專利名稱：基于gps的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電信技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體地說，涉及的是一種基于 GPS的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)寬帶化、較強抗預(yù)測和破譯能力及較強抗干擾能力的需求，采取混沌 跳頻技術(shù)的寬帶跳頻系統(tǒng)是一個很好的方案，這種跳頻通訊系統(tǒng)的主要工作原
理在發(fā)送端中，輸入的信碼對頻率為//的載波進行調(diào)制，得到帶寬為&的調(diào)
試信號。對立產(chǎn)生的混沌跳頻序列控制頻率合成器，在不同的時隙內(nèi)輸出頻率 跳變的本征信號。在接收端中，本地跳頻序列控制頻率合成器，使輸出的本征
信號頻率隨發(fā)方頻率相應(yīng)地跳變；跳變的本征信號，對接收到的跳頻信號進行 變頻，將頻率搬回,，實現(xiàn)解跳；解跳后的調(diào)制信號，在本地載波作用下，經(jīng)
解調(diào)后恢復(fù)出信碼。
但接收方如何能夠順利地跟上混沌跳頻信號的頻率變化規(guī)律，同時在同步 過程中使用盡可能少的輔助信息，快速有效地完成寬帶信號的混沌跳頻同步， 并且盡量降低整個跳頻系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度和成本成為一個很迫切需要解決的問 題。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利"一種正交頻分復(fù)用的跳頻同步實現(xiàn) 方法"，專利號200510035709.6，該專利提到跳頻同步的實現(xiàn)方法，但該專利 提出的跳頻同步方法存在以下缺陷(l)同步過程較為復(fù)雜(2)需要修改底層 通訊協(xié)議，實現(xiàn)時較為繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種基于GPS的混沌跳 頻同步實現(xiàn)方法，既能保證跳頻同步機制的可靠性以及跳頻系統(tǒng)較強的抗預(yù)測 能力和抗干擾能力，同時又使用較少的同步輔助信息就可有效并快速完成整個 同步過程而降低系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括以下步驟
第一步，在網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點都增加GPS接收單元，GPS接收單元為網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點 提供全球統(tǒng)一的秒脈沖信號《和時間信息；
第二步，各節(jié)點完成初始化工作后，進行節(jié)點的混沌跳頻，獲取當(dāng)前時間
信息7;并計算出當(dāng)前所處的混沌跳頻周期以及在該周期內(nèi)的時間偏移量Ar;
第三步，各節(jié)點根據(jù)所處的混沌跳頻周期進行解跳，計算出混沌跳頻參數(shù)a 和首次頻率對應(yīng)的函數(shù)值jc。，查詢所對應(yīng)的頻率/。，然后通過時間偏移量Ar以
及每秒更改頻率的次數(shù)，進行追趕計算。當(dāng)節(jié)點完成追趕計算后，將計算結(jié)果 置入本地跳頻序列發(fā)生器，該節(jié)點就開始了進行預(yù)設(shè)的混沌跳頻通訊；
第四步，新結(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，進行第二步、第三步兩個步驟，完成解跳過 程，然后就可以和其余節(jié)點進行正常通訊。
上述第二步中，節(jié)點的混沌跳頻具體為節(jié)點啟動后，都會讀取GPS時間 并根據(jù)該時間計算出混沌跳頻序列的跳頻參數(shù)a以及起始頻率對應(yīng)的函數(shù)值x。。
為了加強整個跳頻系統(tǒng)的抗預(yù)測和抗破解能力，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都會周期性改變 混沌跳頻序列的跳頻參數(shù)a和起始頻率的函數(shù)值;c。，跳頻參數(shù)a和x。通過GPS
的時間信息計算獲得。跳頻序列的迭代公式的表達形式如下所示-
其中a為一個混沌跳頻周期的跳頻序列的初始值，1 為當(dāng)前頻率對應(yīng)的函 數(shù)值，X^為下一跳頻率對應(yīng)的函數(shù)值。節(jié)點根據(jù)X"的值在下一時隙切換到相 應(yīng)頻率/ +1。
上述第三步中，解跳具體為節(jié)點啟動后，讀取出節(jié)點的當(dāng)前時間7;，同
時計算出當(dāng)前混沌跳頻周期的起始時間7;，根據(jù)兩個時間的時間差A(yù)r (7;-7;)、
當(dāng)前混沌跳頻周期的跳頻初始值a和起始頻率的函數(shù)值X。、約定的周期長度C 和跳頻速率&，便可計算出需要迭代多少次后計算出下一個GPS秒脈沖《開始 時的頻率/。該節(jié)點等到下一個GPS秒脈沖《開始后，就可以和網(wǎng)絡(luò)其余節(jié)點
進行相同的混沌跳頻，至此完成了整個跳頻的同步過程。 本發(fā)明中，上述的混沌跳頻周期一般設(shè)定為60秒。
