专利名称：差分跳频体制频点的多维扩展方法
技术领域：
本发明是关于无线通信领域中，集跳频图案、信息调制与解调等功能于一体的差 分跳频通信，特别是频域多维差分跳频通信的方法。
背景技术：
差分跳频技术是近年出现的一种新型扩频通信技术。差分跳频(DFH)是一个全面 基于数字信号处理的全新概念的通信系统，其技术体制和原理与常规跳频完全不同。在现 有的差分跳频系统中，在发送端，当前时刻的频率值Fn是由上一跳的频率值Flri和当前时刻 的输入信息序列Xn*同来确定的，其跳频规律的一般表达式为Fn = G(FlriJn)式(1)它是影响差分调频系统性能的重要原因之一，式中G( ·)表示一种函数变换关 系，称为频率转移函数，简称G函数。通过上述G函数，发送端采用G函数的非二进制卷积 编码等效模型来产生频率序列，接收端可采用现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理器 (DSP)、专用集成电路(ASIC)等实现傅里叶变换(FFT)算法来进行频率识别。在收端，通过 数字化宽带接收，经FFT分析跳频带宽内的所有信号特征，确定Flri和Fn，由G函数的逆变 换恢复出发送端的数据信息。差分跳频体制是一种异步跳频体制差分跳频的收端无法预先 知道每个时刻的发端频率，只能在工作带宽内进行宽带数字化接收，从这个意义上说，差分 跳频又是异步跳频。由于G函数具备了数据的调制解调功能，差分跳频不需要传统定频或 跳频体制中的基带和中频调制，发端经G函数变换，实现数据与频率之间的“数一频”编码， 收端先对接收到的直接携带信息的射频频率进行有效检测，再经过G函数的逆变换即可恢 复出数据信息，实际上这也是一种调制解调过程。因G函数具备了产生跳频图案的功能。差分跳频体制不需要设置专门的跳频图案 产生器，而在跳频控制和数传过程中经G函数变换后，自动产生了跳频图案，跳频图案直接 受发端数据流和G函数的控制。由于数据流是无法控制的，要提高差分跳频图案的性能，需 要对G函数算法进行深入研究。差分跳频具备了高速数据传输能力。在每跳携带的比特数一定的情况下，跳速越 高，数据传输速率越高；在跳速一定的情况下，每跳携带的比特数越多，数据传输速率也越 高。但是，由于频率正交性、无线电波的群迟延、色散等因素的影响，越高的跳速需要越宽的 频率间隔，占用更多的宝贵的频谱资源。不能无限制使用的频谱资源，以及跳频收发双方硬 件对带宽的限制，使得跳速不能无限制的提高。目前在短波通信领域，仅能实现5000跳的 量级。目前，无线通信频率拥挤的问题十分突出，差分跳频的宽带频率选择十分困难。比 如在短波频段，即使采用频谱监测系统，同时找出64或256个干净的频率点并不容易。无 处不在无线通信信号、雷达信号充斥着地球的各个角落、各个频域。因此，很有必要发展新 的更高频谱利用率的无线通信技术。差分调频与传统的跳频技术不同，差分跳频的频点选择是由上一跳的频率值和当前跳的输入序列来决定的。接收端不能通过当前跳接收到的频率来得到下一跳的频率值， 接收端必须在整个通信的频带范围内做信号的非相关检测。频率转移函数和宽带频率检测 技术是影响差分跳频系统性能的两个关键因素。在离散系统中，M个正交子信道的最佳匹 配滤波可等效为在一个符号周期内做M点FFT变化后检测每个频点的能量值，因此目前的 差分跳频系统的信号检测方式主要是采用FFT变换的方法。由于跳频序列之间的相关性， 差分跳频还可以在非相关检测的基础上，采用针对一定长度的频率序列采用最大似然接收 的方法来纠正一些错误概率。当采用最大似然规则时，差分跳频的误码性能取决于各个合 法频率转移路径之间的最小汉明距离。最小汉明距离越大，选择错误的频率转移路径的可 能性就越小，系统的误码性能就越好。差分跳频通信的最小汉明距离可以由式⑵得到 <formula>formula see original document page 4</formula>式⑵其中N为差分跳频通信系统可用的频率点个数，f为调制系数，亦即下一跳可能的 频率个数，L·」表示向下取整。差分跳频通信系统的通信速率可以表达为<formula>formula see original document page 4</formula>式(3)其中整数，H为每秒钟跳频次数。由此可见，调频速率不变的条件下，要提 高通信速率只能提高差分跳频的调制系数，但是提高调制系数却会降低系统的最小汉明距 离，增加系统的误码概率。
