（信号与信息处理专业论文）基于时频分布的跳频信号参数检测方法研究.pdf

摘妥 跳频通信系统困其出色的挽干貔、抗截获积抗人为阻塞能力，在当慈攀事通 信研究领域得到了广泛应用。对于通信的干扰方来说，如何快速获得跳频系统的 簿频信惑，鞋对酸方系统谶行有散干抗，成为现今研究的重点。 奉论文钎对蹴频系统豹信号褥桩，袋埔基于短时傅立时变换( s h t ) 和 w i g n e r - v i l e 分砖i ( w v d ) 的时频分援工其，黠掣频壤母的瓣对凝率逃行梭溪l 继 计，逶避镑真结祭对比了s t f t 零lw v d 嚣季孛分摄王其酶优劣；蒡采莠：l 平港赞 w v d 变换( s p w v d ) 求代替直接的w v d 变换，以减少交叉项千扰。 在鞍低信噪院条件下，经过s p w v d 变换后信号能辍将偏离馕号的孵时频率 所在处，给频率估计带来有偏误差。本论文通过采用重复的s p w v d 峰值梭测方 法毒效蟪减少了臻号中麴磬 粕啜声，锭瓣时频率缒髅计误差鞠显藏小；粳撼 s p w v d 变换舞酌峰值，我翻也哥毅然诗戡躔频售学静虢溺期菠躐频逮攀。 本论文针对s p w v d 变换的特性，也对窗函数的选择以及窗酾数长度对跳频 信号旗计性能的影响作了洋捆分板和仿真。 关键字：雾鬏，怒簿蒋盎 h 交换( s t f t ) ，w i g n e r - v i l e 分r 布( w v d ) ，平滑镑 w v d ( s p w v d ) ，峰值检测 a b s t r a c t f r e q u e n c y h o p p i n gs y s t e m ，w h i c hh a se x c e l l e n t a n t i - i n t e r f e r e n c ea n d a n t i - i n t e r c e p t i o nc a p a c i t y , h a sc a u s e dg r e a ta t t e n t i o ni nt h er e s e a r c hf i e l do fm i l i t a r y c o m m u n i c a t i o n f o rt h eo p p o s i t i o n ，h o wt og e tt h ep a r a m e t e ro ft h ef hs i g n a li na s h o r tt i m ei se s s e n t i a lt oi n t e r f e r e n c e an e wa n a l y s i so ff hs e q u e n c eb a s e do nt i m e f r e q u e n c yp r e s e n t a t i o ni s p r o p o s e di n t h i sp a p e f _ c o m p a r ew i t hs h o r tt i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( s t f t ) ， w i g n e r - v i l ed i s t r i b u t i o nh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nt h ef i e l do ff hs i g n a le s t i m a t i o n i na d d i t i o n ，t h es m o o t hp s e u d ow i g n e r - v i l ed i s t r i b u t i o n ，i n s t e a do ft h ed i r e c tw v d ， c o u l dr e d u c eo rr e m o v e 也ec r o s s - t e r m si l i t e r f e l e i nt h el o w e rs n rs i t u a t i o n ，t h em e t h o di sb i a s e dw h e nt h ep e a ko ft h e s p w v di su s e dt oe s t i m a t et h es i g n a l si n s t a n t a n e o u sf r e q u e n c y b yt i m e 厅e q u e n c y p e a kf i l t e r i n gr e p e a t e d l y , t h ea d d i t i v en o i s ea n d t h eb i a so f e s t i m a t i o nv a l u ew o u l db e r e d u c e d t h es m o o t hp s e u d ow v dw i n d o wl e n g t hh a sag r e a te f f e c to nt h ee s t i m a t e p e r f o r m a n c e h o wt oc h o o s et h ew i n d o wl e n g t ha n ds