（通信与信息系统专业论文）基于软件无线电的跳频通信系统gmsk信号的接收研究.pdf

摘要 摘要 软件无线电是伴随着高速模数转换器件和数字信号处理器的飞速发展而逐步 成熟起来的通信体系，正在渗透到各种通信系统的设计之中。而随着通信侦察和 干扰技术的发展，为了降低通信过程中被截获、被干扰的概率，提高通信的可靠 性，增强通信系统的抗干扰能力，跳频通信逐渐成为现代通信的一种对抗干扰的 有效通信方式。目前j 基于软件无线电的跳频电台正是军事通信研究的热点。本 文对基于软件无线电技术的跳频通信接收机的实现进行了研究，并着重对系统的 硬件设计进行了论述。 本文以基于软件无线电的跳频通信接收机的实现为目的，对跳频接收机的软 硬件进行说明。在硬件设计方面，阐述了该接收机的硬件结构和工作状态，以及 f p g a 、d s p 、数字下变频专用芯片在该机中实现的功能。在软件方面，介绍了 g m s k 信号的解调原理和解调实现的软件流程。 最后，对于该跳频接收机的性能进行了测试，给出了测试数据，并对测试结 果进行总结，归纳出接收机的特点。说明了该基于软件无线电技术的跳频通信接 收机实现了对中频跳频序列的解跳和对g m s k 信号的解调，并达到了设计的要 求。 关键字：软件无线电跳频g m s k 解调 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n go fh i g h s p e e da d ca n du l t r a - s p e e d d s p , t h es o f t w a r e d e f i n e dr a d i o ( s d r ) c o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c o m em o r ea n dm o r em a t u r e i th a s b r o u g h tac h a l l e n g et ot h ef r a m eo fc o n v e n t i o n mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，a n da f f e e t e d t h ed e s i g no fn e wc o m m u n i c a t i o n s y s t e m d e p e n d i n go nt h ed e v e l o p m e n to f r e c o n n a i s s a n c ea n di n t e r f e r e n c et e c h n i q u e s ，f r e q u e n c y - h o p p i n g ( f i - i ) c o m m u n i c a t i o n i sg r a d u a l l yb e c o m i n ga l le f f e c t i v ec o m m u n i c a t i o nm e t h o dt or e d u c et h ep r o b a b i l i t yo f b e i n gc a p t u r e do ri n t e r f e r e d ，t oe n h a n c et h es e c u r i t yo fc o m m u n i c a t i o n ，a n dt oi m p r o v e t h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t yo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h i sd i s s e r t a t i o nw i l ld e a lw i t h h o wt oi m p l e m e n tf hs y s t e mr e c e i v e rb a s e do ns d r ，a n df o c u so nt h eh a r d w a r e d e s i g n i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h er e a l i z a t i o no ff hs y s t e mr e c e i v e ri st h em o s ti m p o r t a n t t a r g e t f o rt h i sr e a s o n ，t h ed e t a i l so fh a r d w a r ea n ds o f t ：w a r ed e s i g ni nd e - h o p p i n ga r e d e s c r i b e d i nt h ep a r to ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，i tc o n s i s t so ft h eh a r d w a r es t r u c t u r e t h e w o r k i n