一种低截获的单载波频域均衡方法与流程

1.本发明涉及无线通信技术领域，特别是指一种低截获的单载波频域均衡方法。


背景技术：

2.通信过程中，通信双方存在着通信被截获的问题，不法分子通过发现识别解译等过程可实现对地空通信的截获，导致信息被不法子获取，从而造成通信的安全问题甚至威胁航空器的安全。
3.现在常用的低截获波形的设计方法主要有：(1)混沌扩频、长码扩频等扩频体制延伸的低截获波形；(2)在时间
‑
尺度域、频域等变换域合成基本波形的变换域通信。
4.现有的低截获波形主要有以下缺点：
5.(1)当前针扩频体制延伸的低截获波形有由于频谱资源的限制通信速率低，无法支持图像、视频、语音等宽带业务的传输；
6.(2)变化域通信系统十分复杂，当前工程实现十分困难。
7.此外，当前常用的高速通信波形主要有：(1)正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)通信波形；(2)单载波频域均衡(single carrier frequency domain equalization，sc
‑
fde)通信波形。
8.当前的宽带波形有以下的缺点：
9.(1)ofdm通信系统的峰均比高，不适合功率受限的宽带通信系统，并且ofdm的循环前缀导致ofdm信号容易被截获。
10.(2)单载波频域均衡通信系统的相同uw序列的存在，导致单载波频域均衡信号容易被截获。
11.可见，当前低截获通信波形无法满足宽带业务的传输需求，且工程实现复杂，而当前的高速波形无法满足低截获的需求。