h a p ei sa l s oc o n s i d e r e di nt h i s p a p e l k e yw o r d s ：f r e q u e n c yh o p p i n g ，s h o r t t i m ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( s t f t ) ， w i g n e r - v i l ed i s t r i b u t i o n , s m o o t hp s e u d ow v d ，t i m e f r e q u e n c yp e a kf i l t e d n g 两北1 业火学碗十学位论文 第一一章绪沦 第一章绪论 本论文以时频分辑为理论基础，通过对跳频系统的磅究，堂葱分搬了弹s 频系 统参数估计的方法及其性能。 1 1 矫究鹜豢及意义 现代凌争黄先楚壤予援，谯在电子战巾鼗褥霞势，藏套在蔽争中者褥毙辊。 而失去电子战优势的一方，在战争中将很难取得胜利，这是蹦为如果在电子战中 处予劣势，将冒毙导致逶信中竣、指挥失是、部驮失控及情擞泄密等攀搏发生， 这在战争史上不乏其例。由此，电子对抗技术，也朝干扰和反干扰技术，成为了 各国政府大力 i i f 究的煎点。 扩频通蘩蹩现代通信静一个整要分支稿发震方囱，由于扩频技术蘩有抗干拣 能力强、截获率低、多址能力强、保密及测距能力能一系列的优点，使得扩展频 落技术越来越受到入稍燕援，隧簧大筑摸、超丈筑骥寨戒电路技本、撇电子技零 的发展以及些新型器件的广溅使用，扩频通信的发展迈上了一个新阶段。作为 通信中的干扰方来说，对通信信号实施存效豹于捷j e 变得越来越困难，因而，寻 找切实可行的算法藕设计，以对敌方信号进行准确祷效的干抗，成为军事透信串 重臻的研究方向。 1 1 1 干扰与抗干扰 通信系统中遇到的干扰可分为两类；人为干撬鞠非入为干挠。太为干扰跫一 种故意干扰，意在对敌方的通信实旆干扰，达到破坏对方通信的目的。非人为千 魏燕一舞 敦意于我，大多来爨鑫然募静干扰，妇天电子撬、噪声等，这些干扰 是释观存在的，非故意的。由于非人为干扰是客观存在的，对其只能消弱，不能 消滁。对于人为干扰，通常可以溃豫或淡弱。在通馈系统中，要对抗的通常都是 敌意的人为干扰。人为干扰包括： ( 1 ) 单频干扰，或称为圈频干扰。这种干扰的干扰频率，j 正好对准对方的 遁稿频率最，静= 不，形或嗣频干撬。 p q 北i 业大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 窄带干扰。这种干扰的干扰频率正对准对方的通信频率厂、，干扰信号 的频带很窄，可以和有用信号频带相比拟。这样，干扰信号的能量可以全部或大 部落入信号的频带内，从而对有用信号形成干扰。 ( 3 ) f 弦脉冲干扰。这类干扰类似于单频干扰，不同点在于其发送是以脉冲 形式发送，其峰值功率较强。 ( 4 ) 跟踪式干扰。由一个频率跟踪系统和干扰机组成，先测定通信频率，然 后将干扰机干扰信号频率对准通信频率进行干扰。 ( 5 ) 中继转发式干扰。这种干扰首先把有用信号接收下来，在经过放大和噪 声污染后发送出去，从而对有用信号实施干扰。 ( 6 ) 宽带阻塞式干扰。这种干扰是在整个信号的通信频带内施放很强的干扰 信号，其干扰频率与带宽成正比，使通信一方在整个通信频带内都无法保证正常 的通信。 在通信对抗中，一方要破坏对方的有效通信，而另一方则要尽力摆脱对方的 干扰，保障自己的通信畅通无阻。干扰和抗干扰技术在这种对抗中得以发展。最 早的干扰采用采用单频干扰，当通信一方受到此干扰时，只好改变通信频率来躲 避这种干扰。当干扰一方发现干扰无效后，也随之改变干扰频率，使干扰频率重 新对准通信频率，再次实施干扰。后来，随着通信频率数的增加，通信方可以不 断的改变频率，干扰一方就采用跟踪式干扰方式，对通信方进行干扰。 扩频技术的出现，使通信对抗发展到了一个新的水平。通信方式采用扩频中 的跳频方式，其频率在不断的，随机的跳变，加大了干扰的难度。干扰方采用转 发式干扰，通过将跳频信号接收下来，再经过加噪和放大后转发出去，对跳频信 号实施干扰。对付这种转发式干扰，通常做法是提高跳频速率，使之达到转发式 干扰无法干扰的程度。对付上述的反对抗措施之一，是采用宽带阻塞式干扰，但 这种干扰由于频带很宽，所需的干扰功率较大，使用比较困难。 由此可见，通信对抗和反对抗将在互相对抗中得到不断的发展和提高，对抗 将更加激烈，并且对抗双方也将在对抗中得到进一步的发展和完善。 当前的抗干扰技术主要有以下几种： ( 1 ) 扩展频谱技术。通过提高发送信号的冗余度来降低进入解调器的干扰功 率来达到抗干扰的目的，已被广泛地应用于军事通信和民用通信中。 ( 2 ) 加密技术。采用信息加密技术，防止传送的信息被敌方截获、窃听，在 保密通信中是一个常用的技术。 ( 3 ) 猝发通信方式。这种通信方式是指在非常短的时间内，将要发送的信息 发送出去，其它时闻处下静止状态，发射时问具有很大的随机性，使十扰 j l # e 难 眄北1 业大学硕士学位论文第一章绪论 捕捉到这种猝发信号，因而具有很强的抗干扰能力。 ( 4 ) 天线零相技术。指将天线方向图的零点对准干扰机，而将主瓣对准发射 机，这样，可使接收机既能接收到有用信号，又可将干扰信号大大衰减，从而达 到抗干扰目的。 ( 5 ) 分集技术。分集技术包括空问分集，频率分集，角度分集，极化分集等， 采用分集技术，可改善系统性能，提高系统抗干扰能力。 1 1 2 扩展频谱技术 扩展频谱通信技术是从现代通信的一个重要分支和发展方向，它是指发送的 信息被展宽到一个很宽的频带上，这一频带比要发送的信息带宽宽得多。在接 收端通过相关接收，从而将信号恢复到信息带宽的一种系统。扩频技术因其具 有抗干扰能力强，截获率高，多址能力强等一系列的优点，已越来越受到人们的 重视。 采用扩频技术的典型抗干扰体制主要有跳频体制( f h ) 、直接序列扩频体制 ( d s ) 、跳时体制( t h ) 、扩跳结合的混合体制及其改进型。直接序列扩频就是 用比信息速率高很多倍的伪随机噪声码与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频 是使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断 发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随机的。另外，线性调频( c h i r p ) 也 属于扩频技术，主要用于雷达通信，也用于短波通信。 扩频系统的理论基础源于s h a n n o n 定理：在高斯白噪声干扰条件下，通信系 统的极限传输速率( 或称信道容量) 为 c = b l o g ( 1 + ( 1 - 1 ) 式中 b 一信号带宽； s 一信号平均功率； n 一噪声功率。 由s h a n n o n 公式可以看出： ( 1 ) 要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的方 法可以通过增加传输带宽b ，或增加信噪比s n 来实现。由公式可知，b 与c 成 丁f 比，而c 与s n 呈对数关系，因此，增加b 比增加s n 更有效。 ( 2 ) 信道容量c 为常数时，带宽b 与信噪比s n 可以互换。即可以通过增 加带宽b 来降低系统对信噪比s n 的要求；也可以通过增加信号功率，降低信 号的带宽。如果增加频带宽度，就可以在较低的信噪比的情况下用相同的信息率 童：! ：塞銮兰竺圭塞丝鎏圣 霪：茎篁篓 以任意小的差错概率来传输信息。甚歪在信号被噪音湮没的情况下，只要相应地 增加信号带宽，也艟保持可靠地通信。这一公式指明了絮瘸扩展频谱信号进行通 信的优越性，即用扩展频谱的方法班换取信嘹比上的好处。 。3 绩号游频分耩王兵 扩展频谱技术提高了通信系统的抗干扰力，藤 譬海干扰方来说，准确、快 速的检测到通信储号的时频特性，是对敌方倍母进行跟踪式干扰或转发式干扰豹 重要前提。传统的信号分析方法是采用傅立叶变换对信号进行频域分析，然而， 簿立跨分掰方法哭箍表示掇信号麴整俸频率构成，只逢用于乎稳信号。辩予菲平 稳信号的分析，常常需要反映出信号频率分量随时间的变化关系。同时利用时间 孝鞋频率鼹个参数米攒述锫鼍蛇变化关系有助予对j 平稳售号鲍分静享积了辩，这也 是信号的时频联合分布方法被提出和发展的动力所在。通常的时频分析方法有以 下几种： ( 1 ，短对簿立时交换( s t f t ) 。邂遘对嚣平稳信号s ( 0 避费翱窑处理，使之 在窗函数内近似为平稳信号，然后进行傅立叶分析。 2 ) 小渡变羧。其寿多势辨搴分撰的特点，薅量褒对颤两城都其毒表鬣壤号 局部特征的能力，是一种形状可以焚化、时间窗和频率衡都可以改变的时频局部 化分析方法。 ( 3 ) 二次型对频表示，如w i g n e r - v i e 分布。其青撮强静辩颇聚集蕊，僵由 于属于j # 线性的二次型分布，不可避免的带来了交叉项干扰。 1 2 国内外研究现状 由于扩频通信在抗干扰方面其柯的独特优秘，其已经被广泛应用在军事通信 和民用避信中，并在今后相当长的一段时期内，仍将是避信中主要的抗干扰体制。 因此，程电子对揽中，对女“频信号豹子抗技术骈究褥燕一个重要酌谍题。 国外在上世纪5 0 年代中期开始对扩频通信进行研究。首先是对军事通信、 空翘探测霹蔓整谈襄等方程遴葶亍瘟蠲扩频遥德方式静礤究。秘年代鞋采，民用 通信的频带拥挤闷益突出，随着信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的 发展，扩频通信融军事向民用方晦发展，扩频透信理论、方法和技术等蚤方露的 研究和廊用得到了迅速的发展。现代电子战静广泛应用，加速了备酮对这种具有 很强抗干扰能力的新型通倍方式的研究。到8 0 年代，它已经广“泛应用于择种战 姐驰：t 、犬学硕士学位论文 第一章缝论 略和战术通信中，成为电予战中通信反对抗的一种十分重要韵手段。 7 0 年代跳频( f h ) 投术在战术电台中得到成功的应用，圜外军方在地面区 域性硪苷稠静电台中主要采糟虢频系统。7 0 年代最先开发v h f 波段 ( 3 0 3 0 0 m h z ) 的低端，即3 0 8 8 m h z ，后来又拓展到u h f 波段( 3 0 0 m h z 以上) 霸h f 波段( 1 。5 - 3 0 m h z ) 。