gs t a t eo ft h er e c e i v e ra n dt h ed i f f e r e n tf u n c t i o no fs o m ei m p o r t a n tc h i p sw h i c h a r ec o m p o s e do ff p g a ，d s pa n dd i g i t a ld o w n c o n v e r t e r i nt h es o f t w a r ep a r t ，t h e t h e s i sd e s c r i b e st h ep r i n c i p l eo ft h eg m s k d e m o d u l a t i o na n dt h es o f t w a r ef l o w c h a r tt o d e m o d u l a t et h eg m s k s i g n a l a tl a s t ，u s i n gt h ef hc o m m u n i c a t i o nr e c e i v e ra b o v e ，m a n y e x p e r i m e n t sa n dt e s t s a r eg i v e ni nt h et h e s i s t h et e s t i n gr e s u l t sa r es u m m a r i z e d ，a n dt h ec 血a r a c 白e r i s t i c so f t h i sf hc o m m u n i c a t i o nr e c e i v e ra r ec o n c l u d e d a l lt h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h e wt h a t t h ed e s i g no ft h ef hc o m m u n i c a t i o nr e c e i v e ri ss u c c e s s f u l k e y w o r d ：s o f t w a r ed e f i n e dr a d i o f r e q u e n c y - h o p p i n gg m s kd e m o d u l a t i o n 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人躲避 吼拯蚍么 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：日期趁垒墨：! ：鱼 第一章绪论 第一章绪论 随着通信侦察和干扰技术的发展，为了降低通信过程中被截获、被干扰的概 率，提高通信的可靠性，增强通信系统的抗干扰能力，扩频通信逐渐成为现代通 信的一种对抗干扰的有效通信方式，跳频通信是扩频通信中的一种【1 1 。由于扩频通 信、跳频通信极强的抗干扰能力和多址通信能力，使其在军事和民用上得到了越 来越广泛的应用。本论文采用了软件无线电技术，力求突破传统基于硬件的军用 电台设计模式，重点研究了具有灵活、通用、可扩展性强等特点的跳频短波通信 的接收系统。本课题的研究成果具有重要的理论意义和实用价值。 1 1 软件无线电概述 软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 是实现无线通信新体系结构的一种技术。1 9 9 2 年5 月，在美国电信系统会议上，m i t r e 公司的j o e m i t o l a 首次提出了软件无线电的概 念，其核心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台，将各 种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件 来完成，并使宽带a d 、d a 转换器尽可能的靠近天线，以研制出具有高度灵活性、 开放性的新一代无线通信系统。软件无线电的概念一经提出，就得到了全世界无 线电领域的广泛关注，对软件无线电的研究在国际范围内迅速展开 2 1 。 1 9 9 5 年5 月i e e ec o m m u n i c a t i o nm a g a z i n e 发表了一期无线专刊，系统全面地 介绍了软件无线电与数字无线电的区别，硬件和软件的实现方法，性能分析及其 结构。为软件无线电的一些关键技术的研究提供了理论基础【3 1 。 我国也在积极开展对软件无线电技术的研究工作。1 9 9 6 年软件无线电技术被 列入国家“8 6 3 计划通信主题的研究项目，1 9 9 9 年被列为国家自然科学基金的重 点资助项目，在经过近几年的发展之后，其重要性和可行性正逐步被越来越多的 人所认识和接受。并且国内几大通信公司也都在进行软件无线电技术的研究和开 发，不少高等院校和科研所也都做了不少的努力，并取得了一定的成果【4 1 。 1 1 1 软件无线电的特点 由于技术的不断变化和应用的扩展，对软件无线电的概念、结构、实现、用 途等都在不断的发展之中，目前还不能给出一个严格而全面的定义。