方式本发明一种频率-相位联合跳变的通信方法基于以下模块串并转换模块、频率转移函数Gf(Flri, Xnk)模块、相位转移函数GJFm，XJ模块、DDS直接合成器、射频放大器、接收机、ADC模块、FFT模块、序列检测模块、频率转移逆函数G-1 (Fnj，Fn )模块、相位转移逆函数Gp1 (P114, P11)模块、并串转换模块，其中，所述的串并转换模块，用于将串行数据流转换为k比特和m比特的两路并行数据；所述的频率转移函数Gf(Fn_1; Xnk)模块，用于产生频率跳变控制字；所述的相位转移函数GP(Fn_1; Xnm)模块，用于产生相位跳变控制字；所述的DDS直接合成器，用于产生频率-相位联合跳变信号；所述的放大器，用于放大频率-相位联合跳变信号到适当功率；所述的接收机，用于接收频率-相位联合跳变信号，输出适合ADC模块的模拟信号;所述的ADC模块，用于将接收的模拟信号，经适当变换后输出数字复基带信号；所述的FFT模块，用于计算频率-相位联合跳变信号在各子载波上的信息；
所述的序列检测模块，用于检测频率跳变序列和相位跳变序列；所述的频率转移逆函数GfHt1A)模块，用于恢复频率跳变控制字；所述的相位转移逆函数GplUj模块，用于恢复相位跳变控制字；所述的并串转换模块，用于将两路并行数据转换为串行输出比特流；所述的通信方法不仅利用频率信息承载数据，还利用相位信息承载数据，从而提高数据传输速率。所述的相位转移函数Gp(F1^pXnm)模块传输已知的相位跳变序列，在接收端序列检测模块中，利用这个已知序列提高检测和抗干扰性能。本发明的频率-相位联合跳变的通信方法具体为 a.将可用的跳频带宽W划分为N个正交子载波F= (F1, F2,…，Fj，每个子载波持续时间为T=N/W，从中选出k个子载波用于频率-相位联合跳变；b.在发射端，将串行数据比特流D={bl，b2，……}，每(k+m)个比特分为一组，c. k为每次频率跳变携带的比特数，Ck=2k为频率扇出系数，k比特数据构成频率跳变控制字Xnk ；d. m为每次相位跳变携带的比特数，(^=2°1为相位扇出系数，m比特数据构成相位跳变控制字Xnm ；e.发射输出信号的当前频率Fn、相位Pn分别由频率转移函数Gf(FlriJnk)和相位转移函数 GjPn，XJ 决定；Fn=Gf (Fn_1; Xnk)，Pn=Gp (Pn^1, Xj ；f.频率转移函数Gf (Fn_1; Xnk)按照常规的差分跳频系统G函数设计；g.相位转移函数Gp(Pn^Xmi)的构造首先确定可跳变的相位数Np，然后按照类似频率转移函数的构造方法，根据Np和相位扇出系数Cm，设计相位转移函数；h.发射端输出数据基本单位为帧，它由帧头跳频序列和数据跳频序列构成，帧头跳频序列由伪随机序列组成，用于接收机的帧同步，数据跳频序列用于数据传输；i.发射输出信号为S(t)=E*C0S[2* * (Fn+Fo) *t+Pn]，Fo 为射频载波，E、t 分别为幅度、时间；j.在接收端，接收机频率-相位联合跳变信号，输出的基带信号经过A/D采样后，以时间窗T做滑动FFT，第η个时间窗T输出的k个子载波上的频域值为Ri,,包含了第i个子载波上的幅度和相位信息；i=l，2，…，k ;L对得到的序列{Ri, J，应用最大似然序列检测技术，检测出帧头跳频序列，从而完成帧的同步和跟踪；I.在同步完成以后，对接收的跳频数据序列Ri, n应用最大似然序列检测技术，可检测出频率跳变序列{FJ和相位跳变序列{PJ，通过频率转移逆函数Flri)和相位逆转移函数Xnm=G4p(PwPlri)解调输出比特数据(Xn^XJ,从而在接收端恢复出串行数据流D。图I为实现本发明可采用的组成框图，其信号流程为串行数据D经串并转换模块10后变为k比特和m比特的两路并行数据Xnk、X·。并行数据Xnk进入频率转移函数Gf (Flri, Xnk)模块11，输出频率跳变控制字Fn。并行数据Xnm进入相位转移函数Gp (Fn+ Xnm)模块12，输出相位跳变控制字Pn。Fn和Pn控制DDS数字直接合成器13产生频率-相位联合跳变信号，该信号经放大器11输出发射信号S(t)。
发射信号S (t)经过无线传输信道20后输出为R(t)。接收机36和ADC模块35完成将信号R(t)适当变换后输出数字复基带信号。该信号经FFT模块34在k个子载波上输出值i，i=l, 2，…，k。序列检测模块33缓存每次跳频输出的iin，并对多次跳频输出的R构成的序列进行最大似然序列检测，输出频率跳变控制字估计值F和相位跳变控制字估计值。经频率转移逆函数模块31解调输出k比特数据。经相位转移逆函数Gpi(Un)模块32解调输出m比特数据。(k+m)比特并行数据经并串转换模块30输出串行数据流0。依据本发明的一个实施例如图I所示，设计每次频率-相位联合跳变传输4比特数据。串并转换模块10将串行比特流变为2个2比特的并行数据。频率转移函数Gf (Fn_i，Xnk)模块11采用具有系统卷积码结构的G函数(《差分跳频的等效卷积码分析》，杨保峰，吉林大学学报(信息科学版)，2006年10月)。相位转移函数GJFm，XJ模块12采用类似结构的G函数。DDS数字直接合成器模块13采用ADI公司的芯片AD9957产生频率-相位联 合跳变信号，放大器模块11采用普通射频功率放大器。