8 0 、9 0 年代美嚣空军为遴一步适艘奄子战环凌的需 要，陆续发展了爨为先进的机载短波电台，如a n a r c l 2 6 ，跳频速率已选到1 0 0 0 跳秒，有良好的数传功能，并将g p s 接收枧嵌入电台，利用g p s 提供的时闻标 准保障快速躐颓需要的快速同步。尽管当时毂接序列扩频( d s ) 、d s f h 混合扩 频等抗干扰技术融达到实用阶段，但美空军方仍把提高跳频速率作为提高抗干扰 筢力的圭要手段。到g 年戎寒，实翔的蘸术蹒频电台懿凡静童要技术撵褥基本 为：在h f 波段跳速为1 0 - 7 5 跳，秒，跳频带宽为1 0 0 - 4 0 0 k h z ，数据率为2 4 0 0 b i t s 。 联会战术信息分发系缆( j t i d s ) 是1 9 7 4 年开始耩划的美黉三军联台馊塌鲍 防御发餍计划，它是集通信、导航、识别等功能于一体的综合系统。i t i d s 能提 供保密、抗干扰相实时数字通信，包括空中交通管制和协同电子战。j t i d s 采用 时分多旃豹壹接薄列扩颓帮魏颤混合薄裁懿_ 扩频技术，它静壹接序列鹞长3 2 位， 采用伪码；跳频在9 6 0 1 2 1 5 m h z 频段内，共有5 1 个频点，跳频遘率不小于7 6 9 2 3 跳渺 3 l 。 国内从7 0 年代开始进行扩频通信方面的研究。现在已经在直扩、跳频方面 有了较深的理论研究。如对扩频序列，跳频嘲案、短波自适应跳频技术等方面进 行了研究。 为了应对越辩乏越高的跳频速率和越来越宽的跳频带宽，电子战的干扰方必须 熊够俊速酶技孬馕号捡鞠，戬对敌方傣号遴簿鞭踩、于撬。隧整数字售弩照理技 术的发展和超大舰模集成系统的应用，通过寻找准确商效的信号检测方法，干扰 方完全w 以对跳频信号进行有效干扰。可以预计；电子对抗中的干扰和反干扰， 仍将继续持续下去，并将成为促进技术发展的动力。 3 本论文生要肉餮 瓣懿频售号懿瓣时频率进行快速准确懿捡测，蹩褰效实薤瞧予于拣黪裱涯。 山于跳频信号是媳型的非平稳信号，传统的傅立叶分析方法不能有效的表示信号 鲍频率辫变与时间之间的变化关系，故通常采用时问频率的联台分布方法来进行 跳频信号的检测。本沧文在对跷频系统深入理解的基础上，对此课题进行了深入 的研究。 5 蕊l l 。渡夫学硕士学位论文簿一章缝论 本文的主要研究内容及结构安排如下： 第一章绪论，简单赍绸了课题的研究意义和当静的磷究现状； 第二章介绍了静t 频道佰系统的綦本原理教一些关键技术，并着重分析了跳频 信号的性质： 第三章介绥了常琢豹非平稳镶号对频分橱工鼗，并对辍时傅立时变换 ( s t f t ) 和w i g n e r - v i l e 变换( w v d ) 用于非平稳信母检测的性能作了对比； 繁靼章主要磷究了基予平滑携w v d 变换( s p w v d ) 的瓣眩频率捡溅方法 及其方法的改进，并分折了该算法的复杂度。 最后对全文的研究成果进行了总结。 西北上业大学硕士学位论文 第一章跳频系统信号分析 第二章跳频系统信号分析 2 1 扩频系统概述 数字通信中的扩频信号最初是为军事通信的需要而发展和应用起来的，其中 包括：( 1 ) 对抗地方干扰；( 2 ) 用在低功率下传输以隐蔽信号，使得无意的听众 在噪声中不易检测出信号的存在；( 3 ) 有可能经由同一信道进行多用户通信。然 而，今天扩频信号已经被广泛应用到各种商业、民用通信。 扩展频谱系统是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远远大于所传 信息必需的最小带宽；频带的扩展一般通过一个独立的码序列来完成，并用编码 及调制的方法来实现，而与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关 的同步接收和解扩，以恢复所传的信息数据。一个扩频数字通信系统的基本组成 如图2 1 所示： 图2 1 扩频数字通信系统模型 由图2 1 可以看到，扩频系统使用了两个完全一样的伪随机序列发生器，其 中一个在发送端与调制器相接，另一个在接收端与解调器相接。这两个发生器产 生伪随机或伪噪声( p n ) 的二值序列，用于在调制器中将传输信号在频率上进 行扩频和在解调器上将接收信号进行解扩。 为正确地对接收到的扩频信号进行解扩，要求在接收机产生的p n 序列与包 含在接收信号中的p n 序列同步。在实际的系统中，同步在信息传输之前已经建 立，这是通过传输一个专门设计的固定的p n 比特样本实现的，以使接收机能在 干扰存在的情况下以高的概率检测到它。在这个p n 序列发生器的时i n j 同步建立 之后，再开始信息传输。在数据模式上，通常该通信系统跟踪正在到来的接收信 号的定时，并将这个p n 序列发生器保持在同步状态。 扩频通信的工作方式主要有直接序列扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a d 辑北f 北天学硕士学健论文 第二章跳籁系统箍号分 斤 s p e c t r u m ) 工作方武、跳变频率( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 工作方式、跳变时间( t i m e h o p p i n g ) 工佟方式等三耪。 当前豹战术亳螽等军方遗倍大多采用魏频通信瀚方式，相对于矗接扩额系统 来说，眺频系统既枣扩频系绞鲍共性叉具毒囊是的特点： 1 嶷毒较强的挠干扰裁力 跳频系统采用躲避干扰的方法来抗干扰，只有当干扰信号频率与跳频信号 频率捅弼时，才畿形成于挠，阑而抗干扰能力较强。