（通信与信息系统专业论文）无线数传系统中同步技术的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生论文第1 页 摘要 如何减少和避免敌方截获，防止和降低己方通信的干扰，是目前信息对 抗领域研究的重点和难点。扩频通信以其良好的抗干扰性，抗衰落性，成为 战术通信领域应用最广的一种技术之一。 本文设计一种具有低截获概率的无线数传系统，采用d s f h 混合扩频技 术来实现。在指挥控制车与导弹发射车之间建立安全的无线信道，实现一对 六的语音和数据实时传输。 对于无线收发系统来说，实现系统的快速同步，是保证性能的关键技术之一。 本文根据系统提出的抗干扰、抗截获指标要求，和系统具有的直扩、跳扩等技术 特点，研究了跳频同步、直扩同步、位同步、帧同步以及网同步等过程，运用m a t l a b 中的动态仿真模块s i m u l i n k 和m 文件相结合，对具有多种同步的无线数传系统进 行了性能仿真，得到了较好的结论，满足了系统要求；在仿真分析的基础上，论 文对系统的同步电路进行硬件设计，通过制作调试，达到了较好的效果。 论文对研究具有类似性能的无线数传系统具有借鉴意义。 关键字：同步直扩跳扩无线数传系统m a t l a b 西南科技大学硕士研究生论文第l i 页 a b s t r a c t h o wt or e d u c ea n da v o i dt h ee n e m yi n t e r c e p t i o na n dh o wt op r e v e n ta n dr e d u c e i n t e r f e r e n c eo i lo w nc o m m u n i c a t i o n sa r ee m p h a s e sa n dd i f f i c u l t i e si nt h ef i d do f i n f o r m a t i o nc o u n t e r m e a s u r ea tp r e s e n t g o o di n t e r f e r e n c ei m m u n i t ya n da n t i f a d i n g e n a b l es p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o nt ob e c o m et h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n o l o g yi n t h ef i e l do ft a c t i c a lc o m m u n j c a t i o n i nt h i sp a p e r , aw i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e mw i t hal o wp r o b a b i l i t yo f i n t e r c e p t i o ni sd e s i g n e da n di ti sa c h i e v e db yu s i n gad s f hh y b r i ds p r e a ds p e c m t m t e c h n i q u e as a f ew i r e l e s sc h a n n e lb e t w e e nt h ec o m m a n da n dc o n t r o lv e h i c l ea n dt h e m i s s i l el a u n c h e ri se s t a b l i s h e dt oa c h i e v eo n e - t o s i xr e a lt i m ea u d i oa n dd a t a t r a n s m i s s i o n f o rw i r e l e s st r a n s c e i v e rs y s t e m ，a c h i e v i n gf a s ts y n c h r o n i z a t i o no ft h es y s t e mi s o n eo fk e yt e c h n o l o g i e sf o rg u a r a n t e e i n gp e r f o r m a n c e s t 1 1 i sp a p e rs t u d i e sp r o c e s s e so f f r e q u e n c y - h o p p i n gs y n c h r o n i z a t i o n , d i r e c ts p r e a ds y n c h r o