但是根据大 多数专家的理解，可以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以 总线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放 2 基于软件无线电的跳频通信系统g m s k 信号的接收研究 式体系结构。其特点可归结为以下几点： 1 ) 可编程性。软件无线电是在通用硬件平台的基础上，采用不同的软件来实 现不同的功能。即简化了硬件设计，原先硬件实现的功能由软件来实现。同时， 对于系统增加的新业务，也通过编制新的软件来完成。 2 ) 灵活性。由于采用软件编程来实现系统功能，因此可以通过修改软件来改 变信号的接入方式、调制方式等。 3 ) 集中性。软件无线电的多个信道共用一套硬件平台，即共享前端、带宽和 d a 转换器，使得系统相对成本降低。 其工作频段覆盖2 - 2 0 0 0 m h z 。 软件无线电技术的重要价值体现在：硬件只是作为无线通信的基本平台，而 许多的通信功能则是通过软件来实现的，这就打破了长期以来设备的通信功能实 现仅仅依赖于硬件的发展格局。所以有人称，软件无线电技术的出现是通信领域 继固定到移动、模拟到数字之后的第三次革命【3 】。 1 1 2 软件无线电的结构 软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总线方式连接构成基本平台， 并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式体系结构【5 1 。二个典型的软件 无线电平台可以将硬件单元划分成射频、中频、基带、信源和信令等各层，它们 具有模块化结构，各层之间的连接通过控制总线和数据总线实现。理想软件无线 电的组成结构如图1 - 1 所示。 电话 实时、准实时宽带 射频 、 图像 窄带 “ 处理软件 uk 吣d | k 前端 数字 国| kh 转换器 h 模块 转换器 传真 f p g a d s p 图1 - 1 软件无线电结构框图 当前a d 转换器可达到工作带宽2 g h z 以上，采样速率1 0 0 m h z 以上，转换精度 ( 位数) 达至 j 1 4 b i t ，可满足软件无线电系统对a d 转换器的要求。由于大规模、高 性能的f p g a 的不断推出和高速、超高速d s p 不断涌现，己经基本满足软件无线电 算法对信号处理能力的需求。如果采用多芯片并行处理的方法，其处理能力还将 大大提高 6 1 。 第一章绪论 3 1 1 3 软件无线电的应用 可以认为对软件无线电研究最积极的要算美国军方，并为此投入了大量的人 力和物力。如在1 9 9 0 年8 月，美国国防部就投入4 3 0 万美元，启动研制s p e a k e a s y 软 件无线电系统的第一阶段工作。1 9 9 4 年s p e a k e a s yi 型样机研制成功，实现了4 种不 同的电台通信。1 9 9 5 年美军启动s p e a k e a s y z 期工程，系统要求1 5 种电台兼容，实 现一个波形可编程、多频段、多模式电台。其研制的成功，代表了未来无线通信 体制发展的趋判3 1 。 软件无线电主要应用领域可归结为： 1 ) 军用方面的应用：可实现各种军用电台的互联互通的多功能无线网关；可 接入各种军用移动通信网的多功能车载电台：可实现各种军用无线电系统空中转 信的多功能空中平台；可以实现智能化通信侦察与对抗的通信电子对抗系统等。 2 ) 民用方面的应用：可应用于多频段多模式移动通信手机；多频段多模式移 动电话通用基站；无线局域网及无线用户环的通用网关等。 从软件无线电技术的提出到现在，军方的研究经历了从无到有的飞速发展阶 段，但由于民用移动通信所用频带很高，算法复杂，目前的a d 采样以及d s p 处理 能力等方面距实时性要求还存在一定的距离。 1 2 短波跳频通信 1 2 1 跳频通信系统的基本概念和特点 跳频通信是指系统的载波频率按照一定的规律不断变化的通信方式。跳频通 信技术是扩频通信的一种。跳频通信系统利用信源产生的信息流去调制频率合成 器产生的载波，得到射频信号。频率合成器产生的载波受位随机码的控制，按一 定规律跳变。而且跳频方式由于频率不断变化、频率的驻留时间内都要完成一次 载波同步，随着跳频频率的增加，要求的同步时间就越短，因此跳频多采用非相 干解调。 在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。在接收端，接收 到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的木振信号也是一频率跳变信 号，跳变规律受接收端的伪随机码的控制，而接收端产生的伪随机码与发端相同， 控制频率变化的规律是相同的，两个频率合成器产生的频率相对应，但对应的频 率有一个频差，正好为接收机的中频。只要收发双方的伪随机码同步，就可以使 收发双方的跳频源频率合成器产生的跳变频率同步，经混频后，就可以得到 4基于软件无线电的跳频通信系统g m s k 信号的接收研究 一个固定不变的中频信号，然后对此中频信号进行解调，就可以恢复出发送的信 息。