霄i 频颡率点数越大，鼹颧速度 越高。抗干扰性能越强。 这墨茏其要搓爨抉跳簇系统程孝盎多经手撬稆人蠢转发式平找方瑟的优越牲 箍。 在一般情况下，多径信号比有用信号小得多，故没商多大影响。即使多径 信号达到接收端的判决门限镇，出予跳频速率怒够高，程每一频点“停留”的时间 足够斑，脊用信号本身经过传播过程中的多径时延形成的多径干扰信号便难以进 入当蓊“霄效鑫鼋子鼗带两，麸箍琵鞋避免多径千撬匏影魄。 夫为转发成千撬与多经予撬在撼灌主誊搦馥之缝。霹试为燕敌对方骞意制 造的“多径干扰”。这种干扰不但频率与有用傣号相同，鞭鼠功枣岛枣用信号棚近， 只是相位不同。这神于挽对鲻频系统危害最大。为了对摭这种子扰，只有采取提 高系统跳频速攀，使得干扰机在对前一个频率响应之前。发射频率已经快速地跳 翻下一个灏率上去了。群快速“躲避”干扰梳的审继转教式干撬。敲裙对予中浸速 虢频，快虢频在抗这静干扰上吴奢“先荠静优势。 2 。霹进行多透售 币掰蜘i 孓弼辨缛到不鞠趣跳频辫寨，从露鲤成簪鲻鲢网。虽然占据了缀宽 的频带。但由于可实现码分雾址，各用户可在嗣一时间、同频带内发送信号， 完成僚息豹传输，因此频谱涮用率稂蹴，诧单路载波系统的频谱等8 用率还商，毙 直扩系统也还略商。实餍上糯予礴分雾址( c d m a ) 的范围。这种多址方式缀网灵 活，入列迅速，透台于概旗荧活的撬术遥绩鞠移动遥楼。 3 安全保密 扩频通信也是一种保密通信，还可以进行信息加密，如要截获和窃听扩频信 号测必须知道扩频系统蹋的伪随机硝、密铜等参数，并与系统完全同步，逸样就 给对方设鬻了受多的障礴，从而起到了保护信息的作用。 4 赫兼容 搿滴新有瓣蹴频毫台兼容悭都缀滏，露程多静骥式f 互襻，捃定撷鞠蕊颖 数字和模拟，话费和数撼等。 北l ，业大学硕士学何论文 第二章跳频系统信号分析 另外，与直扩系统相比，采用快跳频技术和纠错编码技术的系统采用的伪随 机码速率要低得多，同步要求相对要低，因而同步时间短、入网快； 对直扩系 统影响较大的“远近”问题，由于跳频系统自身的特点，也完全可以克服。 2 2 跳频通信系统的理论基础 跳频系统是指载波在一伪随机码的控制下，不断地、随机地跳变。其基本思 想是：在频率域中，不断的改变发射频率，进行收发双方预先约定好的通信，而 对未约定的接收机无法寻找到所使用的工作频率。 2 2 1 系统原理 在跳频( f h ) 扩频中，将可利用的信道带宽w 划分成大量非重叠的频率间 隔，在任何信号区间内，传输信号占据一个或多个可用的频率间隙。在每个信号 区间内，频率间隙的选取由p n 序列发生器的输出所决定。 跳频通信系统的核心部分是跳频序列发生器，频率合成器和跳频同步器。 跳频序列发生器产生随机的或者伪随机的多值序列，控制频率合成器生成所 需要的频率。 频率合成器将一个或若干个高稳定度和高精度的参考频率，经过各种处理技 术，生成具有相同稳定度和相同精度的大量离散频率。高速跳频系统要求频率合 成器具有很高的频率切换速度。 跳频同步器用于保证接收机的本振频率与发射机的载波频率同步跳变。 跳频通信系统的原理示意图如图2 2 所示： i 裟卜一l 器1 l 发生器ii 合成器 鬯翌臣亟卜卧叵三卜 至 卜一- 1 鬯1 三困 圈恒j ，j 、【、 匦渺器i| 磊h 燃 图2 2f h 扩频系统示意图 时北：r 业火学硕士学位论文 第二章跳频系统信号分析 跳频通信的工作原理是：在发射端，输入的信息序列经编码后对频率为f 的 载波进行调制，得到带宽为r 的调制信号。p n 序列发生器控制频率合成器在不 同的时隙内输出频率跳变的本振信号，用它对调制信号进行变频，使变频后的射 频信号频率按照跳频序列跳变，即为跳频信号。跳频信号带宽w 与调制信号带 宽r 的比值( w r ) 即为跳频通信系统的处理增益g 。跳频信号以频率跳变方 式躲避某些频率点上的人为干扰或自然干扰。在接收机中，p i n 序列发生器生成 与发射端一致的p n 序列来控制频率合成器，使输出的本振信号频率按照p n 序 列做出相应的跳变。跳变的本振信号，对接收到的跳频信号进行变频，将频率搬 移回到f ，实现解跳。解跳后的调制信号，在本地载波作用下，经解调后，恢复 出信息。 跳频系统的抗干扰机理：发送端的载频受伪随机码的控制，不断地随机地 改变，躲避干扰。在接收端，用与发端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生 的频率，使之与发端的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内：对于干扰信 号，由于不知道跳频系统的载频变化规律，经接收机接收，不能进入中频频带内， 也就不能形成干扰。这样，跳频系统就达到了抗干扰的目的。 在跳频信号中，由于载波频率的跳变，在发射端和接收端的频率合成器之间 保持载波的相位相干很困难，因此输入信息序列的调制一般采用非相干解调的频 移键控( f s k ) 调制方法。f s k 的调制既可以采用二进制也可以采用m 元f s k ( m f s k ) ，由i o g ，m 个信息比特决定发送m 个频率中的哪一个。 如果采用二进制f s k ，则调制器选取两个频率中的一个( f o 或f ) 对应于 传输一个0 或1 。