无线传输信道20为短波信道，接收机36采用常规的超外差接收机。ADC模块35采用ADI公司的芯片AD6655，完成将信号中频/基带信号变换为数字复基带信号功能。FFT模块34由(FPGA+DSP)构成，实现512点FFT。选择FFT输出中属于跳频子集的k个子载波上的值R n输出(i=l，2，…，k)。序列检测模块33缓存每跳输出的疲ιη ,并对多跳输出的{i,.J进行最大似然序列检测，输出频率跳变控制字估计值1和相位跳变控制字估计值I。频率转移逆函数和^上)模块3I根据{之}解调输出2比特数据。相位转移逆函数Gp1^jn)模块32根据 #η}解调输出2比特数据。并串转换模块30将4比特并行数据转换为串行数据流O。在所述实施例中，采用本发明的频率-相位联合跳变通信方法，可以实现跳频带宽2. 56MHz ;频点数64个；跳速:5000跳/秒；每跳持续时间:200 μ s ;每跳比特数4bit (其中频率每跳承载2比特，相位每跳承载2比特)；帧结构1000跳/帧，其中31跳为帧头，969跳为数据信息；理论最大串行数据传输率19. 38kbps。相比普通仅利用频率信息的跳频通信方法，在同等条件下采用本发明所述的方法，每跳可以多传输2bit，数据传输速率是原来的两倍。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的保护范围并不局限与这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其他各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本发明的保护范围仅由所附权利要求为准。
权利要求
1.一种频率-相位联合跳变的通信方法，其特征在于所述的通信方法，利用差分频率跳变和差分相位跳变承载数据，所选择的跳频频率集子载波是正交的，选择频率和相位的算法采用常规的G函数；在发射端，利用数字合成器产生频率-相位联合跳变信号，经功率放大后输出；在接收端，将射频信号变换到基带以后，经A/D采样、FFT后估计跳频集中各子载波的参数，使用非相干检测、最大似然序列检测方法得到跳频前后的频率、相位差，利用逆G函数恢复出传输的数据。
2.如权利要求I所述的频率-相位联合跳变的通信方法，其特征在于所述的通信方法具体为 a.将可用的跳频带宽W划分为N个正交子载波F=(F1, F2,…，FN}，每个子载波持续时间为T=N/W，从中选出k个子载波用于频率-相位联合跳变； b.在发射端，将串行数据比特流D={bl，b2，……}，每(k+m)个比特分为一组， c.k为每次频率跳变携带的比特数，Ck=2k为频率扇出系数，k比特数据构成频率跳变控制字Xnk; d.m为每次相位跳变携带的比特数，(^=2°1为相位扇出系数，m比特数据构成相位跳变控制字Xnm ； e.发射输出信号的当前频率Fn、相位Pn分别由频率转移函数Gf(FlriJnk)和相位转移函数 Gp (Plri，XJ 决定；Fn=Gf (Fn_1; Xnk)，Pn=Gp (Plri，Xj ； f.频率转移函数Gf(Fn^Xnk)按照常规的差分跳频系统G函数设计； g.相位转移函数Gp(PnIXnm)的构造首先确定可跳变的相位数Np，然后按照类似频率转移函数的构造方法，根据Np和相位扇出系数Cm，设计相位转移函数； h.发射端输出数据基本单位为帧,它由帧头跳频序列和数据跳频序列构成,帧头跳频序列由伪随机序列组成，用于接收机的帧同步，数据跳频序列用于数据传输； i.发射输出信号为S(t) =E^COS [2* π *(Fn+Fo)*t+Pn]，Fo为射频载波，E、t分别为幅度、时间； j.在接收端，接收机频率-相位联合跳变信号，输出的基带信号经过A/D采样后，以时间窗T做滑动FFT，第η个时间窗T输出的k个子载波上的频域值为Ri,包含了第i个子载波上的幅度和相位信息；i=l，2，…，k ; k.对得到的序列队J，应用最大似然序列检测技术，检测出帧头跳频序列，从而完成帧的同步和跟踪； I.在同步完成以后，对接收的跳频数据序列Ri,n应用最大似然序列检测技术，可检测出频率跳变序列{FJ和相位跳变序列{PJ，通过频率转移逆函数Xnk=G^(FwFlri)和相位逆转移函数Xrai=G4p(PwPlri)解调输出比特数据(Xn^Xnm),从而在接收端恢复出串行数据流D。
全文摘要
本发明公开了一种频率-相位联合跳变的通信方法，包括串并转换模块、频率转移函数Gf(Fn-1，Xnk)模块、相位转移函数GP(Fn-1,Xnm)模块、DDS直接合成器、放大器、接收机、ADC模块、FFT模块、序列检测模块、频率转移逆函数模块、相位转移逆函数模块、并串转换模块。此外，本发明相应公开了一种频率-相位联合跳变通信方法，它区别于常规的差分跳频通信技术，它不仅利用频率信息承载数据，还利用相位信息承载数据，从而提高了数据传输率。当相位转移函数GP(Fn-1，Xnm)模块传输已知的相位跳变序列，在接收端可利用这个已知序列提高检测和抗干扰性能。
文档编号H04B1/713GK102957451SQ20121045696
公开日2013年3月6日 申请日期2012年11月14日 优先权日2012年11月14日
发明者杜永强, 尤肖虎, 黄鹤, 赵春明, 蒋良成, 张华 , 傅学群 申请人:东南大学