n i z a t i o n , b i ts y n c h r o n i z a t i o n , f r a m es y n c h r o n i z a t i o n , n e t w o r ks y n c h r o n i z a t i o na n do t h e r s ，c o m b i n e s d y n a m i c s i m u l a t i o nm o d u l es i m u l i n ki nt h em a t l a bw i t hmf i l e s ，s i m u l a t e sp e r f o r m a n c e so ft h e w i r e l e s s d a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m 谢也ap l u r a l i t yo fs y n c h r o n i z a t i o n s ，o b t a i n s p r e f e r a b l er e s u l t sa n dm e e t st h er e q u i r e m e n t so ft h es y s t e m ；b a s e do nt h ea n a l y s i so n s i m u l a t i o n , i ta l s od e s i g n st h eh a r d w a r eo ft h es y n c h r o n i z a t i o nc i r c u i to ft h es y s t e ma n d a c h i e v e sb e t t e re f f e c tb yf a b r i c a t i n ga n dd e b u g g i n gt h ec i r c u i t t k sp a p e rh a ss o m er e f e r e n c ev a l u et ow i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m s 丽m s i m i l a rp e r f o r m a n c e s k e yw o r d s ：s y n c h r o n i z a t i o n ；d s f h ；w i r e l e s sd a t at r a n s m i s s i o ns y s t e m ； m a t l a b 独创性声明 本人声l 列所声变的论文足我个人n ：导师指导下进行的研究j f 作及取得的研 究成果。j s 我所矧，除了义1 l ，特别j | l 以标汴和敛掰的地办外，沦义中彳i 包含其他 人已经发农或撰1 ；过的研究成果，也f i 包龠为获张 f 町南科技人! 学或j 它教厶机构 的学位或证 sj f i 使j i j 过的材料。0 我+ 刚l ：f i - 的川，义寸奉研究所做的任何贡献均 已在论文t i ，作j ，i j 确的说明， 二& j 了谢：卷。 签名： 廖丹娃 | l j 玑2 一弘l 关于论文使用和授权的说明 本人究令j ，解i j 百【柯科技人学仃火保尉、使f j 学位论文的规定，即：学校仃权 保科! 学位沦义的复e t ：，允许该论义彼a i 列和借| ) ；2 j ；学校町以公布咳论文的令部 或部分内缚，叮以采j t j 影印、缩印或，l e 他复制手段保存论文。 私：纳航 呼州i 签韶it 期：泖c 、 ( 西南科技大学硕士研究生论文第1 页 1绪论 1 1引言 抗干扰技术是军事通信中必不可少的组成部分，现代电子战的首要目标 是干扰敌方的通信系统，因此通信系统是否具有强的抗干扰能力，是能否取 得电子战胜利的首要条件，也是进行迅速、准确、保密、不间断通信的前提。 为了对抗各种形式的干扰和截获，提高通信系统信息传输的可靠性、安 全性，人们采用了各种技术，主要包括：扩频技术；加密技术；猝发 通信技术；天线零相技术；分集技术；开发强方向性的毫米波频段等。 这其中扩频技术因具有很强的抗干扰能力、低截获率、多址通信能力、保密 性和抗多径等诸多优点越来越为人们所认识，并被广泛地应用于军事通信和 民用通信中n ，。 扩展频谱通信技术起源于四十年代，2 0 世纪5 0 年代美国麻省理工学院 研究成功n om a c 系统( n o i s em o d u l a t i o na n dc o r r e l a t i o ns y s t e m ) ，成 为扩频通信研究发展的开端。起先的扩频技术只是用于军用通信系统、制导 系统等军事领域。随着信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展， 推动了扩频通信理论、方法、技术等各方面的研究发展和应用普及。