而对于干扰信号而言，由于不知道跳频频率的变化规律，与本地频率合成器 产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形 成干扰，这样就达到了抗干扰的目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角 色，只有收发双方同步，就可将跳变频率信号转换成为一个固定的频率的信号【l 】。 与传统的方式相比，跳频通信系统具有如下主要特点： 1 ) 具有抗干扰能力。跳频通信系统是一种抗干扰能力较强的无线电通信系统， 能有效的对抗频率瞄准式干扰；只要跳频频率数目足够多，跳频带宽足够宽，也 能较好的对抗宽带阻塞式干扰；只要跳频速率足够高，就能有效的躲避频率跟踪 式干扰。 2 ) 具有低截获频率概率。跳频信号是一种低截获概率信号。载波频率的快速 跳变，使敌方难以截获信息；即使敌方截获了部分载波频率，由于跳频序列的伪 随机性，敌方也无法预测跳频电台将要跳变到那一频率。因此，敌方很难有效的 截获到通信信息。 3 ) 具有多址组网能力。利用跳频序列的正交性，可构成跳频码分多址系统， 共享频谱资源。在通信网中，采用不同的跳频序列作为地址码，发射机可根据接 收机的地址码选择通信对象。 4 ) 具有抗衰落能力。载波频率的快速跳变，具有频率分集作用，只要跳变的 频率间隔大于衰落信道的相关带宽，并且跳频时隙宽度又很短的话，跳频通信系 统就具有抗衰落的能力。 5 ) 易于与窄带通信系统兼容。从宏观看，跳频通信系统是一种宽带系统；从 微观看，它又是一种瞬时窄带系统。跳频系统可以使用固定频率工作，因此，能 与普通电台互通信息。普通电台加装抗干扰的跳频模块，也可以变成跳频电台。 6 ) 通信灵敏度降低。在无干扰的情况下，由于受到跳频信道切换时间开销、 跳频同步误差损失、跳频引起的内部干扰噪声、接收滤波器失谐等因素的影响j 跳频通信灵敏度比定频通信灵敏度要低6 】【7 】【8 1 。 1 2 2 目前跳频通信系统中存在的问题 由于短波信道的特点及相关技术的局限性，目前实际使用的短波跳频电台大 多数都是传输模拟话音的模拟跳频电台，这类短波跳频电台又存在以下局限： 1 ) 跳频率较低 目前，实际大量使用的短波跳频电台跳频速率相对较低。在国内逐步开发成 功2 0 0 剧u 秒的跳频电台。 第一章绪论 5 2 ) 话音质量差 模拟跳频时，由于模拟话音信号难以存贮及恢复，因而在电台传输跳频同步 信号及每跳的换频期间所损失的话音信号，无法在正常话音跳频周期内予以恢复， 造成话音中断，因而话音质量较差。试验表明模拟跳频通话比定频通信话音质量 恶化约一个信号等级，且引入了明显的噪声。 3 ) 通信距离缩短 模拟跳频通信话音信号比定频通信话音信号质量恶化约一个等级，同时造成通 信距离大致缩短2 0 ，其中包括远距离弱信号时，同步传输失误导致通信距离缩短 1 0 ，后者己为超短波跳频电台大量跳频通信试验所证型6 】【7 】。 1 2 3 新型快速跳频通信系统的概念和特点 一般跳频系统可根据跳频速率划分为快跳频( f f h ) 、中速跳频( m f h ) 和慢 速跳频( s f h ) ，有两种划分方法。一种将跳速( i 地) 与信息速率( r a ) 相比较 来划分，若跳频速率r h 大于信息速率r a ，即r h r a ，为快速跳频；反之，r h 5 0 0 h s ，如美国的s c i m i t a r _ v ： 提高跳频速率是提高抗干扰能力，特别是跟踪式干扰的有效措施。若要有效 干扰数字跳频信号，必须使该信号的信息误码率至少达到2 0 。从理论上讲，对跳 频速率为1 0 0 h s 的电台，其信号在每个频率上的驻留时间为1 0 m s 。为有效干扰该跳 频信号，跟踪式干扰机从截获此信号到干扰的时间间隔要求在8 m s 以内。根据目前 的通信对抗技术，这是干扰方容易做到的。但若跳频速率为1 0 0 0 h s 的跳频电台每 l m s 改变一次频率，干扰方要有效的干扰该信号，干扰机在给定频率上对此信号的 跟踪时间必须小于0 8 m s 。考虑到传播时间的限制，这一跳时间相当于干扰机与通 信发射机之间的距离不得超过1 2 0 k i n 。因此，当跳频速率达到1 0 0 0 h s 时，跟踪干 扰的效率将会大大下降【_ 7 1 。 1 3 跳频通信系统中常用的数字调制方式 在这里我们将跳频中常采用的调制方式分为两类：一种是不连续相位路径的 数字调制；比如，m p s k 、b p s k 、d p s k 、q p s k 、d q p s k 等。另一种是连续相 位路径的数字调制。比如，m f s k 、f h b f s k 、m s k 、g m s k 等。当然随着数字 6基于软件无线电的跳频通信系统g m s k 信号的接收研究 调制技术的不断发展，许多新的调制技术也被用在跳频系统中，如o f d m 、q a m 等。 当把一种调制技术引入超短波跳频通信系统时，多种因素影响着数字调制方 案的选择。一个令人满意的调制方案是能在较低接收信噪比的条件下提供小的误 码率，对抗多径和衰落情况性能良好，占用最小的带宽，容易实现，且价格低廉。 现有的调制方式不能同时满足以上所有要求。对于不同的应用要求应该全面考虑 其优缺点而选择最合适的调制方式。 