一种基于认知无线电的跳频通信系统

摘要

本发明提供一种基于认知无线电的跳频通信系统，该系统通过认知无线电对于频谱动态利用的角度来解决传统跳频通信中的抗干扰问题，通过认知无线电频谱感知技术来对跳频频率集中的频点进行动态感知，一旦发现某些频点上有干扰就在跳频中避开这些频点，避免发生因频点干扰而造成的误码现象，因此本发明的跳频通信系统能够及时检测到干扰，探测出频谱空洞。

说明书

技术领域

本发明属于通信技术产品实用领域，尤其涉及一种基于认知无线电的跳频 通信系统。

背景技术

扩频通信，又称为扩展频谱通信，以其独特的抗干扰能力和较宽的工作频 带在军事领域中成为了不可或缺的通信手段，是以香农信息论为基本理论依据 发展而来的现代通信体制，将传输信息的基带信号频谱扩展到更宽的频带上进 行传输，通过伪随机码对待传输信息进行调制，实现频谱扩展；接收端再利用 相应的技术将已扩展的频谱压缩后，从而达到了信息传输的目的，同时保证了 可靠地通信。跳频通信，作为扩频通信方式中的重要类型之一，有较强的抗干 扰，抗衰落和抗截获能力，尤其是以出色的抗单频窄带干扰，抗频率跟踪干扰 能力而倍受青睐。跳频通信是指收发双方的载波频率由伪随机码序列去控制载 波振荡器产生的，使载波随伪随机码的变化而变化。从时域和频域两方面来观 测跳频信号，在时域中，跳频信号是一个多载波频移键控信号；在频域中，跳 频信号是一个在频带上非等间隔按照一定规律跳变的信号。因此，只要敌方不 知道信号的跳变规律，通信内容就很难被截获，即使部分频段被敌方干扰，仍 旧可以在未被干扰的频段上通信。跳频通信与传统通信体制相比有如下特点：

(1)抗干扰尤其是抗窄带干扰能力强，对多径干扰不敏感；

(2)选择性寻址能力强，易于实现CDMA(码分多址)方式进行多址通信；

(3)频谱密度低，对其他通信系统干扰较小，使频谱资源可以重复利用；

(4)保密性能好，信息隐蔽不易被侦破。

因此，跳频通信在现代无线电通信中比传统的通信体制具有更广阔的应用 前景。

在常规跳频通信系统中，跳频序列发生器所产生的载频序列是按照通信双 方事先规定的协议遍历跳频频率集的每一个频点。由于通信时并不对频率集的 频点进行质量分析，如果频点受到了严重干扰，该频点传输的信息难以提取， 造成大量的误码，所以常规跳频也称为“盲跳频”。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种基于认知无线电的跳频通信系统,该跳频 通信系统能够及时检测到干扰，探测出频谱空洞。

本发明的基于认知无线电的跳频通信系统，其包括发射机和接收机；

其中，发射机包括：第一基带处理单元、第一射频处理单元、第一跳频图 案选择单元和反馈信道接收单元；

接收机包括：第二基带处理单元、第二射频处理单元、第二跳频图案选择 单元、频谱感知单元和反馈信道发射单元；

上述各单元之间的连接关系为：

第一基带处理单元与第一射频处理单元连接，第一跳频图案选择单元与反 馈信道接收单元连接，且第一射频处理单元与第一跳频图案选择单元连接；

第二基带处理单元分别与第二射频处理单元和频谱感知单元连接，第二射 频处理单元分别与第二跳频图案选择单元和频谱感知单元连接，频谱感知单元 分别与反馈信道发射单元和第二跳频图案选择单元连接；

第一射频处理单元与第二射频处理单元通过正向信道通信；反馈信道发射 单元与反馈信道接收单元通过反馈信道通信；

其中，跳频通信系统启动，发射机和接收机初始化后以各自的频率进行工 作；

第一基带处理单元，用于对当前信源进行编码、定帧和调制处理，形成基 带调制信号，并将该基带调制信号发送给第一射频处理单元；

第一射频处理单元，用于将基带调制信号进行放大和滤波之后，将其搬移 到发射机的当前频率f上，形成混频信号，并将该混频信号通过正向信道发射 到所述第二射频处理单元；

其中，发射机初始化后第一次进行处理时，当前频率f为发射机的初始跳 频频率f0，从第二次开始，当前频率f为第一跳频图案选择单元发送的跳频频 率；

第二射频处理单元，用于根据接收机的当前频率f’将所述混频信号进行解 跳后发送给第二基带处理单元；

其中，接收机初始化后第一次进行处理时，当前频率f’为接收机的初始跳 频频率f0’，从第二次开始，当前频率f’为第二跳频图案选择单元发送的跳频 频率；

第二基带处理单元，用于对第二射频处理单元解跳后的信号进行解调，以 恢复出发射机需要的同步信息，并将该同步信息发送给频谱感知单元；

频谱感知单元，用于根据所述同步信息对第二跳频图案选择单元中预存的 两套跳频图案的频点进行频谱感知，并将感知结果x分别发送给第二跳频图案 选择单元与反馈信道发射单元；