基带的 编码和相关信号处理都变得越来越容易实现和完善，使得扩频通信从军用不 断地向民用方面普及。目前的第三代移动通信，其核心技术就是扩频通信“1 。 扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) 通信系统是建立在香农信息论基础之上， 将基带信号( 即信息) 的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进行传输，即将待 传送的信息数据用伪随机编码( 扩频序列，s p r e a d i n gs e q u e n c e s ) 调制，实 现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理，恢复 原始信息数据”，。 根据调制方式的不同，扩频通信可以分为直接序列扩频( d s s s ) 、跳频 扩频( f h s s ) ，跳时扩频( t h s s ) 线性脉冲调频扩频( c h i r p - s s ) 和兼有以上方式 中两种或两种以上的混合形式，如d s f h ，t h d s ，f h t h 等。在上述几种工 作方式中，以d s f h 混合扩频通信应用最为广泛，因为它综合了f h 和d s 的 优点，消除了它们单独使用的弱点，使得对d s f h 扩频通信系统及其抗干扰 的研究具有重要的现实意义。 西南科技大学硕士研究生论文第2 页 1 2 课题来源和研究意义 本课题来源于某厂的合作项目。主要实现的功能是：在x x x 武器系统中， 武器系统地面发射设备之间的信息( 语音和数字信息) 采用无线传输方式进 行传输，实现指挥控制车( 以下简称主站) 与六辆导弹发射车( 以下简称从 站) 之间的数据通信和话音的实时通信。设计方案必须充分考虑系统的传输 可靠性和抗干扰能力，为无线通信系统提供高可靠的数据传输链路。系统网 络结构图如i - i 所示。 从站1从站6 l 从站2 卜| 主站h 从站5 从站3从站4 图卜1 系统网络拓扑 f i g 1 1 t h et o po ft h es y s t e m 该系统主要战术指标如下： ( 1 ) 数据率：2 5 6 k b p s ； ( 2 ) 空中传输速率：2 0 4 8 m b p s ； ( 3 ) 通信周期为5 2 m s ，每个周期发控机柜向每辆导弹发射车发送3 1 个 字节，接收每辆车2 1 个字节； ( 4 ) 抗干扰方式采用d s f h 混合扩频方式； ( 5 ) 跳频速率：8 0 0 跳秒； ( 6 ) 频率范围：2 0 0 3 0 0 m h z ； ( 7 ) 主从站通信组网方式：时分组网； ( 8 ) 通信距离不小于2 0 0 0 m ； ( 9 ) 初始同步时间不大于1s ； ( 1 0 ) 静止条件下中等起伏地形，通信误码率1 0 q 。 根据系统要求和设计指标来看，本系统的关键技术有：d s f h 混合扩频； 调制解调技术；同步技术；中频数字化技术；复用技术等。 西南科技大学硕士研究生论文第3 页 系统最主要的研究难点在于d s f h 混合扩频和同步技术。 ( 1 ) d s f h 混合扩频原理 跳频和直扩系统因具有很强的抗干扰能力，是用得最多的两种扩频技 术。虽然这两种方式都有自己的独到之处，但也存在着各自的不足，见表 1 - 1 。如果将两者有机地结合起来，就可以大大改善系统性能，提高抗干扰 能力。 表1 - 1直扩和跳频的优缺点 t a b 1 - 1t h el e ri t sa n df a u i t sf o rf ha n dd s d s f h 和d s 、f h 一样，是用得最多的扩频方式之一，其原理如图1 - 2 所示，。需要发送的信号首先被伪随机码1 扩频，然后去调制由伪随机码1 1 控制的频率合成器产生的跳变频率，被放大后发送出去。接收端首先进行解 跳，得到一固定中频信号，然后在进行解扩，送至解调器，将传送的信号解 调出来。在这里用了两个伪随机码，一个用于直扩，一个用于控制频率合成 器。一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码的速率要高得 多。 采用d s f h 混合扩频技术，有利于提高系统的抗干扰性能，混合系统的 处理增益为直扩和跳频的处理增益的乘积，即为： g 。：曳= n 鱼 ( 1 1 ) p b 强号 b s 西南科技大学硕士研究生论文第4 页 或者： g 。= l o l g n + l o l g 竺堕sd b ( 卜2 ) o s 式中：如为直扩信号带宽；虽为信号带宽；n 为跳频的可用频道数。 从上面的分析可以看出，采用d s f h 混合扩频系统后，系统的抗干扰能 力提高了。