现代无线数字通信系统采用各种调制方式实现对频谱的高效利用，而恒包络 调制可以把频谱限制在一个较窄的频带内，同时恒包络调制允许非线性功放的使 用，可以得到比线性功放更好的功率效率，这对整个系统的功率管理非常重要。 g m s k 就是一种在无线系统中很受欢迎的恒包络调制方式。如在g m s 、u k 的 p c n 等网络里就使用了g m s k 调制方式【9 】。 为了在战术跳频电台中实现高速数据传输，首先要解决的一个问题是选用一种 合适的具有较高通信效率的数字调制方式。跳频通信中数字调制方案必须满足的 恒包络和支持非相干解调( 频率的每一次跳变都会引入一个不确定的附加相移) 这两个限制性条件。以提高频谱利用率作为尺度，传统跳频话音通信所一直沿用 的b f s k 调制和m f s k 调制已不能满足要求，在这里我们考虑将g m s k 用于超短波 高速跳频电台中。 1 4 论文的主要内容及章节安排 本文主要对短波跳频信号接收中有关基于软件无线电的接收部分的电路设计 与实现作详细的论述。该接收机包括a d 采样、数字下变频、跳频信号同步、g m s k 信号的解调等模块。其中，本文对实时数字下变频、跳频信号同步、g m s k 信号的 解调三个模块作了重点论述。 论文的章节安排为： 第一章介绍了软件无线电以及跳频通信的背景、历史、现状以及存在的技术 问题，同时还介绍了使用g m s k 调制信号的原因； 第二章详细对包括跳频通信的一般原理、信号采样理论、多速率信号处理以 及g m s k 信号的一般概念等的相关理论进行说明； 第三章详细说明了跳频接收机的各个模块的硬件构成和芯片使用说明，并且 介绍了对g m s k 信号解调部分的软件模块； 第四章对接收机进行测试并对全文进行总结。 第二章跳频通信系统的原理 7 第二章跳频通信系统的原理 跳频电台是抗干扰性能较好的战术电台，在保密通信中广为采用。通常战地 环境比较恶劣，接收到的信号是信息和噪声的混合体，而且通信双方的通信时间 具有不确知性，因此，收发双方必须按约定方式交换信息。跳频系统的载频受一 伪随机码的控制，不断地、随机地跳变，可看成载频按照一定规律变化的多频频 移键控。与直扩系统相比较，跳频系统中的伪随机序列并不直接传送，而是用来 选择信道。我们熟悉的二元频移键控2 f s k 只有两个频率卉，疋分别代表传号和空 号。而跳频系统则需要提供几百个：几千个甚至上万个频率，通常一个实际的系 统有几千个离散的频率可供随机选取，它由系统产生的伪随机码来选择由此而构 成跳频序列( 又称跳频图案) 。 2 1 跳频通信系统的基本组成 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的和高精度的参考频率，经过各种处理 技术，生成具有同样稳定度和同样精度的大量离散频率。在跳频通信系统中，要 求频率合成器具有很高的频率切换速度。 跳频频率表用于控制频率合成器的实际频率。通常在跳频通信的可用频率中 选择部分频率，通过参数注入器注入，或者在自适应跳频系统中根据信道测试结 果自动选定。 跳频通信系统的原理示意图如图2 1 所示。 图2 1 跳频通信原理示意图 8基于软件无线电的跳频通信系统g m s k 信号的接收研究 跳频通信的基本工作原理是：在发射机中，输入的信息对频率为z 的载波进 行调制，得到带宽为尺的调制信号。独立产生的跳频序列从跳频频率表中取出频 率控制码，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。 跳频信号的带宽矽与调制信号的带宽r 的比值( w r ) 就是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，与发射机跳频序列一致的本地跳频序列从跳频频率表中取出频率控制 码控制频率合成器，使输出的本振信号，对接收到的跳频信号进行变频，将频率 搬回到z ，实现解跳。解跳后的调制信号，在本地载波的作用下，经解调后，恢复 出信息。 2 2 跳频通信系统的主要技术指标 2 2 1 频率范围 频率范围是指跳频通信系统工作的频段。 g j b2 9 2 9 9 7 规定，战术短波跳频电台频率范围是1 6 m h z 2 9 9 9 9 9 m h z 。 g j b2 9 2 8 9 7 规定，战术超短波跳频电台频率范围是3 0 m h z 7 8 9 7 5 m h z 。 g j b11 2 8 a 2 0 0 2 规定，机载超短波电台的频段应根据不同使用要求，选用某 一部分频段或者组合频段。陆空协同通信频段为3 0m h z 8 8m h z ；民航和军航共 用通信频段为1 0 8m h z 1 5 6 m h z ；海空协同通信频段为1 5 6 m h z 一1 7 4 m h z ；军 航专用通信频段为2 2 5m h z 一4 0 0 m h z 【l 】。 2 2 2 信道间隔 任意两个相邻信道之间的标称频率之差，称为信道间隔。 短波电台的信道间隔通常为1 0 0 0 h z ，1 0 0 h z ，1 0 h z 。超短波电台的信道间隔 通常为2 5 k h z ，1 2 5 k h z 。战术超短波跳频电台间隔是2 5 k h z 。机载超短波跳频电 台信道间隔是2 5 k h z 。