发明内容
本发明目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种能够将差分跳频通信 的一个频率点扩展为由多个频率点组成的频率矢量，能够提高各频率矢量点之间的最小汉 明距离和差分跳频通信速率的差分跳频体制频点的多维扩展方法。本发明实现上述目的技术解决方案是，一种差分跳频体制频点的多维扩展方法， 其特征在于包括如下步骤1)在频域多维扩展的差分跳频通信体制中，差分跳频频率通过由 表示的G函数来产生，式中Xn为当前跳的输入信息序列，巧，^；是由一组频率信号构成的频率矢量，可表示
为巧(q0,n' Ql, η'…Qk, η··· Qm-1, η)，K-I (Qo, η-1 ‘ Ql.n-1'…Qk, η-Γ·· Qm-I, n-i)，其中 m 为频率矢量的 维数，qkn，qk.n-Jk e (0,1,…m-1))为频率变量，且 qto，Qk^ e (f0, f17 …f/·· ，r 为 可供选择的频率数，fj(j e (0,1, -r-1))为可选择的载波频率；跳频的频率点扩展为！·"1 个；2)多个频率与频率变量qkn —一对应，并对频率变量qk做如下频率约束1、基本型频率约束:q0n ≥ Qln qm-!, n> Qon ( qm^-qm-l,n> Qon > Qln > …〉 Ct1,n 和 < Qm ··< Clm-U，使用中任选一种；2、扩展型频率约束交替使用Qtln〉qln〉…〉Qffl-^n与Qtln〈qln〈…〈Q1^jl则， 或者交替使用qQn > Qln >-> l-u与1 < Qm <彳< tu规则；3)在频域多维扩展的差分跳频通信体制中，接收方收到信号后，对信号进行频谱 分析，并依据通信中约定的频率约束关系，找出有效的信号频率fo，…C1，对已收信号 频率按上述频率约束关系，以及G函数的特性进行对频率变量Qtln, qln，…Qnri, n的映射，识另拙巧，再用G函数的反函数凡=cr1^，^；)解算出发送方传递的信息xn。本发明相比于现有技术的具有如下有益效果。1.本发明将现有差分跳频频率转移函数(G函数)在频率域进行多维扩展，使得差 分跳频每一跳发送的频率点由原来的一个频率点扩展为多个频率点，有效利用了 FFT运算 以及现代频率检测算法能对通信频带范围内的多个频率点进行检测的特性，在保证差分跳 频通信的最小汉明距离不变的条件下，提高了差分跳频的通信速率和频谱利用率。2.本发明对差分跳频进行多维扩展后，接收机的硬件架构无需进行改动。使用AD 进行模数转换后，再使用FFT等手段进行信号频谱估计是与传统的差分跳频相同的，不同 的只是跳频图案同步、信号解调的算法。因此，传统的差分跳频接收机可以方便地升级成多 维扩展后的差分跳频接收机。3.发射机部分若按权利要求2中方案设计，则与采用高速射频数模转换(DA)产生 频率信号的传统差分跳频的发射机在硬件上完全相同，可由之升级改造而来，即便重新设 计，成本也相对低廉。4.发射机若按权利要求3中方案设计，由于采用无源功率合成技术，克服了信号 数字合成峰均功率比大的缺点，可以在确保信号质量、不提升发射电源电压的情况下成倍 地提高发射功率。本发明具有能在保持最小汉明距离不变的情况下提高通信速率，或在通信速率不 变的情况下扩大最小汉明距离，并有易于传统差分跳频升级的优点。
图1为二维差分跳频序列示意图。图2为两信道合并跳频点数目变化示意图。图3为接收机模型示意图。图4为频率信号数字合成发射机模型示意图。图5为发射信号无源功率合成发射机模型示意图。