将跳频系统和直扩系统的优点集中起来，克服了单一扩频方式的 不足，如：直扩系统对同步的要求高，“远一近效应影响大，这些不足正 是跳频系统的优点；而跳频系统在抗选择性衰落、抗多径等方面的能力不强， 直扩技术正好弥补了它的不足。 直扩和跳频相结合后，系统更完善、功能更强，不仅提高了系统的保密 程度，而且给敌方的窃听、截获设置了更多的障碍。在d s f h 混合扩频系统 的实现方面，采用混合扩频体制后，在一定条件下，不仅不会增加系统的复 杂程度和成本，反而会简化系统，降低成本。在实际使用中，性能要求较高 的扩频通信系统，大部分采用混合扩频方式。 图1 - 2d s f h 混合扩频通信原理 f ig 1 2t h ep rin c i p i e0 t ：d s f hh y b ri d s p r e a ds p e c t r u m ( 2 ) 同步技术 系统是由一个主站和6 个从站构成的无线数字通信网，因此主要包括的 同步有：位同步、帧同步、载波同步、d s f h 混合扩频同步、以及网同步等 墼1 5 ) 寸。 位同步是指在接收端的基带信号中提取与接收符号速率同步的时钟过 程，它是正确取样判决的基础。实现位同步的方法有插入导频法、直接法、 g a r d n e r 算法等。 帧同步是在位同步的基础上识别出数字信息帧的标志时刻，使收、发两 t 回 西南科技大学硕士研究生论文第5 页 端的帧处于同步状态。通常采用的方法有起止式同步法和插入特殊同步码组 的同步法。 载波同步是在数字相干解调系统中从接收信号中获得与发送端同频、同 相本地载波过程。通常采用的方法有插入导频法和直接法。 位同步、载波同步、帧同步是点对点数字通信的关键。对于一个数字网 来说，全网必须有一个统一的标准时钟用于同步工作，从而实现整个网的同 步【1 。 除了上述几种同步技术外，在扩频通信系统中，伪随机序列码同步也是 必不可少的。对于本系统来说，扩频同步是最关键也是最难实现的技术。 扩频同步技术的研究始于扩频通信这一概念的提出，可以说扩频同步技 术是伴随着扩频技术的出现而开始，并随着扩频技术的发展而发展。 早期的扩频通信主要应用于军事领域，此时采用发送参考序列、发送特 定同步序列、统一定时和序列状态估计等方法来实现同步，但这些方法都不 理想，只能作为一种辅助手段。随着全球定位系统的广泛运用以及c d m a 技 术走向商用，性能可靠，通用性强，且易于实现的同步方案成为研究的主流 方向 川。 一般说来，引起扩频系统同步不确定性的因素主要有以下一些： ( 1 ) 收发信机的距离引起传播的延迟产生的相位差； ( 2 ) 收发信机因温度变化引起频率的相对不稳定性引起的频差； ( 3 ) 收发信机相对运动引起的多普勒频移： ( 4 ) 多径传播也会影响中心频率的改变。 扩频接收机要能正常工作，就必须解决上述因素的干扰。 从同步的进程来看，扩频通信系统的同步包括p n 码捕获和跟踪两个阶 段。 对于扩频通信系统p n 码捕获方法的研究主要有：搜索策略及其分析方 法，包括串行搜索、并行搜索、串并行搜索；基于参数估计和信号检测理论， 研究最佳的检测和判决方式，提高检测概率，降低虚警概率；判决信号的产 生方法，即针对不同的输入信号( 基带中频，相干非相干，存在数据调制 和多普勒频移等) 和不同分布的噪声、干扰，研究最佳的相关器和匹配滤波 器结构，以获得最佳的信噪比和最短的驻留时间。”。 目前，应用最成熟和最广泛捕获方案是相关搜索技术。但不管采用何种 捕获方法，始终存在捕获效率和系统硬件复杂度之间的矛盾，即：捕获性能 的改善需要以复杂度的提高为代价。因此，如何在保持系统复杂度不变的前 西南科技大学硕士研究生论文第6 页 提下，降低捕获时间，提高捕获性能，一直是人们研究的热点。 由于时间频率的不稳定性，以及周围环境的变化，特别是解扩解跳的需 要，必须对接收信号进行进一步的跟踪，以使本地伪随机码尽可能跟随接收 信号的变化而变化，使同步精度控制在更小码元周期范围内，进一步降低数 据误码率。通常采用的伪码跟踪方式是利用延迟锁相环和f 抖动环来控制本 地码的时钟相位。 如何找到一种具有较好的实时性、较高的精确度和较低的复杂度的同步 方法对本系统的设计和实现有着非常重要的意义。 1 3 论文的主要工作和结构安排 本文首先介绍了课题研究背景和研究意义；结合课题要求和指标，分析 了系统中的关键技术，对系统中的难点技术d s f h 混合扩频技术和同步技术 做了一些简单的介绍。最后，给出了论文的主要工作和结构安排。 在第二章中，结合项目的总体设计方案：采用多进制直接扩频和跳频扩 频相结合的扩频方式，以此满足系统抗干扰、抗截获指标要求。详细介绍了 系统跳频数据帧结构设计和时序设计。对系统中的同步技术做了简单的介绍 并提出了相应的实现方式。另外，对调n 解调的实现方式以及多进制扩频 原理做了简单的介绍。 