本發(fā)明GPS接收單元為網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點提供全球統(tǒng)一的秒脈沖信號和時間碼；整個網(wǎng)絡(luò)底層使用ZIGBEE無線通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點啟動后，將讀取當(dāng)前的時 間信息，并計算出所處的跳頻周期和該周期內(nèi)的時間偏移量。然后根據(jù)時間偏 移量和約定的跳頻計算公式計算出網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點下一跳的頻率，完成解跳過程。 應(yīng)用該方法可以完成跳頻組網(wǎng)以及跳頻通訊。該方法利用GPS時間作為第三方 時間進行跳頻同步，它免除了傳統(tǒng)跳頻同步方法需要通過多次消息的交互才能 完成跳頻同步，簡化了跳頻同步的過程；并且該方法中使用了混沌跳頻序列， 使整個跳頻系統(tǒng)更加安全可靠。


圖1為本發(fā)明的混沌跳頻系統(tǒng)框圖
圖2為本發(fā)明中讀取GPS實時時鐘的流程圖
圖3為本發(fā)明中主節(jié)點進行混沌跳頻的流程圖
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方 案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的 保護范圍不限于下述的實施例。
如圖1所示，混沌跳頻系統(tǒng)框圖，其中發(fā)送方首先將信碼經(jīng)過載波調(diào)制， 然后GPS接收器提供實時時鐘信息和秒脈沖信號給頻率合成器。頻率合成器根 據(jù)相應(yīng)的信息改變頻率實現(xiàn)跳頻。接收方使用相同的頻率合成器，更改接受的 頻率實現(xiàn)解跳，然后再解調(diào)還原信碼。這樣就完成了一個完整的跳頻收發(fā)過程。
本實施例所涉及的基于GPS的混沌跳頻同步方法，包括以下步驟
(1)在網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點都增加一個GPS接收模塊，該模塊可以提供十分 精確的秒脈沖以及實時時鐘。讀取GPS實時時鐘的流程如圖2所示。由于GPS 接收模塊所提供的實時時鐘是包含在NMEA 0183 (National Marine Electronics Association)語句中，所以首先要對NMEA 0183語句進行解析，考慮到解析語 句需要一段時間，為了保證時間的精確性，當(dāng)前時鐘通過對上一秒解析的時鐘 值計算獲得。同時，NMEA 0183語句是通過串口傳輸?shù)模?dāng)串口收到數(shù)據(jù)會產(chǎn)生 中斷通知MCU讀取RMC數(shù)據(jù)。為了提高串口中斷的工作效率，當(dāng)GPS秒脈沖中 斷到來時開啟串口中斷，當(dāng)解析完函EA 0183語句并獲得實時時間后自動關(guān)閉 中斷。
6(2) 在實現(xiàn)過程中所采用的混沌跳頻機制包括以下內(nèi)容首先假設(shè)底層一 共有N個(N為自然數(shù))可以使用的頻率，為了增加跳頻序列的均勻性，跳頻序
列值通過余玄函數(shù)映射獲得，將映射區(qū)間[-l，O)u(O,l]分割為N個子區(qū)間，分隔 點為4，K ,c/w—!，其中^=一1，《=1;《=-cos(w;r/iV) ， m = 0,1,2,…，iV 。當(dāng) 《《&<《+1， x。對應(yīng)的頻率號為m，對應(yīng)的跳頻頻率為厶；選用的跳頻迭代公 式為jc +1=sin(a/x )，跳頻參數(shù)a的取值范圍設(shè)定為"e(0，+o0)， x 的取值范 圍設(shè)定為[-l,O)u(O，l]。
(3) 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的跳頻通訊流程如圖3所示。各節(jié)點在完成初始化工作后， 計算獲得當(dāng)前時間信息7]、本次跳頻周期的跳頻參數(shù)a和首次頻率對應(yīng)的函數(shù)值
jc。，査詢所對應(yīng)的頻率/。。將每秒分為40個時隙，每個時隙都將改變一次頻率。
再根據(jù)當(dāng)前時間7;計算出本周期內(nèi)的時間偏移量Ar;再根據(jù)各節(jié)點約定的周期
長度C和跳頻速率&，就可以計算出需要追趕多少次便可以得出下一個GPS秒
脈沖或者后幾個GPS秒脈沖開始時的頻率。追趕次數(shù)的計算公式可以表示為 i 二[(7;-7;)。/。Cp&;計算出i 后根據(jù)迭代公式x +1 二sin(a/xj經(jīng)過i 次運算
便可計算出當(dāng)前一秒所對應(yīng)的頻率函數(shù)值。為了減少追趕計算所帶來的時間誤 差，子節(jié)點并不是在下一秒開始就進行混沌跳頻，而是額外運算l/^次得到下 一個GPS秒脈沖開始時的頻率。當(dāng)下一個秒脈沖中斷開始時，子節(jié)點便可以與 網(wǎng)絡(luò)其余節(jié)點進行同步跳頻，并開始接收或發(fā)送后續(xù)的信息命令和數(shù)據(jù)。
本實施例在ZIGBEE無線通訊協(xié)議上進行測試，所使用的GPS接收模塊為 U-BLOX模塊。測試過程中一共使用了 4個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，其中1個為主節(jié)點、3個 子節(jié)點。各個節(jié)點之間都會發(fā)送數(shù)據(jù)測試幀，每個節(jié)點每秒都會向其余3個節(jié) 點發(fā)送一條數(shù)據(jù)測試幀。各節(jié)點跳頻同步時間的測試結(jié)果表明主節(jié)點完成自 組網(wǎng)后，各個子節(jié)點跳頻同步的最長時間不超過6秒，最短時間為3秒。同時 數(shù)據(jù)幀跳頻同步的測試結(jié)果表明各個節(jié)點開始混沌跳頻后，數(shù)據(jù)幀的平均接