如另有要求可在1 2 5 k h z ，8 3 3 k h z 或5 k h z 中选取 。 2 2 3 跳频带宽 跳频电台工作时最高频率与最低频率之间所占的频带宽度，称为跳频带宽。 g j b2 9 2 8 9 7 规定如下。 第二章跳频通信系统的原理9 1 ) 全频段跳频：3 0m i - - i z 一8 7 9 7 5m h z ( 频段可扩展) ； 2 ) 分频段跳频：在3 0 m h z 8 7 9 7 5 m h z 中任意选取。 跳频带宽的大小与抗宽带或部分频带噪声干扰的能力有关。跳频带宽越宽， 抗噪声干扰能力越强。因此，最好能够在整个工作频率范围实现跳频n 1 。 2 2 4 跳频频率数目 跳频电台工作时跳变的载波频率点的数目，称为跳频频率数目。 跳频电台工作时跳变的载波频率点的集合，称为跳频频率集，也称跳频频率 表。在一次通信中，用于跳频的频率是预先设置好的。通信管理部门根据电波传 输条件j 电波传输条件以及敌方的干扰条件等因素，制定一张或者多张跳频频率 表，使用注入枪注入或者从面板上输入到跳频电台。 跳频频率数目与抗单频和多频连续波干扰的能力有关。跳频频率越多，抗单 频，多频以及梳状干扰的能力越强。虽然在工作频率范围内，可能有几千个可用 的信道，但是在一次通信中，只使用其中一部分，通常为2 的幂次方，从几十个 到几百个。战术超短波跳频电台应至少能储存2 张跳频频率表，每张频率表的跳 频频率数目不少于3 2 个【l 】。 2 2 5 跳频处理增益 在跳频通信过程中，某一时刻只出现一个瞬时频谱，该瞬时频谱即为原始信 息经跳帧处理和中频调制后的频谱，其带宽稍大于原信息速率在定频通信时的带 宽，并且该瞬时频谱的射频是跳变的。跳频处理增益g 。的定义是 g 口= w r( 2 1 ) g 口= 1 0 l g ( w r )( 2 - 2 ) 式中矿跳频扩谱覆盖的总带宽； 尺跳频顺时带宽。 跳频系统中，频率的扩展基本上与跳频速率无关，而且是取决于最小频率间 隔a a ；。和实际使用的频率数目g 。在计算处理增益是，应考虑相邻瞬时频率是否 交叠的影响。 2 2 6 跳频速率 跳频速率是指跳频电台载波频率跳变得速率，通常用每秒钟载波频率跳变的 次数来表示。 l o 基于软件无线电的跳频通信系统g m s k 信号的接收研究 跳频速率与抗跟踪式干扰的能力有关。跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力 越强。跳频速率越高，抗跟踪干扰的能力越强。不过，跳频速率受到通信信道和 元器件水平的限制。在短波波段，跳频速率一般在5 0 h o p s s 以下，g j b2 9 2 9 9 7 规定跳频速率一般为5h o p s s 、1 0h o p s s 、2 0h o p s s 。2 0 世纪9 0 年代，出现了 短波高速跳频电台，跳频速率高达5 0 0 0 h o p s s 。在超短波波段，跳频速率大多在 1 0 0 h o p s s 2 0 0 0 h o p s s 。工作在高频段的跳频系统，容易实现更高的跳频速率， 如j t i d s 工作在l 波段，调频速率高达7 6 9 2 3h o p s s 。 2 2 7 跳频周期 跳频周期是指每_ 跳占据的时间，用正表示。疋等于跳频驻留时间和信道切 换时间之和，与跳频速率成倒数关系。跳频驻留时间是指跳频电台在各个信道频 率上发送或接收信息的时间，用瓦，表示。信道切换时间是指跳频电台由一个信道 频率转换到另一个信道频率并达到稳态时所需的时间，用已，表示。信道切换时间 包括功率下降时间乃、功率无输出时间吃和功率上升时间乃。 2 2 8 初始同步时间 从跳频发射机开始发送初始同步信息到跳频接收机实现与发射机同步，并进 入跳频通信状态所需要的时间，称为初始同步时间。 初始同步时间影响跳频通信的顽存程度。同步过程一旦被干扰破坏，跳频通 信系统将瘫痪，通常希望初始同步建立的过程越短越好，越隐蔽越好。超短波跳 频电台初始同步时间应小于0 6 s 。 2 2 9 迟入网时间 跳频电台欲进入正在工作的跳频通信网时，该跳频电台从进入跳频工作状态 起到正确入网的时间，称为迟入网时间。 中速和高速超短波跳频电台迟入网时间应小于6 s 。g j b2 9 2 9 9 7 规定，短波 跳频电台应具有迟入网功能，但没有规定具体时间。 2 2 1 0 同步概率 同步概率为跳频电台建立同步的次数与发送同步信息的总次数之比。g j b 2 9 2 9 9 7 规定，对于短波跳频电台，同步概率优于9 5 。g j b2 9 2 8 9 7 规定，对于 第二章跳频通信系统的原理 超短波跳频电台，在误码率为1 0 ，收发双方时差小于1m i n 时，同步概率不小于 9 5 ；在误码率为1 0 之，收发双方时差大于或等于5 m i n 时同步概率不小于9 5 。 2 2 1 1 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 可以用时间表示。用时间表示的跳频序列周期等于用位数表示的跳频序列周期乘 以每跳占据的时间。短波跳频电台的跳频序列周期应不少于1 年。超短波跳频电 台的跳频序列周期应不少于1 0 年。 跳频序列周期，与抗截获( 破译) 的能力有关。