在第三章中，作者先给出了系统的仿真模型和相应的参数：根据系统的 特点，考虑易于快速同步和强抗干扰能力，提出了利用改善后的l l a d a m a r d 码来作为直接序列扩频的伪随机码；利用系统实时时间和改进的r s 序列相 结合，形成跳频伪随机序列。设计了直扩同步、跳频同步、位同步、帧同步 等同步方案，并结合m a t l a b 环境下动态仿真工具s i m u l i n k ，对它们进行了 性能仿真和分析，得到了较好的结论，满足了系统要求。最后，还给出了整 个系统的仿真结果。 在第四章中，作者在设计方案和仿真结果分析的基础上，在i s e9 1 环 境下，采用v h d l 硬件描述语言编程，对系统的同步算法进行硬件实现，通 过在m o d e l s i m 下的仿真分析，取得较为理想的效果。最后还给出了部分硬 件电路原理图和样品，具有较强的参考意义。 在总结部分中，作者对课题的研究成果进行了总结与展望。 西南科技大学硕士研究生论文第7 页 1 4 小结 本部分主要针对课题背景、研究目的与意义做了简单介绍，并给出了论 文主要工作与结构安排。 西南科技大学硕士研究生论文第8 页 2 无线数传系统的总体设计 2 1 无线数传系统总体设计框图 主、从站的原理框图如图2 - 2 所示。主站和从站主要由两大部份组成， 一是复用解复用、数据加解密、纠错编解码、直接序列扩频及解扩、网控和 话音编解码、机内自检控制功能块构成的数据处理部份；二是由接收机单元， 发射机单元，频率合成单元组成的收发信道部份。主站和从站在工作方式上 有所不同，但它们的构成和工作原理是相同的。下面将重点分析一下从站发 送端和接收端的工作原理。 a 从站发送端系统框图 b )从站接收端系统框图 图2 - i从站系统框图 从站发送端的原理框图如图2 1 ( a ) 所示，待发送数据经过数据复用器 后，对其进去编码、交织，然后送入多迸制扩频器进行扩频，然后通过m s k 调制器，形成中频信号进入混频器，进行跳频扩频调制，最后进入射频放大， 送入天线发射。 西南科技大学硕士研究生论文第9 页 图2 - 2 主、从站系统框图 f i g 2 - 2 d ia g r a mo fs y s t e r m 西南科技大学硕士研究生论文第1 0 页 从站接收机接收主站发送的射频信号，通过具有跳频本振的混频后下变 频到固定的中频上，送入m s k 解调器进行数据解调、解扩，然后在进行解码、 解交织运算，最后在网同步时钟的控制下接收本从站时隙数据，完成数据的 解复用，从而完成主站向从站的数据和话音传输，从站接收机原理框图如图 2 - 1 ( b ) 所示。 针对系统设计方案，本章接下来的内容简单介绍本系统中的关键技术。 2 2d s f h 混合扩频技术 2 2 1多进制直扩解扩 一般的直接序列扩频是将信息码与伪随机码进行模2 加来获得扩展后 的序列，这种扩频系统抗干扰能力的获得是以扩展信号带宽为代价的。在频 谱资源十分紧张的情况下，在某些信道带宽受限而又要求有一定处理增益的 场合，采用这种直扩系统是无能为力的。 采用多进制直接序列扩频技术可以有效的解决直接序列扩频系统占用 频带过宽和传输数据速率受限的矛盾n ”。 多进制直接序列扩频是利用m 个码序列进行m 进制的信息传输，其特点 是既能保留扩频系统的特点，又能压缩传输频带。 多进制扩频实际上是一种( n ，k ) 编码n ”，即k 位信息码由长为n 的伪随机 码来代表。k 位信息码有m = 2 个状态，则该多进制扩频系统称为m 进制扩 频系统。m 进制扩频系统需要m 条长为甩的相互正交的伪随机码c ；， ，= 0 ，1 ，2 朋一1 来表示k 位信息码的m 个状态，必条长为玎的伪随机码与k 位 信息码的m 个状态是一一对应关系。伪随机码c i 可以表示为： n - 1 ， q = g 。( t - n t 。) ( 2 1 ) n - - 0 式中，& ( f ) 为门函数，在o f 乏时为1 ，c 伽 一1 ，1 ) ，为伪码c ) 的第刀个 码片。 设传输的信息为： 口( f ) = 9 6 ( 卜刀瓦) ( 2 2 ) n = 0 式中，为信息码元；乇为信息码元函数；g a t ) 为门函数，在o z 互时 为1 。将口。按k 位分段，可得： 西南科技大学硕士研究生论文第”页 鲰o ) = a = g b ( t - m t b ) ( 2 3 ) 其中，丁= 红= 以为伪码的周期；瓦为伪码的码片宽度；n 为伪码的长度。k 位信息码元的加权值j - x , , , 2 卜h ，则歹为对应的信息码元的伪码标号，即七位信 息码元对应的伪码为c ，o ) ，对不同的k 位信息码元，可得不同的加权值j f ，用 c ，q ) 来对应这七位信息，从而完成了对信息的多进制扩频。它的原理框见图2 - 3 。 