具体实施例方式差分调频与传统的跳频技术不同，差分跳频的频点选择是由上一跳的频率值和当 前跳的输入序列来决定的。接收端不能通过当前跳接收到的频率来得到下一跳的频率值， 接收端必须在整个通信的频带范围内做信号的非相关检测。频率转移函数和宽带频率检测 技术是影响差分跳频系统性能的两个关键因素。由于跳频序列之间的相关性，差分跳频还 可以在非相关检测的基础上，采用针对一定长度的频率序列采用最大似然接收的方法来纠 正一些错误概率。当采用最大似然规则时，差分跳频的误码性能取决于各个合法频率转移 路径之间的最小汉明距离。最小汉明距离越大，选择错误的频率转移路径的可能性就越小， 系统的误码性能就越好。差分跳频通信的最小汉明距离可以由式(4)得到d"=Llog(r)/log(/)」式⑷其中N为差分跳频通信系统可用的频率点个数，f为调制系数，亦即下一跳可能的 频率个数，[_·」表示向下取整。差分跳频通信系统的通信速率可以表达为R = HXlog2f式(5)
其中整数，H为每秒钟跳频次数。由此可见，调频速率不变的条件下，要提高通信速率只能提高差分跳频的调制系数，但是提高调制系数却会降低系统的最小汉明距 离，增加系统的误码概率。在频域多维扩展的差分跳频通信体制中，差分跳频频率通过由叉=G(H)表 示的G函数来产生，式中Xn为当前跳的输入信息序列，巧，》=是由一组频率信号构成的频率矢量，可表示
为K (Qon' Qln'…QkyQm-I, J，K—1 (Qci, η_1，Ql, η_1，…Qk, η-Γ · · Qm-I, n-i)，其中 m 为频率矢量的维 数，qkn，qk.n-Jk e (0,1,…m-1))为频率变量，且 qto，Qk^ e (fQ，斤·· f广· f^)，r 为可供 选择的频率数，e (0,1, -r-1))为可选择的载波频率；跳频的频率点扩展为！·"1个。 巧和f是由多个相互正交的频率构成的频率矢量，通信接收时根据接收到的频率矢量序 列由足=G-1 (巧，巧)求出Xn。多个频率与频率变量qkn —一对应，并对频率变量qk做如下的频率约束1、基本型约束q0n ≥ qln ≥…≥ Q111≤1,n>q0n ( qln qm-i,n>q0n > Qm > — > η和qQn < qln <-< qpu，使用中可任选一种，2、扩展型约束交替使用Qtln≥qln Q11^n与Qtln≤qln≤…≤Qm-1,n则，或 者交替使用Qtln > Qln〉…〉Ct1,n与Clon < Qm々..< n规则。当使用扩展型约束时，经过本发明扩展后的用于跳频通信的频率矢量可以覆盖到 整个频率矢量构成的矢量空间，因此可用于差分跳频的点数扩展为rm个。在保持差分跳频 的跳速和调制系数不变的条件下(即保持差分调频的通信速率不变)，本发明的最小汉明 距离dH = [bg(r“‘)/log(/)J = m[log(r)/log(/)」式(6)由式(6)可以看出，在保持差分调频的通信速率不变的情况下，本发明可以在不 扩展通信频带的条件下，将差分跳频的最小汉明距离提高m倍。在保持差分跳频最小汉明距离不变的条件下，本发明的调制系数可以扩展为原来 的m倍，因此本发明的通信速率可由式(7)求得R = HX log2(mf) = HX Iog2 (f)+HX log2(m)式(7)由式(7)可以看出，在保持差分跳频最小汉明距离不变的条件下，本发明可以在 不扩展通信频带的条件下，将差分调频的通信速率提高HX Iog2 (m) bps,达到提高通信频谱 利用率的目的。多个频率信号可以通过直接频率合成器DDS产生，也可用相位加法器和旋转坐标 计算机CORDIC模块产生；在接收端可用FFT算法或现代频率估计算法对信号频谱进行分 析，检测出巧。在频域多维扩展的差分跳频通信体制中，接收方收到信号后，对信号进行频谱分 析，依据通信中的频率约束找出有效的信号频率fo，…f^，对已收信号频率按频率约束 关系以及G函数的特性进行对频率变量q(l,n，Q1,n,…Q1^n的映射，从而识别出I，再用G函 数的反函数= CT1Oi,]^)解算出发送方传递的信息Xn。在通信发送端，巧采用数字信号处理芯片(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)平台，根据以及Xn按G函数计算产生，m个频率信号在FPGA/DSP内部进行数字叠加，然后 输出给高速射频器数模转换器(DA)转换成相应的模拟波形，并根据需要选择是否进行上 变频，再经宽带线性功放放大后发射。 