反馈信道接收单元，用于将反馈信道传输的感知结果x恢复出来并发送给 第一跳频图案选择单元；

第一跳频图案选择单元，用于根据感知结果x选择两套跳频图案中无干扰 的那一个频点作为下一跳的跳频频率f1，并将所述跳频频率f1发送给第一射频 处理单元，作为发射机的当前频率；

第二跳频图案选择单元，用于根据感知结果x选择两套跳频图案中无干扰 的那一个频点作为下一跳的跳频频率f1，并将所述跳频频率f1发送给第二射频 处理单元，作为发射机的当前频率；

第一跳频图案选择单元和第二跳频图案选择单元预存的两套跳频图案是2 组分别有127个频点的跳频序列，且两套跳频图案的同一条频周期内的频点保 持对偶关系。

进一步的，所述频谱感知单元包括：

时钟控制器，用于在接收到第二基带处理单元发送来的同步信息时，控制 当前跳频图案的下一个频点的解跳持续四分之一个跳频周期；

扩频码产生器，根据时钟控制器控制当前跳频图案的下一个频点的解跳持 续四分之一个跳频周期从而产生扩频码；

数字频率合成器DDS，根据扩频码产生当前跳频图案的下一跳的跳频频率；

比较器，用于将当前跳频图案的下一跳的跳频频率与当前工作频率进行混 频处理，并将混频后频率的能量与检测门限值比较，若大于检测门限值，则该 跳频图案中下一跳频点存在干扰，否则不存在干扰；

若当前跳频图案的下一跳的跳频频率存在干扰，则默认另一套跳频图案的 下一跳的跳频频率f2不存在干扰，发射机和接收机以跳频频率f2为下一跳的 频率；若当前跳频图案的下一跳的跳频频率不存在干扰，则不进行跳频，发射 机和接收机仍以跳频频率f1为下一跳的频率。

本发明的有益效果在于：

本专利通过认知无线电对于频谱动态利用的角度来解决传统跳频通信中的 抗干扰问题，通过认知无线电频谱感知技术来对跳频频率集中的频点进行动态 感知，一旦发现某些频点上有干扰就在跳频中避开这些频点，避免发生因频点 干扰而造成的误码现象。

附图说明

图1是本发明的基于认知无线电的跳频通信系统示意图；

图2是本发明的基于认知无线电的跳频通信系统的频谱感知单元示意图；

图3是本发明的基于认知无线电的跳频通信系统的跳频图案选择单元示意 图。

具体实施方式

一种基于认知无线电的跳频通信系统可以用于航天测控，军事保密通信等 领域，实现认知无线电与跳频技术的有机结合。可实现复杂电磁环境下的抗干 扰通信，属于实用创新型产品。本发明设计通信、信号处理、电子、控制等， 属于通信技术产品实用技术领域。

认知无线电的核心思想就是使无线通信设备具有发现“频谱空洞”并对其 合理利用的能力。认知无线电的一个重要前提是频谱感知，频谱感知的目的是 发现频谱空洞，同时不能对主用户造成有害干扰。对频谱空洞的使用，主用户 比认知用户具有更高级别频谱接入优先权。因此，认知用户在利用频谱空洞进 行通信过程中，必须能够快速感知到主用户的再次出现，及时进行频谱切换， 腾出所占用的频段给主用户使用。认知无线电能及时检测到干扰，探测出频谱 空洞。

基于认知无线电的跳频系统是将认知无线电的频谱感知技术应用到跳频系 统中。认知无线电单元发现频谱空洞，及时地避开干扰点，利用检测到的可用 频点进行通信。通过认知无线电单元控制跳频的频率集，来达到通信的目的。 这种设计的思想可以改善无线电台对电磁环境的适应性、增加频谱资源的利用 率、减少电台之间的干扰，从而大大提高跳频系统的性能。

基于认知无线电的跳频通信系统主要由发射机，接收机组成。其中，发射 机包括：第一基带处理单元、第一射频处理单元、第一跳频图案选择单元和反 馈信道接收单元；接收机包括：第二基带处理单元、第二射频处理单元、第二 跳频图案选择单元、频谱感知单元和反馈信道发射单元。