技术实现要素：

12.有鉴于此，本发明提出一种低截获的单载波频域均衡方法，该方法通过对常规单载波频域均衡的uw序列、组帧方式、信道估计和信道均衡流程进行改进，提高了单载波频域均衡的低截获性能，可以实现高速的低截获波形，适合工程实现。
13.为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：
14.一种低截获的单载波频域均衡方法，包括以下步骤：
15.(1)生成不同的uw序列，将uw序列随机排列成uw序列组，并将uw序列组保存在接收端和发射端；
16.(2)发射端将待传数据分割成等长的数据段，将uw序列组中的uw序列按顺序分配给数据段，每个数据段分配一个uw序列，不同的数据段分配不同的uw序列，数据段与uw序列共同组成数据块；每个数据块中，将uw序列复制成3份，其中，两个uw序列按照时间顺序放在数据段之前，一个uw序列按照时间顺序放在数据段之后；
17.(3)发射端将数据块组帧并发送出去；
18.(4)接收端利用分段匹配滤波快速傅里叶变换的方法进行信号的时域捕获和多普勒估计，根据多普勒估计值对信号进行多普勒频偏的补偿；
19.(5)从多普勒频偏补偿后的信号中获取数据块，对于每个数据块，利用数据块中的前两个uw序列，通过ls信道估计算法进行信道估计，并利用数据块的首尾两端的uw序列，通过mmse信道均衡算法进行信道均衡。
20.进一步的，步骤(1)中，uw序列的长度为2的正整数次幂，并且uw序列的长度除以信号速率的商大于信道的时延；数据段长度加3个uw序列的长度大于2且为2的整数次幂。
21.进一步的，步骤(1)中uw序列通过如下公式产生：
[0022][0023]
式中，n为偶数，k为uw序列的产生序号，j为虚数单位，m的取值范围为q的取值范围为
[0024]
进一步的，步骤(4)中分段匹配滤波快速傅里叶变换方法利用一个滤波器组对信号进行捕获；滤波器组中的每个滤波器的系数分别为每个数据块的前两个uw序列，滤波器组中每个滤波器的长度为两个uw序列的长度。
[0025]
进一步的，接收端和发射端还存在uw序列同步的过程，具体方式如下：
[0026]
接收端和发射端开机后进行时间校准；
[0027]
假设信号的速率为rmbps，传输最大时延为τ，时间统一偏移为t
d
，每一帧长度为l，每帧的数据块个数为k，每x帧变换一次uw序列，则接收端和发射端按照时间进行uw序列的切换。
[0028]
进一步的，步骤(5)中信道估计的具体方式为：
[0029]
接收端根据同步的uw序列获得发射端数据块的前两个uw序列，通过fft变换得到第二个uw序列的fft变换值u
k
(k)，此外，根据接收到的数据块中的前两个uw序列，通过fft变换得到经过信道后第二个uw序列的fft变换值w
k
(k)；由此，得到信道频域的估计值为：
[0030][0031]
信道均衡的具体方式为：
[0032]
假设第k个数据块的待均衡的数据为x
k
(k)，是噪声的方差，是接收数据的方差，是第k个数据块的信道频域估计值的共轭，则mmse均衡结果为：
[0033][0034]
式中，ifft表示逆快速傅里叶变换。
[0035]
本发明的有益效果在于：
[0036]
1、相较于长码扩频的低截获抗多径方法，本发明方法的通信效率远远优于长码扩频通信系统。
[0037]
2、本发明以简单的方法将单载波频域均衡的低截获能力大大提高，该方法简单有效，有利于工程实现。
附图说明
[0038]
图1是本发明实施例中发射端和接收端的信号处理总流程图。
[0039]
图2是本发明实施例中发射端传输帧结构图。
[0040]
图3是本发明实施例中分段匹配滤波器组的示意图。
[0041]
图4是本发明实施例中分段匹配滤波快速傅里叶变换工作原理框图。
[0042]
图5是本发明实施例中接收端信道估计和信道均衡处理示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
[0044]
一种低截获的单载波频域均衡方法，其首先生成长度为2的整数次幂的uw序列，并将待发射数据分割成等长的数据段，保证数据段的长度和三个uw序列长度的和为2的整数次幂；然后将发射端产生的uw序列进行随机排列产生uw序列组，并放到接收端和发射端的存储器；接着取出接收端存储器中的uw序列，每个数据段和三个uw序列组成一个数据块；接收端利用控制器按照时间顺序从uw序列组中取出uw序列，并组成滤波器组；接收端利用分段匹配滤波傅里叶变换的方法进行信号的捕获和多普勒估计；接收端利用uw序列进行信道估计和信道均衡。
[0045]
该方法具体包括以下步骤：
[0046]
(1)生成不同的uw序列，将uw序列随机排列成uw序列组。在收发双方通信前，可利用光纤、红外等方法将这些排列好的uw序列组传输到接收端和发射端的存储器中。
[0047]
(2)发射端将待传数据分割成等长的数据段，将uw序列组中的uw序列按顺序分配给数据段，每个数据段分配一个uw序列，不同的数据段分配不同的uw序列，数据段与uw序列共同组成数据块；每个数据块中，将uw序列复制成3份，其中，两个uw序列按照时间顺序放在数据段之前，一个uw序列按照时间顺序放在数据段之后。