然后，将这个二进制的f s k 信号在频率上搬移一个量，这个搬 移量由p n 序列发生器的输出序列决定，用这个p n 发生器控制频率合成器生成 载波频率，= 。这个频率被搬移了的信号用于在信道上传输。 跳频系统又快跳频系统和慢跳频系统两种。如果跳频系统的跳频速率高于 信息调制器输出的符号速率，一个信息符号需要占据多个跳频时隙，称为快跳频。 反之，称为慢跳频。 2 2 2 跳频系统的主要技术指标。 1 跳频带宽：跳频系统工作时最高频率与最低频率之问所占用的频带宽度 称为跳频带宽。g j b 2 9 2 9 9 7 规定，战术短波跳频电台的跳频带宽分为窄带跳频、 分频段跳频和仝频段跳频。跳频带宽的太小与抗宽带或部分频带噪声下扰的能力 有关。跳频带宽越宽，抗噪声能力越强。 舞麓6 熊a 学礤毛学夔论文 菇二牵虢颧蒙缝偿垮分辑 2 + 雾额额誓数强：罄醪额宅窘工 筝对涎浚渡额攀意的数魏。在次遣僖中， 爱予躐频瓣鞭搴楚 瑟兔设嚣好静，疆信方擞撂逶信霭要事先鞠定张或多镁魏频 频率袭。雾频频率数雕每撬单频鞠多频连续渡于挽麴辘力有关。魏凝数疆越多， 撬攀矮、多壤及拣狡千臻熬藐力蕊强。虽然瓷工 棼凝攀范豳痰，霹鲢露蔻予个霹 用嚣信邋，毽楚，在一次邂臻中，哭使弼黧中豹一部分，逶鬻为2 熬鬃次。 3 雾频楚瑶罐豢：程魏凝逶臻枣，菜一瞬麴哭建| 燕一令瓣时频诿，渡瓣对 獗港麓瓣撅燕虢变懿，设冀瞬时繁宽为r ，黟凝蒽带竞为w ，粼魏凝齄壤增蘸g 定义麓： g 。= w r 或g 。；t 0 1 裁酽，露) ( 2 - 1 ) 瓣颓系统巾，簇谱鞠扩震基本上与蹒皴速率无关，褥燕崴决予最小频率闽蕊 瓴i 鞠寰断使掰麴频率数嚣n 。在实际的箨颧系缓串，胡邻藏率是不邻接的， 鞠圈2 5 中豹裔号瓣辩嵇宽r ，j 、予骜频鬣审频率潮翳影- 椭。魏糖楚纛漤盏g 。= 震 n ， 囊就霹霓，虢颡系统戆揍予撬瞧辘鞠缝瑷壤藏怒每魏羰菇统熬碍臻凝遂数 n 域菠魄豹，n 戆太，瓣频带宽w 越宽，挠千魏巍力越强。 装在w 内露n 母频莲煮j 个嚣赣乎撬，这j 个予撬豹菝攀歪簿每n 个频率 中貔，个频零襁翔，珏缓设n 个频率是等溉斑现豹，绨么邈j 个予撬凝率将形残 一定瓣予撬。我稻舞予撬凝枣每臻母频率穰强，嚣予抗凄率怒避臻号嘏擎形藏豹 予找稼海“蠢巾”，爨凌串”壤搴舞 p j ，n ( 2 2 ) 国魏霹藏，为酶懿“赘孛”攘攀，霹籀糍露瘸频遴数，聚瑗缨蘩编褥，爱建 令频率傣输1 毙特绩崽，郄篓翊( e ，w ) 分缀编码瓣方法，字戆差锾概率为 嚣。二，霹薅一p ) “8 ( 2 3 ) 式审；p 为惑酌“击中”壤窜，p ；j ，n ：c 淹每珑特秘凝率数lr 为判决艴限。这 样誓大大降羝镑误辍零，据毫蘩绫挠于裁控缝。 4 蹒频速率：虢颓速率是撩虢颧系统载波藏鸯躐变静速率，遵鬻弼每秒钟 载波频攀醚交懿次数塞袭示。魏撅遽率与绞簸踩式予撬豹辘为蠢关。聪颁速率越 裹，攘踩式千撬静戆力越强。不避。舜灏遮率受到遴落镶遂帮鹱搏采平瓣疆澍。 在短波段，雾l 颧遮搴一般在5 0 h o p s s 虢下，超短渡段，璐颡速率大多在t 0 0 h o p 酊s 2 0 0 0 h o p s s 之潮。z 僚在受蘸频段豹蹒频系统，霹豁实魂委疑戆雾s 凝遴零，强 j t i d s 工律在l 波段，魏凝速率w 这7 6 9 2 3 黟移嘎 5 + 魏颓阕麓：露叛瘸翔楚糍簿一魏舂撼戆对翊，臻不袭示。瓦警予躐频藏 麓时潮霸霸避韬按对潮之鞠，与雾l 簇速率戒翻数关系。 l 晒北工、世大学硕士学位论文 第一章跳频系统信号分析 6 跳频序列周期：跳频序列不出现重复的最大长度，称为跳频序列周期， 既可用位数表示，也可用时间表示。跳频序列周期与抗截获( 破译) 能力有关 跳频序列周期越长，敌方破译越困难，抗截获的能力就越强。 2 2 3 跳频系统的关键技术 跳频系统的关键技术主要包括：频率合成器设计、伪随机序列选择、跳频同 步的实现。 i 频率合成器设计 频率合成是指由一个基准频率源经过变换，处理后产生一系列离散频率的技 术。频率合成器能输出许多与基准频率源同样高稳定度和准确度的输如信号，且 能短时间内从某一频率跳变到另一频率。基准频率可由高稳定度的晶振产生，处 理技术包括各种数字处理技术及锁相技术，从而使合成的离散频率与参考频率有 严格的比例关系，并具有同样的稳定度和准确度。 目前频率合成主有三种方法：即直接模拟合成法( d s ) 、锁相环合成法( p l l ) 和直接数字合成法( d d s ) 。 其中，直接数字合成( d d s ) 是近年来迅速发展起来的一种新的频率合成方 法，与其它频率合成方法相比，它的优点是：简单可靠、控制方便，相位连续， 频率分辨率高，频率转换速度快。另外还具有价格低廉和工作方式灵活可变等优 点。 2 跳频同步的实现 跳频电台之间要实现同步，则它们之间必须互相同步，必须在相同的时刻都 使用相同的频率。要实现这一点必须通过同步系统，这是跳频通信系统的关键之 一。同步系统性能的好坏对于整个通信系统性能有极大的影响，因此，要求同步 系统具有较强的隐蔽性和可靠性，具有较商的同步概率较短的同步时间以及不存 在明显的射频特征等特点。 跳频系统的同步一般包括：载波同步，跳频图案的同步，信息码元同步，帧 同步。其中最关键和最困难的是跳频图案的同步。 