在通信发送端，巧还可以采用所述的FPGA/DSP平台用频率控制字控制m个直接数 字频率合成器(DDS)产生m个频率信号，根据需要选择是否进行上变频，各自经功放放大后 再进行无源功率合成，然后再经过天线发射。接收端接收到的信号经下变频或者直接送高速AD，进行采样，然后使用FPGA/DSP 进行快速傅立叶变换(FFT)，或者用现代数字频率估计方法对信号进行频谱分析，找出有效 的频率信号，然后进行映射成巧，再根据巧序列完成对Xn的逆向推导。下面结合附图进一步说明本发明图1描述了差分跳频在多维扩展后，可供选择的跳频点的数目将成几何级数增加 的情况。以二维扩展为例，假设其中两个频点分别为(x，y)，其频率变化关系可以由下面的 函数来得到(xn，yn) = G (Xlri，Yn^1，Xn) η = 1，2 …L其中xn e {f0, f17……fr_J，yn e {f0, f17……fr_J，L为通信的序列长度，。为 了便于接收端的解调，可以在两个频率间添加一定的约束关系，例如假设X >y。将(xn， yn)表示在频率为坐标的二维平面上，如图1所示。扩展后的差分跳频系统可用的频率点 有r(r-l)/2个。在同样的跳频速率和同样的通信速率的情况下，可以将最小汉明距离提高 log(r(r-l)/2)/log(r)倍，当 r >> 1 时，log[r(r-D/^/logO·) 2。在同样的最小汉 明距离和通信带宽内，也可以将通信速率提高到原来的两倍。图2用二维的分析方法，分析了两个同等带宽的近邻信道的差分跳频合并前后可 以使用的二维跳频点数，其中两信道传统差分跳频的点数为等效的二维跳频点数。合并前， 每个信道使用r个跳频点，信道0使用的跳频点为0——r，信道1使用的跳频点为r—— 2r-l，两个信道等效的二维跳频点在横条区域，数目为r2个，每跳可传21og2r个bit信息， 与单独计算的总信息量一致。若使用Qtln ( Qln的频率约束，可使使用的二维跳频点在竖条 区域，有2r(r+l)/2个，每跳能传递log2r(2r+l) > 21o&r+l个bit信息。在图3描述的接收机的模型示意图中，模拟前端将从天线接收的信号选取有用的 成分，放大后送给模数转换器(ADC)。模数转换之后，对采集到的数字信号进行FFT运算， 再对信号频谱进行分析、判别，识别出有效的通信频率信号fo，f!……f^ (假定进行m维扩 展)，然后依据识别出的有效的通信频率信号以及上一跳的频率矢量状态I和频率约束推 导出当前跳的频率矢量状态巧。最后再由G函数的反函数推导出发送端当前跳传递的信息 Xn。在这个模型中，从天线到FFT与传统的差分跳频是相同的，不同的只是后端的算法。因 此，使用FPGA或DSP进行算法处理的传统接收机，可以利用其可编程的特性升级改造成多 维扩展后的差分跳频接收机，大大降低系统升级改造的成本。在图4描述的数字合成信号发射机模型示意图中，发送信息序列Xn经G函数变换 后产生频率矢量序列巧。巧的各个频率分量用频率控制字&、f^·· f^控制相应的旋转坐标 计算机(CORDIC)模块CORDIC 0、CORDIC 1…CORDIC m_l计算各自的信号序列cos (fQlT)、 Cos(^lT)-COs(^1IT)0其中T为数据转换周期，1为转换周期记数。将cos^lT)、cos (f\lT)…CosanriIT)相加之后再经DA数模转换产生含有&、&··· f^频率信号的合成模 拟信号，模拟信号由发送模块放大发射。从信号序列Xn至DA之前的模块，全部集成在FPGA 之内。由于各频率信号是由CORDIC计算出序列再经过数字相加而成，所以采用FPGA产生 信号序列的传统差分跳频发射机可以采用更新FPGA算法结构的方法进行升级改造。该实 施方案采用CORDIC运算结构与查找表的DDS结构相比，解决了因FPGA内置的DDS模块查 找表存储深度不够而产生的信号杂散过大的问题。 图5描述的信号无源功率合成发射机模型示意图与图3所示模型不同的地方是G函数产生频率矢量巧,直接输出各个频率控制字&、fV^f^，控制相应的DDS芯片产生相 应的频率信号coM&t) ,COS(^t)…COS (f^t)，再分别进行功率放大，用功率无源合成的方 法进行叠加，然后发射出去。该方案每个频率信号的功率可以做到与传统差分跳频一致，具 有总体发射功率大的优点。由于DDS之前只需要进行G函数的转换，可以使用FPGA或DSP 实现。