[0048]
(3)发射端将数据块组帧并发送出去。
[0049]
(4)接收端利用分段匹配滤波快速傅里叶变换的方法进行信号的时域捕获和多普勒估计，根据多普勒估计值对信号进行多普勒频偏的补偿。
[0050]
(5)从多普勒频偏补偿后的信号中获取数据块，对于每个数据块，利用数据块中的前两个uw序列，通过ls信道估计算法进行信道估计，并利用数据块的首尾两端的uw序列，通过mmse信道均衡算法进行信道均衡。
[0051]
为了便于执行步骤(5)中的ls信道估计算法，uw序列的长度为2
n
(n是大于等于1的整数)，并且uw序列的长度除以信号速率要大于信道的时延。
[0052]
为了便于执行步骤(5)中的mmse信道均衡算法，数据段长度加3个uw序列的长度为2
n
(n是大于1的整数)。
[0053]
进一步的，步骤(1)中uw序列通过如下公式产生：
[0054][0055]
式中，n为偶数，k为uw序列的产生序号，j为虚数单位，m的取值范围为q的取值范围为通过改变m和q的值，可以生成不同的相关性良好的uw序列。
[0056]
进一步的，步骤(4)中分段匹配滤波快速傅里叶变换方法利用一个滤波器组对信号进行捕获；滤波器组中的每个滤波器的系数分别为每个数据块的前两个uw序列，滤波器组中每个滤波器的长度为两个uw序列的长度。
[0057]
进一步的，接收端和发射端还存在uw序列同步的过程，具体方式如下：
[0058]
接收端和发射端开机后进行时间校准；
[0059]
假设信号的速率为rmbps，传输最大时延为τ，时间统一偏移为t
d
，每一帧长度为l，每帧的数据块个数为k，每x帧变换一次uw序列，则接收端和发射端按照时间进行uw序列的切换。
[0060]
进一步的，步骤(5)中信道估计的具体方式为：
[0061]
接收端根据同步的uw序列获得发射端数据块的前两个uw序列，通过fft变换得到第二个uw序列的fft变换值u
k
(k)，此外，根据接收到的数据块中的前两个uw序列，通过fft变换得到经过信道后第二个uw序列的fft变换值w
k
(k)；由此，得到信道频域的估计值为：
[0062][0063]
信道均衡的具体方式为：
[0064]
假设第k个数据块的待均衡的数据为x
k
(k)，是噪声的方差，是接收数据的方差，是第k个数据块的信道频域估计值的共轭，则mmse均衡结果为：
[0065][0066]
式中，ifft表示逆快速傅里叶变换。
[0067]
以下为一个更具体的例子：
[0068]
一种低截获的单载波频域均衡方法，包括以下步骤：
[0069]
(1)在发射端生成长度为2
n
(n是大于等于1的整数)的uw序列，并将待发射数据分割成等长的数据段，保证数据段的长度和三个uw序列长度的和为2
n
(n是大于1的整数)。
[0070]
(2)将发射端产生的uw序列进行随机排列产生uw序列组，并在收发双方通信前利用光纤、红外等方法将这些排列好的uw序列传输到接收端和发射端的存储器，如图1所示。
[0071]
(3)将接收端存储器中的uw序列按照时间顺序取出并复制三份分配给每个数据段，每个数据段和三个uw序列组成一个数据块，每个数据块的uw序列不同，三个uw序列中的前两个uw序列按照时间先后顺序放在待传数据的前面，最后一个uw序列按照时间顺序放在待传数据的后面，如图2所示。
[0072]
(4)接收端利用控制器按照时间顺序从uw序列组中取出uw序列如图1所示，并按照图3组成滤波器组。发射端和接收端的控制器按照时间变化取出不同的uw序列。
[0073]
(5)接收端利用分段匹配滤波傅里叶变换的方法进行信号的捕获和多普勒估计，其中滤波器组如图3所示，滤波器组的个数k为每帧数据的数据块的个数，然后按照图4的流程图进行分段匹配滤波傅里叶变换的信号处理，得到频率和时间的捕获值，并进行频偏纠正。
[0074]
(6)接收端利用uw序列进行信道估计和信道均衡。具体方式为：
[0075]
(6.1)每个数据块的前两个相同的uw序列进行信道估计，如图5所示的信道估计标出的两个uw序列。本方法利用频域ls信道估计算法进行信道估计。设两个相同的uw序列中后一个uw序列的fft变换之后为u
k
(k)，经过信道的该uw序列的fft变换文w
k
(k)，信道频域的估计值为如下式所示：
[0076][0077]
(6.2)在完成信道估计后，利用数据块首尾两端的uw序列进行信道均衡，如图5所示的信道均衡标出的部分。本方法利用频域mmse信道均衡算法，第k个均衡块待均衡的数据为x
k
(k)，是噪声的方差，是接收数据的方差，是第k个数据块的共轭。mmse均衡结果如下式所示：
[0078][0079]
采用本发明实现的低截获高速抗截获波形具有较好的低截获性能，并且具备较高的传输速率，还具备抗多径和抗多普勒频移特性，能够为低截获高速通信的发展提供可能。
[0080]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
[0081]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。