跳频图案的同步可分为外同步法和自同步法。 外同步法又可分为精确时钟定时法，同步字头法。外同步法的优点是同步快， 同步概率高，其不足在于同步信息需占据发射信号的功率和一定的带宽。 白同步法可避免外同步法的不足，但其同步时间相对较长。自同步法可分为： 串行搜索法，并行搜索法。 两北卜照火学颈士学髓论文 嚣二章搿k 颁系统信号分析 另外还有将若干种方法相结合的两极捕获法，利用f f l 、实现快速搜索法， 剩用叁递鞠谱德计蜜瑰闷步法，扫描骚罄弼步法等。 3 穗随辊净捌选择 跳频序列用于控制载波频率随时闻的变化规律，其性s 对跳频蕉统的性能有 羹大影响。通常要求跳频序刿：1 ) 自柏关旁瓣鬻低；( 2 ) 蕊相关蜂佼要低；( 3 ) 数目 聚多：( 4 ) 线性复杂魔要大；( 5 ) 各频隙的出现次数基本相同。 蹴频净剜旗的设计主要渗及4 个参数：额陈数爵q 、序列长发l 、序列数韬 n 蕊及汉鞠襁关h m a x 。在菜些工程碰臻卒，癸求实现宽间隔蹒凝，尉还霄弼一 个参数：辫频间隔d 。这攮参数是楣蠖约束的，礤究这些参数之阍妁摆露关系， 埘以必跳颤穿，# 旗驰掬遣提供指导，弗蠹谱挽备静构造方法螅瞧缝握供粼别抵 准。 褐造麟频序判的方法缀多，包括：基予m 佯列构造跳凝序列族，慕予r s 码构造 蹴频序列族，基于素数序捌族构造蹒频序列旗( l c c 码x 基于b e n t 序捌构造蹴额序 粼族，纂予g m w 序列构遣然频痔歹族蔗予p 元携涟撬序列构造躐频序簇，基于 混淹竣_ 鬓掌搭列羁造蹒攘黟瓣族，竟阉隔鼹频黟列骧等。 2 。3 跳频信罨模型 磷k 减系统中，转发送信息经避f s k 调制精，根据频率合成嚣生成的频率选 敬发送频率。频率台成嚣生成的频率爨p n 寄剜控制，可将跳频倍号看成载波按 照一定烂律变纯黪多频壤移壤控( m f s k ) 。 2 3 1 伪随机粥概述 砑b 频序列的作粥如下； ( 1 ) 艟话频率努变戳黉理鬏撅扩震。发霪| 摊帮攘l | 殳挺懿瓣群豹鬟律控枣撷 率在鞍宽鹣蓬黧趣变 二，簸然瓣对售譬繁宽较譬，毽宏穗痿号带爨摄宽。对l 法 接收机柬说，由予跳频序列炬未知的，无法窃听到有效的信息，很难实现封效的 于扰。 0 z ( f ) = s ( 厂)f = 0 ( 3 - 3 ) 【0 f 0 满足式( 3 3 ) 的复解析信号可用实部和虚部两路信号来表示，与实信号s ( ，) 对应的解析信号弓定义为： z 、( f ) = s ( t ) + j * h i l b e r t s ( t ) 】 ( 3 - 4 ) 其中，虚部弛) = 脚f 6 鲥【m 是s ( f ) 的h i l b e r t 变换。即 ；o ) = s ( f ) 二 ( 3 - 5 ) 万f h i l b e r t 变换具有以下基本性质： ( 1 ) 信号j ( r ) 经过h i l b e r t 变换后，信号频谱的幅度不发生变化； ( 2 ) s ( f ) = - h i l b e r t ；( t ) 。 3 1 2 瞬时频率 信号的重要特性包括： ( 1 ) 带宽b = 厶。一允。； ( 2 ) 存在于带宽b 内的所有频率( 从最低频率厶。到最高频率矗。) ； ( 3 ) 在这些频率处的信号相对幅度： ( 4 ) 所有频率发生的时间； ( 5 ) 信号的持续时问t ，简称时宽。 所有的实际信号都有一个起点和终点。时宽t 在时域的作用类似于频域的带 宽b 。对于0 t t ，分析信号的能量是如何分布的，这就是信号的频率特性。 瞬时频率和群延迟是描述非平稳信号频率特性的两个常用物理量。 频率是描述信号幅度周期变化的物理量。物理上，频率定义为简谐振动在单 位时间内通过固定点的波数。类似的，信号的频率可定义为信号幅度在单位时问 捷上攮夫学硕士举位论文第三辩售号瓣啦颧分橱 内的变化次数。频率可表示为正弦、余弦函数或一系列( 有限或无限) 加权和的 形式，这就是搏立叶分辑。 对于窄带平稳信号，频率可以徽好地描述其物理特征，并利用傅立时分析在 频域进行处理。对于宽带非平稳信号，其频率随时间变化而变化，频率的概念和 博立辞分析方法已不魏取褥好酌分辑效采。为了摇遮宽带信号在特定辩劐的频 率，引入了瞬时频率的概念。 姨物理学的角度，售号霹分为攀分量和多势量谊号蘸大类，革分量信号在任 意时刻都只有一个频率，该频率称为信号的瞬时频率。多分量信号则在菜些时刻 具有多个不同的孵时频率。瞬时频率的定义疑扔不尽相同，后米v i l e 统一了瞬 时频率的定义： 对于实信号 s d = a ( t ) c o s 筘章) 】 ( 3 6 ) 其中，疗( ，) 为瞬时相位，口o ) 为瞬时幅度，其解析信号形式为： z ( t 、= a ( t ) e 芦 ( 3 - 7 ) 则瞬时频率定义为解析信号的相位瓣导数，朗： 删2 云【a r g z ( 明( 3 - 8 ) v i l e 还提出：出于瞬时频率是辩变的，灏跌应该襻在膏与瞬时频率楼对应的 瞬时谱，并且该瞬时谱的平均频率即为瞬时频率。 雌解析信号z ( t ) 为例，其总能爨可表示为： 五= e m ) | 2d t = e t z ( f ) 1 2a f ( 3 母) 其瞬时频率可定义必瞬时谱的频率均值，即： z = i e f z ( f ) 1 2a f f 2 f t z ( f ) 1 2a t n z ( f ) 1 2d f ：型型：竺b l o ) e ) 1 2d t 信号能量作为时间的函数沿瞬时频率集中。