跳频序列周期越长，敌方破 译越困难，抗截获的能力越强。对于跳频速率较高的通信系统，在战争中，由于 敌方无法侦收到跳频信号，跳频序列周期可以短一些。对于跳频速率较低的通信 系统，敌方有可能侦收到跳频信号，如果跳频速率较低的通信系统，敌方有可能 侦收到跳频信号，如果跳频序列不长，敌方就有可能成功地破译出跳频序列的构 造方法，从而实现瞄准式干扰，甚至窃听通信方的信息。因此，跳频序列周期， 通常需要长达数年甚至更长的时间。 2 2 1 2 组网方式 根据是否具有统一的时间基准，跳频组网方式可分为同步组网和异步组网。 根据跳频序列的汉明相关性能，跳频组网方式可分为正交组网和非正交组网。因 此，跳频组网方式有：同步正交跳频组网；同步非正交跳频组网；异步非正交跳 频组网。 2 3 软件无线电的一般概念 1 9 9 2 年5 月，在美国电信系统会议上，m i t r e 公司的j o em i t o l a 首次提出了软 件无线电的概念，其核心思想是：构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬 件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信 协议等用软件来完成，并使宽带a d 和d a 转换器尽可能的靠近天线，以研制出具 有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。软件无线电的概念一经提出，就 得到了全世界无线电领域的广泛关注，对软件无线电的研究在国际范围内迅速展 开。 1 2 基于软件无线电的跳频通信系统g m s k 信号的接收研究 2 3 1 软件无线电的概念及特点 由于技术的不断变化和应用的扩展，对软件无线电的概念、结构、实现、用 途等都在不断的发展之中，目前还不能给出一个严格而全面的定义。但是根据大 多数专家的理解，可以这样定义：软件无线电是将模块化、标准化的硬件单元以总 线方式连接构成基本平台，并通过软件加载实现各种无线通信功能的一种开放式 体系结构。 1 ) 可编程性。软件无线电是在通用硬件平台的基础上，采用不同的软件来实 现不同的功能。即简化了硬件设计，原先硬件实现的功能由软件来实现。同时， 对于系统增加的新业务，也通过编制新的软件来完成。 2 ) 灵活性。由于采用软件编程来实现系统功能，因此可以通过修改软件来改 变信号的接入方式、调制方式等。 3 ) 集中性。软件无线电的多个信道共用一套硬件平台，即共享前端和宽带a 用和d a 转换器，使得系统相对成本降低。 2 3 2 软件无线电的发展历史与现状 从七、八十年代开始，随着数字处理技术的发展和成熟，传统的无线电台从 系统的控制、信源信道编解码、硬件技术等多方面都实现了从模拟到数字的过渡。 微电子技术的发展使得器件的集成度越来越高，各种数字电路和数字芯片广泛用 于通信设备中，使无线电台的体积、重量和功耗都大大减小，在功能和性能方面 都有了长足的进步。但是，数字电台仍存在许多不足之处，其功能的实现对于硬 件有很强的依赖性，特定的电台仅能在特定的通信系统中使用，不能在不同的通 信系统中实现通用；另外，随着功能业务的扩展，新老电台的兼容性很困难。因 此，面对无线通信系统中的多种制式，现有的无线电台无法满足未来个人通信的 目标。1 9 9 2 年5 月，有入在美国电信系统会议上首次明确提出了软件无线电的概 念，引起了各方面特别是军方的注意。 从软件无线电技术的提出到现在，军方的研究经历了从无到有的飞速发展阶 段，但由于民用移动通信所用频带很高，算法复杂，目前的a d 采样以及d s p 处理 能力等方面距实时性要求还存在一定的距离。 我国也在积极开展对软件无线电技术的研究工作。1 9 9 6 年软件无线电技术被 列入国家“8 6 3 ”计划通信主题的研究项目，1 9 9 年被列为国家自然科学基金的重点 资助项目，并且国内几大通信公司也都在进行软件无线电技术的研究和开发，不 少高等院校和科研所也都做了不少的努力，并取得了一定的成果。 第二章跳频通信系统的原理 1 3 2 3 3 软件无线电的关键技术 软件无线电的工作频率范围为2 m h z - - 2 0 0 m h z 。要设计如此宽频带的天线按 照传统方法是无法实现的。因此，一般采用多频段组合式天线，即在全频段甚至 每个频段使用几副天线，组合起来形成宽带天线。在软件无线电中，也可采用智 能天线。它是一个由n 个天线单元组成的阵列天线，每个单元有m 套加权器，可形 成m 个不同方向的波束。在实际使用时，通过调节权值矩阵，可以改变阵列的天 线方向图，从而使得波束随着用户走，抑制了干扰，提高了信噪比。软件无线电 的特征之一就是将a d 和d a 转换器尽量靠近天线，减少模拟环节，在较高的中频 段甚至射频段对信号进行数字化。这就对a d 和d a 转换器的性能，如转换速率、 工作带宽和动态范围等要求较高，要求具有高速i 宽带有较大的动态范围【l 们。 数字信号处理是软件无线电的核心。软件无线电中除了信号的射频转换与 a d 和d a 转换外的所有功能，都可在d s p 上实时实现，包括上下变频、基带处理、 调制解调、比特流处理以及解码，对于跳频和扩频系统，还包括解跳和解扩。