第一跳频图案选择单元和第二跳频图案选择单元是相同的，FPGA内部事先 产生2组分别有127个频点的跳频序列，从而形成两套跳频图案，这两套跳频 图案差异性尽可能的大，而且遍历跳频频率集范围内的频率点，预先储存于第 一跳频图案选择单元和第二跳频图案选择单元中。第一跳频图案选择单元和第 二跳频图案选择单元根据频谱感知结果选择两套跳频图案中的无干扰的那一个 频点作为下一跳的混频频率，进而控制DDS产生相应的频率。

在第二射频处理单元接收机按照与接收到的跳频信号相同规律跳频(但频 率相差一个中频)，控制频率合成器输出。经过混频得到固定中频，完成解跳； 滤波后，对信号进行中频采样，随后，在第二基带处理单元通过FPGA在数字域 利用本地中频载波实现数字解调，得到的结果再进行解码恢复原始信息。而频 谱感知单元则对两套跳频图案的下一跳的两个频点进行频谱感知，并将感知结 果分别发送给第二跳频图案选择单元与反馈信道单元，反馈信道单元将频谱感 知结果经过调制后通过反馈信道反馈给发射机。

通过认知功能，系统可以保证跳频通信始终保持在两套跳频图案中未被干 扰的频率点上进行工作。

其中：

(1)在第一基带处理单元中主要实现对跳频时钟计算，发送消息格式，DPSK 基带调制以及跳频序列的设计与实现的研究。

(2)在第一射频处理单元中主要将基带信号经过放大和滤波，将其搬移到 跳频频率集所在频率上，并将信息发射到正向通信信道中。

(3)在反馈信道接收单元中主要将来自于接收机的频谱感知信息解调并恢 复出来。

(4)第一跳频图案选择单元和第二跳频图案选择单元都是根据频谱感知信 息通过信道与伪码转换器控制DDS产生下一跳的未被干扰的频点的频率。

(5)第二基带处理单元负责DPSK基带解调；载波同步与位同步；跳频同步 等。通过以上几个步骤实现对发射机需要传送的信息码的恢复。

(6)频谱感知单元是整个认知跳频通信系统的核心，它具备独立的解跳和 能量检测功能，在接收机基带处理单元完成同步后，由时钟控制频谱感知单元 提前对下一跳的频点进行解跳，根据能量检测的结果来判断出下一跳使用哪个 跳频图案。

(7)反馈信道发射单元将频谱感知单元感知到的频谱信息通过反馈信道发 送给发射机。

如图1所示，第一基带处理单元对当前信源进行编码、定帧和调制处理， 形成基带调制信号，并将该基带调制信号发送给第一射频处理单元；

第一射频处理单元将基带调制信号进行放大和滤波之后，将其搬移到发射 机的当前频率f上，形成混频信号，并将该混频信号通过正向信道发射到所述 第二射频处理单元；

其中，发射机初始化后第一次进行处理时，当前频率f为发射机的初始跳 频频率f0，从第二次开始，当前频率f为第一跳频图案选择单元发送的跳频频 率；

第二射频处理单元根据接收机的当前频率f’将所述混频信号进行解跳后发 送给第二基带处理单元；

其中，接收机初始化后第一次进行处理时，当前频率f’为接收机的初始跳 频频率f0’，从第二次开始，当前频率f’为第二跳频图案选择单元发送的跳频 频率；

第二基带处理单元对第二射频处理单元解跳后的信号进行解调，以恢复出 发射机需要的同步信息，并将该同步信息发送给频谱感知单元；

频谱感知单元根据所述同步信息对第二跳频图案选择单元中预存的两套跳 频图案的频点进行频谱感知，并将感知结果x分别发送给第二跳频图案选择单 元与反馈信道发射单元；

反馈信道接收单元将反馈信道传输的感知结果x恢复出来并发送给第一跳 频图案选择单元；

第一跳频图案选择单元根据感知结果x选择两套跳频图案中无干扰的那一 个频点作为下一跳的跳频频率f1，并将所述跳频频率f1发送给第一射频处理单 元，作为发射机的当前频率；

第二跳频图案选择单元根据感知结果x选择两套跳频图案中无干扰的那一 个频点作为下一跳的跳频频率f1，并将所述跳频频率f1发送给第二射频处理单 元，作为发射机的当前频率；

第一跳频图案选择单元和第二跳频图案选择单元预存的两套跳频图案是2 组分别有127个频点的跳频序列，且两套跳频图案的同一条频周期内的频点保 持对偶关系。

至此，发射机和接收机均以跳频频率f1为工作频率，当下一个信源输入后， 重复上述工作，根据频谱感知单元的选择两套跳频图案中的无干扰的频点决定 发射机和接收机的工作频率。