收成功率為百分之九十九。各測試結(jié)果表明基于GPS的混沌跳頻同步方法相
對于其他同步方法更加簡便，迅速；另外也能保證通訊過程中數(shù)據(jù)發(fā)送和接收 的高成功率。
權(quán)利要求
1、一種基于GPS的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法，其特征在于包括以下步驟第一步，在網(wǎng)絡(luò)的各節(jié)點都增加GPS接收單元，GPS接收單元為網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點提供全球統(tǒng)一的秒脈沖信號Ps和時間信息；第二步，各節(jié)點完成初始化工作后，進行節(jié)點的混沌跳頻，獲取當(dāng)前時間信息Tl并計算出當(dāng)前所處的混沌跳頻周期以及在該周期內(nèi)的時間偏移量ΔT；第三步，各節(jié)點根據(jù)所處的混沌跳頻周期進行解跳，計算出混沌跳頻參數(shù)a和首次頻率對應(yīng)的函數(shù)值x0，查詢所對應(yīng)的頻率f0，然后通過時間偏移量ΔT以及每秒更改頻率的次數(shù)，進行追趕計算，當(dāng)節(jié)點完成追趕計算后，將計算結(jié)果置入本地跳頻序列發(fā)生器，該節(jié)點就開始了進行預(yù)設(shè)的混沌跳頻通訊；第四步，新結(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，進行第二步、第三步兩個步驟，完成解跳過程，然后就能和其余節(jié)點進行正常通訊。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法，其特征是，第二步中，所述節(jié)點的混沌跳頻，具體為節(jié)點啟動后，讀取GPS時間并根據(jù)該時間計算出混沌跳頻序列的跳頻參數(shù)a 以及起始頻率對應(yīng)的函數(shù)值;c。，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點周期性改變混沌跳頻序列的跳頻 參數(shù)a和起始頻率的函數(shù)值x。，跳頻參數(shù)a和x。通過GPS的時間信息計算獲得， 跳頻序列的迭代公式為Z +1=/(a,X )，其中a為一個混沌跳頻周期的跳頻序 列的初始值，1 為當(dāng)前頻率對應(yīng)的函數(shù)值，1 +1為下一跳頻率對應(yīng)的函數(shù)值， 節(jié)點根據(jù)Z"的值在下一時隙切換到相應(yīng)頻率。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于GPS的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法，其特征是， 第三步中，所述解跳，具體為節(jié)點啟動后，讀取出節(jié)點的當(dāng)前時間7;，同時計算出當(dāng)前混沌跳頻周期的起 始時間7;，根據(jù)兩個時間的時間差A(yù)r (7;-7;)、當(dāng)前混沌跳頻周期的跳頻初始值a和起始頻率的函數(shù)值X。、約定的周期長度C和跳頻速率&，計算出需要迭 代多少次后計算出下一個GPS秒脈沖S開始時的頻率/ ，該節(jié)點等到下一個GPS秒脈沖《開始后，就能和網(wǎng)絡(luò)其余節(jié)點進行相同的混沌跳頻，至此完成了整個跳頻的同步過程。
4、根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于GPS的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法，其 特征是，第二步中，所述混沌跳頻周期設(shè)定為60秒。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種無線數(shù)字通訊技術(shù)領(lǐng)域的基于GPS的混沌跳頻同步實現(xiàn)方法。步驟為GPS接收單元為網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點提供全球統(tǒng)一的秒脈沖信號和時間碼；整個網(wǎng)絡(luò)底層使用ZIGBEE無線通訊協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點啟動后，將讀取當(dāng)前的時間信息，并計算出所處的跳頻周期和該周期內(nèi)的時間偏移量。然后根據(jù)時間偏移量和約定的跳頻計算公式計算出網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點下一跳的頻率，完成解跳過程。本發(fā)明可以完成跳頻組網(wǎng)以及跳頻通訊；利用GPS時間作為第三方時間進行跳頻同步，免除了傳統(tǒng)跳頻同步方法需要通過多次消息的交互才能完成跳頻同步，簡化了跳頻同步的過程；并且使用了混沌跳頻序列，使整個跳頻系統(tǒng)更加安全可靠。
文檔編號H04B1/69GK101552623SQ200910049879
公開日2009年10月7日 申請日期2009年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月23日
發(fā)明者兵 雙, 斌 曹, 李振波, 陳佳品 申請人:上海交通大學(xué)