因 此，对d s p 的要求很高，要求其具有高速的数字运算能力和数据通信能力。当单 个d s p 处理能力不足时，可采用多个d s p 芯片的并行处理来提高运算能力。如 q u a d c 4 0 m c m 处理器包括4 片t m s 3 2 0 c 4 0 处理器s m b 内存，时钟频率5 0 m h z ， 已用于多频段多模式军用电台。随着计算机技术、微电子技术和大线技术的发展， 软件无线电必将成为无线电通信领域的核心技术。 随着计算机技术、微电子技术和天线技术的发展，软件无线电必将成为无线 电通信领域的核心技术。 2 4 软件无线电中的基本理论 2 4 1 信号采样理论 1 奈奎斯特采样定理 奈奎斯特采样定理指出：一个频带限制在( o ，厶) 的连续模拟信号，如果采样 频率z 大于或等于2 丘，则可以由采样序列缸 正) ) 无失真的恢复原始信号x ( f ) 。 即对带限信号的采样率至少为最高频率的2 倍才能无失真的恢复原始信号。 由采样定理可知：若采样率z 2 厶采样后信号的频谱 q 缈 ， 0 j 研 略 。一 叫 木 缈 缈 x 沏 x。 x 一 瞰 。一 上乃土l l i = 力0墨 第二章跳频通信系统的原理 1 5 j x ( 厂) 广v 八 一 ， ( d ) 混叠现象 图2 - 2 采样信号频谱与原始信号频谱之间的关系 图2 2 ( a ) 为一个带限信号的频率示意图，由图可知，信号限制在0 之内， 若z 2 厶，周期性频谱无混叠现象，如图2 2 c o ) 和图2 - 2 ( c ) 所示。再经过截止频 率为z 的理想低通滤波器后能够将原始信号无失真的恢复。如果z 2 后连续相位与离散相位的信号带宽基本相同。如果我们以包 含9 0 以上的功率来确定信号所占据的频带，则根据功率谱密度曲线可算得不同 调制指数情况下，相位离散的b f s k 信号所占带宽如表2 1 所示。相位连续的b f s k 信号所占带宽如表2 2 所示。 表2 1相位离散的b f s k 信号所占的带宽 调制指数h 0 81 52 归一化带宽b f s 2 83 54 带宽b 2 8 传3 5 f s 4 f s 表2 - 2 相位连续的b f s k 信号所占的带宽 调制指数h o 6 o 70 8 1 o1 5 归一化带宽b f s 1 52 53 带宽b 1 5 f s2 5 f s3 f s 下面给出无噪声情况下，b f s k 、m s k 、g m s k 的功率谱。如图2 1 8 所示。 坌 苫 已 富 重 琶 g 晏 缸 主 图2 1 8b f s k 、m s k 、g m s k 信号功率谱对比 第二章跳频通信系统的原理 2 9 从图2 1 8 中，可以看到g m s k 信号的功率谱在高频滚降明显快于m s k 信号 和b f s k 信号。因而，把g m s k 调制用于超短波跳频通信系统中是有意义且可行 的。 3g m s k 的误比特性能 当采用理想的最大似然准则时，在高信噪比条件下，g m s k 这一类调制方 式的误比特率性能的界限，可以近似表示为 只2 i 1p 咖馈) ( 2 - 3 1 ) 式中是加性高斯噪声的单边功率谱密度。e r f c ( x ) 是由下式表示的互补 误差函数。 e r f c ( x ) = 车f e x p ( 一u 2 ) d u ( 2 3 2 ) 石“ 而d m i n 是在t 。到t ：的时间间隔内，在希尔伯特观察空间上，传号与空号两 者之间的信号距离d 的最小值，d 的定义是 d 2 = 吾f ，2 l ( f ) 一虬( f ) r d t ( 2 - 3 3 ) 式中 ) 和虬( ) 分别是相应于传号和空号传输时的等效低通包络。 但是应该指出，当误码率性能界限由式( 2 3 1 ) 给出时，只有在采用理想的 最大似然检测时才能成立。因此，对于具有相关检测的g m s k 来说，式( 2 3 1 ) 是它的近似结果【9 1 。g m s k 信号由于存在着符号间的干扰，所以误比特性能要 比m s k 差。在恒参信道中，加性高斯白噪声条件下，测得g m s k 信号相干解 调的误比特性能，在曰6 t o = 0 2 5 时，仅比m s k 下降l d b 。因此，要保持和 m s k 一样的误比特率，只有增加g m s k 每比特内的能量信噪比。实验表n t 2 6 1 ， 在衰落信道中，g m s k 差分检测的误码率性能要优于相干检测。 第三章数字中频接收机的硬件设计 3 l 第三章数字中频接收机的硬件设计 3 1 解跳电路硬件结构概述 解跳单元由a d 采样、数据缓存、实时功率谱计算、跳频信号参数统计和分 选、数字下变频等模块组成。并且根据其中后三个模块的实现特点，我们分别选 用下变频专用芯片d d c 、f p g a 、d s p 来实现。 输 图3 - 1 解跳电路硬件结构图 3 2a d 采集模块 本系统采用的a d 转换器为a d 公司的a d 6 6 4 5 ，该器件具有以下一些技术特点： 保持采样率可达8 0 m s p s ； 工作带宽达2 7 0m h z ； 无杂散动态范围( s f d r ) 为1 0 0d b ； 对2 0 0 m h z 信号采样时采样抖动时间为0 1 p s ； 数字输出可以在3 3 v 下