如图2所示，如果在跳频频率集内的频点上存在干扰，其在相应频点上的 频域信号的能量会非常大，而感知单元则是一个与接收机解跳相差一个跳频周 期的解跳系统，在接收机接收现在这个跳频周期的信息时，频谱感知单元则对 两个跳频图案中下一跳的两个频点分别进行解跳，其中跳频图案1的下一个频 点的解跳持续四分之一个跳频周期，跳频图案2的下一个频点持续下一个四分 之一跳频周期，而频谱判决则根据能量检测的结果来判断预设的两种跳频图案 下一个跳频周期内两个频点是否存在干扰，如果第一套跳频图案中下一跳频点 不存在干扰，则频谱判决发出二进制号码00，如果第一套图案中下一跳频点存 在干扰则频谱判决发出二进制号码01，如果第二套图案中的下一跳频点存在干 扰则频谱判决发出二进制号码11，如果第二套图案中的下一跳频点不存在干扰 则频谱判决发出二进制号码10，其通过FPGA内部数据线传递给接收机的跳频案 选择器，从而控制DDS生成相应的频率，同时通过反馈信道单元发送给发送机， 由发送机控制发送机跳频图案选择器使得发射机DDS生成相应的频率进行混频， 由于发射机与接收机的DDS产生的频率是一致的，因此可以实现跳频的解跳， 从而使在下一跳的通信中，接收机和发射机都能工作在同一个不受干扰的频率 上。

如图3所示，跳频序列就是决定跳频图案的伪随机序列。跳频序列要求有： 自相关互相关特性好，最小码距大，周期长等。跳频序列通常有m序列，GOLD 序列，M序列，RS序列等。m序列产生方法较为简单，但是序列数量较少；GOLD 序列数量巨大，且具有三值互相关函数；M序列数量较多，但相关性差；RS序 列相关性好，但是需要选择。综合实现所耗费的逻辑资源以及需求，选择产生 较为简单的m序列作为跳频序列，并用对偶频带法实现宽间隔跳频。

在本发明中，跳频序列采用两个周期为127位的m序列(r＝7)，分别驱动2 组频率字使DDS生成2种不同的跳频图案，且每组跳频图案的跳频点数均为127。 每组跳频图案都采用对偶频带法实现宽间隔跳频，既将127个跳频频点分为两 组，低63个频点作为低频组，高63个频点作为高频组，当跳频间隔小于3(即 6MHz)时，跳到对偶频带上去。而且为了避免连续频带干扰导致的两套跳频图案 中的下一跳频点均被干扰，跳频图案1与跳频图案2的同一跳频周期内的频点 应该保持对偶关系，既在同一跳频周期内，如果跳频图案1的工作频点在低频 组则跳频图案2的工作频点在高频组。

频谱感知信息在每一跳频周期会有4种状态中的两种，00代表跳频图案1 的下一跳频点可用，01代表跳频图案1的下一跳频点不可用，10代表跳频图案 2的下一跳频点可用，11表示跳频图案2的下一频点不可用，之后通过信道-伪 码编号转换来控制伪码产生器产生相应的码从而使DDS产生相应的频率，保证 下一跳正向跳频信道工作在无干扰的频点上。

频谱感知结果的4种状态(图案1下一频点可用/不可用，图案2下一频点 可用/不可用)分别用二进制码00、01、10、11表示，经过DPSK调制将频谱感 知结果反馈给发射机，发射机端的反馈信道单元将接收到的反馈信息解调之后 得到图案1和图案2的下一跳频点的状态，进而控制DDS产生没有被干扰的频 点的频率，从而实现无干扰的跳频通信。

反馈信道我们选择远离跳频通信频率集的频段，从而保证反馈信道不会对 正常的跳频通信链路产生干扰，而且也可以使得敌方不容易干扰反馈信道。因 此拟采用2GHz为反馈信道载波频率，反馈信道的传输速率为40kbps。

反馈信道接收单元主要是将接收机发送的频谱感知恢复出来，本设计预备2 种方案，方案1为常规通信模式，其主要功能是将反馈信道接收到的DPSK信号 进行解调，从而得到接收机端的频谱感知信息。

上述两套跳频图案是2组分别有127个频点的跳频序列，预存于第二跳频 图案选择单元中，遍历跳频频率集范围内的频率点，且两套跳频图案的同一条 频周期内的频点保持对偶关系。

本发明使得窄带定频干扰对于本系统完全失效；使得连续频带干扰对本系 统完全失效；实现每秒10000跳的高速跳频系统；对各种干扰信号的检测概率 达到100％，虚警概率不超过1％；频谱切换时间不超过100ms；跳频频率集范围 500Mhz，跳频频点127个。因此可以有效地对抗单频点干扰，多频点干扰，连 续频带干扰。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情 况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但 这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。