仍考虑式( 3 7 ) 的解析信号= ( ，) 其频鹊为： 2 0 垒! 圣! ；黧垒兰兰：薹丝兰圣兰三：耋篁兰墼鐾鳖坌篓 z ( t ) = e = ( t ) e j 2 r d t = a ( t ) e j # 8 p ) 一2 z r q d t ( 3 1 1 ) 山于该积分必在某一频率上( 设为上) 取得最大值。则 吾敝幻- 2 z t f , 俨。 ( 3 。2 ) 即： f 。三型 ( 3 1 3 ) “ 2 丌出 僚号能量瀣瞬时频率集中这特性在信号建模、参量估计、重梅、识别、目 标跟踪等领域起着重要的作用。 3 。 3 不媚餐覆理 上述对瞬时频率鲍讨论都是基于理想髅号，若斑用于实酥信号，则需要考虑 一些炎际的限制，如信母的时宽、带宽等戳索。信号的有效帮宽b 与有效时宽r 之间存在着一定的关系，即不相容原理。 不籀容器壤氇l 溺不准罪瑾藏h e i s e n b e r g 不等式，对予鸯隈链耋瓣任意蓿号 s ( f ) 或窗函数 ( ，) ，其时宽t 和带宽b 的乘积总满足下面的不婷式： f 。b ：a t ，口三 ( 3 4 ) 2 其中，血和a c o 分别称为时间分辨率和频率分辨率，分别指信号在两个时间点和 嚣个熬辜点之耀的匿分能力。 不相容原瑷表明，时宽和带宽( 即时间分辨率和额率分辨率) 是一对矛盾的 量，不可能同时得到任意高的时阅分辨率和频率分辨率。 窗函数在菲平稳信号处理中媳有重要酌作用，窗函数是否其有高的时闻分辨 率和频率分辨率与待分析信号的非平稳特性有关。例如，如果我们采用冲激信号 占f f ) 络为蜜函数，月l 秘豢予更取雾乎穆售号在t 葬孝妻渤僮进行分拆，黠 瓣分辫搴 最高，但却完全失去了频率分辨率。相反，如果取单位直流信号作为窗函数，即 像傅立时变换月样取无穷长的信号进行分拆，4 其频率分辨率最高，但却完全丧 失了时间分辨章。因而，对于菲平稳信号，两部变换的窗函数必须在信号的时间 分辨攀和频率分辨率之间作适当的折中选择。 热入窑函数链理蓐豹菲平稳信号，在密函数蠹帮应该是鏊本平稳熬，簿塞穗 必须与非平稳信号的局部平稳性相适应。时颁分析适合局域平稳长度较大的非平 塑! 型：些銮兰堡：童堡丝三堑三塞篁三墼坠塑坌丝 稳信号。 3 2 短时傅立叶变换 对于多分量信号来说，为了获得各分量的瞬时频率，通常是引入“局部频谱” 的概念，即使用一个很窄的窗函数耿出信号，然后求其傅立叶变换。由于这一频 谱是信号在窗函数一个窄区间内的频谱，剔除了窗函数以外的信号频谱，因而称 其为信号的局部频谱。使用窄窗函数处理的傅立叶变换称为短时傅立叶变换 ( s t f t ) 。 短时傅立叶变换( s t f t ) 的基本思想是：把信号划分成许多小的时间间隔， 用傅立叶变换分析每一个时间间隔，以便确定在每一个时间间隔里存在的频率。 为了研究信号在时间t 的局部特性，需要加强在时间t 的信号，而压缩在其它时 间的信号，这可通过用中心在t 的窗函数h ( t ) 与信号相乘来实现，即通过加窗把 所关心的信号取出来，这是信号可写为： 置( , - ) = s ( r ) h ( r f ) ( 3 1 5 ) 对每一时刻都进行这种处理，即将 ( f ) 沿时间轴滑动，其结果就是短时傅立叶变 换( s t f t ) ，定义为： s r f r , ( t ，) = r s ( f ) ( 一t ) e 卅小d f ( 3 1 6 ) 其对应的反变换为： s ( f ) = 巳s t f t ( u , 伪( u - - f ) e d d f ( 3 - 1 7 ) 傅立叶反变换为二维变换。 s t f t 具有以下基本性质： 性质1 s t f t 为线性时频表示： 性质2 s t f t 变换具有频移不变性，即： j ( r ) = s ( t ) e 9 - s 订珥( ，f ) = s 阡一( f ，f f o ) 但不具备时移不变性，即 j ( r ) = s ( t t o ) 斗s ( ，f ) = s 丁f i ( r t o , f ) e 口矾7 对于短时傅立叶变换( s t f t ) ，在时间分辨率和频率分辨率之间有个折衷： 一方面，好的时间分辨率结果需要较短的h ( t ) ；另一方面，好的频率分辨率结果 需要带宽较窄的滤波器，也就是较k 的h ( t ) ，但这两者不能同时满足。刈非平稳 两北工业人学硕二 ：学位论文 第三章信号的时频分析 信号进行加窗处理的时候，窗口宽度必须与非平稳信号的局部平稳性相适应。而 对于没有先验知识的未知信号，选择合适的窗口宽度将变的困难。 能量本身是一种二次型表示，在使用时频表示来描述非平稳信号的能量变化 时，通常是采用二次型的时频表示。谱图是一种常见的二次型时频表示方法，它 是基于s t f t 的变换，其定义为s t f t 模值的平方，即： s p e c ( t ，) = s t f t ( t ，力r( 3 1 8 ) 与c o h e n 类二次型时频分布相比，谱图具有较低的时频聚集度。 3 3w i g n e r - v ii e 变换( w v d ) 短时傅立叶变换( s t f t ) 使用时间和频率的联合函数来描述信号频谱随时问 的变化