权利要求
一种差分跳频体制频点的多维扩展方法，其特征在于包括如下步骤1)在频域多维扩展的差分跳频通信体制中，差分跳频频率通过由表示的G函数来产生，式中Xn为当前跳的输入信息序列，是由一组频率信号构成的频率矢量，可表示为其中m为频率矢量的维数，qkn，qk，n-1(k∈(0，1，...m-1))为频率变量，且qkn，qk，n-1∈(f0，f1，...fr-1)，r为可供选择的频率数，fj(j∈(0，1，...r-1))为可选择的载波频率；跳频的频率点扩展为rm个；2)多个频率与频率变量qkn一一对应，并对频率变量qk做如下约束1、4种基本型频率约束q0n≥q1n≥...≥qm-1，n、q0n≤q1n≤...≤qm-1，n、q0n＞q1n＞...＞qm-1，n和q0n＜q1n＜...＜qm-1，n，使用中任选一种；2、扩展型频率约束交替使用q0n≥q1n≥...≥qm-1，n与q0n≤q1n≤...≤qm-1，n规则，或者交替使用q0n＞q1n＞...＞qm-1，n与q0n＜q1n＜...＜qm-1，n规则；3)在频域多维扩展的差分跳频通信体制中，接收方收到信号后，对信号进行频谱分析，并依据通信中约定的频率约束，找出有效的信号频率f0，f1，...fm-1，对已收信号频率按上述频率约束关系，以及G函数的特性进行对频率变量q0n，q1n，...qm-1，n的映射，识别出再用G函数的反函数解算出发送方传递的信息Xn。FSA00000065709400011.tif,FSA00000065709400012.tif,FSA00000065709400013.tif,FSA00000065709400014.tif,FSA00000065709400015.tif,FSA00000065709400016.tif,FSA00000065709400017.tif
2.如权利要求1所述的差分跳频体制频点的多维扩展方法，其特征在于，所述^；采用 数字信号处理芯片(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)平台，根据^；以及Xn按G函数计 算产生，m个频率信号在FPGA/DSP内部进行数字叠加，然后输出给高速射频器数模转换器 (DA)转换成相应的模拟波形，并根据需要选择是否进行上变频，再经宽带线性功放放大后 发射。
3.如权利要求1所述的差分跳频体制频点的多维扩展方法，其特征在于，所述FPGA/ DSP平台用频率控制字控制m个直接数字频率合成器(DDS)产生m个频率信号，然后根据需 要选择是否进行上变频，各自经功放放大后再进行功率合成，然后发射。
4.如权利要求1所述的差分跳频体制频点的多维扩展方法，其特征在于，接收端接收 到的信号经下变频或者直接送高速数模转换(AD)，进行采样，然后使用FPGA/DSP进行快 速傅立叶变换(FFT)，或者用现代数字频率估计方法对信号进行频谱分析，并依据所述通信 中约定的频率约束方法，找出有效的频率信号，映射成巧，再根据I序列完成对Xn的逆向推 导。
全文摘要
本发明提出的一种差分跳频通信体制的多维扩展方法，将传统的差分跳频从单频信号扩展为由多个频率信号组成的频率矢量，提高差分跳频通信的频谱利用率。本发明通过下述技术方案予以实现在频域多维扩展差分跳频通信体制中，差分跳频频率通过由表示的G函数来产生，其中和为由多个相互正交的频率构成的频率矢量，并对频率变量qk做频率约束，多个频率与频率变量qkn一一对应，接收方依据通信双方的频率约束关系，识别出有效的信号频率f0，f1，…fm-1构成的频率矢量再用G函数的反函数解算出发送方传递的信息Xn。本发明具有能在保持最小汉明距离不变的情况下提高通信速率，易于传统差分跳频升级的优点。
文档编号H04B1/707GK101807942SQ201010128648
公开日2010年8月18日 申请日期2010年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者冉欢欢, 刘建高, 黄自力 申请人:西南技术物理研究所