输入扩频信号输出 图2 - 3 多进制扩频原理 fig 2 3t h ep rin cipieo fm a r ys p r e a ds p e c t r u mc o m m u nic a tio n 多进制扩频采取编码扩频的形式，每次根据传输的l o g 比特数据从一组 朋个扩频序列中唯一映射出一个扩频码来调制载波。直扩系统的扩频增益 为： g p = b w b s ( 2 4 ) 且定义为射频带宽b w 与信号带宽b s 的比值。多进制扩频的扩频增益 为： g d ：墨墅：盟1 0 9 ，m( 2 5 ) b 硪 ? b 9 2mb 妇 z 式中丑孵为多进制扩频信号带宽；为射频带宽。当多迸制扩频系统 与直扩系统的处理增益相同时，多进制系统带宽仅为直扩系统的1 l o g ，m 。 同理，当系统扩频后射频带宽相同时，多进制扩频系统的增益是二进制直接 序列扩频系统的1 l o g ，m 倍。 与2 进制扩频比较，多进制扩频在同样数据传输速率下，可以减小传输 带宽，节约频谱资源；在同样传输带宽情况下，可以提高信道传输速率。本 系统如果采用2 进制扩频，信道传输速率仅为6 4 k b p s 。采用了1 6 进制扩频 后，信道的传输速率提高到2 5 6 k b p s 。另外，采用多进制扩频也能对数据传 输加密，提高系统的抗干扰能力。 在国内外数据电台中已有多进制扩频技术的应用，如美国的j t n d s 军用 数据链路通信系统，采用了3 2 进制扩频，国内空军飞行训练吊舱数据通信 使用的是4 进制扩频昭“。 西南科技大学硕士研究生论文第12 页 根据上述原因，本系统采用了十六进制扩频的方式。扩频的实现方法是： 将4 比特数据变为一个符号，然后利用存储在其中的3 2 位的扩频伪随机序 列对符号进行加扩。本系统中每帧数据( 含位同步数、同步码) 对应有6 0 个符号，扩频后整帧数据变为3 2x6 0 = 1 9 2 0 比特伪码数据。系统符号传输速 率为6 4 k h z ，扩频后的伪码传输速率为：6 4x1 0 3 ( 符号速率) x3 2 = 2 0 4 8 m h z 。 2 2 2 跳频解跳 ( 1 ) 频点选择 系统采用射频混频跳频方式，跳频速率为8 0 0 跳秒，采用3 2 个跳频点 的方式，由于扩频后基带数据率2 0 4 8 m b p s ；收发信道采用m s k 调制方式， 表2 - 1 跳频频点分配表 t a b 2 1t h el is to ff r e q u e n c yf o rf h 所以已调信号射频带宽为： 曲= 6 4 x 1 0 3 3 2 x 1 5 = 3 0 7 2 m h z( 2 - 6 ) 系统3 2 个频点，各频点分配如表2 - 1 。所占用频带宽度为： 西南科技大学硕士研究生论文第13 页 马2 = 3 2 x3 0 7 2 = 9 8 3 0 4 m h z ( 2 7 ) ( 2 ) 跳频帧结构设计 由于系统为跳扩混合系统，收发方采用时分组网方式进行通信，因此严 格的跳频帧结构的设计是有必要的。 系统跳频速率为每秒8 0 0 跳，每跳的时间为1 2 5 m s 。由于系统采用 1 6 进制直接序列扩频，所以每扩频符号可以传输4 比特数据。根据系统要 传输的用户数据量和系统的跳频组网开销，确定系统符号传输速率为6 4 k h z ( 符号宽度1 5 6 2 5 u s ) ，系统信道数据传输速率为6 4 10 3 4 = 2 5 6 k b p s 。因 此，每跳频帧容纳6 4 1 0 3 8 0 0 = 8 0 个符号( 3 2 0 比特数据) 。跳频帧的设计 格式如下： 用3 1 个符号作为跳频频率转换、传播时延、时钟漂移保护、数据位同 步、跳频同步和网同步等系统开销；4 8 个符号作为数据加纠错编码传输使 用，跳频时帧结构如图2 - 3 所示。 图中，整个跳频帧的时长为1 2 5 m s ，用t 7 表示。 时钟漂移保护：t l = 1 5 6 2 5 u s ，1 0 符号。系统在工作过程中，由于 振荡器的不稳定性而引起的收发信机之间的时钟偏差，因此at1 用于时钟 漂移保护。 跳频频率转换：跳频信号是由频率合成器生成的，频率合成器从接受跳 t l o 肾眦3 i = 地 刊 凸 图2 4跳频时帧结构 f i g 2 4 t h ef r a m es tr u c t u r eo ff h 频指令开始到完成频率的跳变需要定的切换时间。因此用1 2 5 u s ，8 个符 号来设置跳频频率转换的时间，在图2 - 4 中用t 2 表示。 电波信号在空中传输的时候，会引起传播时延，因此为跳频帧设置传播 时延，在图2 4 中用t 3 表示，传播时延的时间为3 1 2 5 u s 。 为了便于在适当的时刻进行取样判决，恢复出传输的信号，在跳频帧中 西南科技大学硕士研究生论文第14 页 设计了8 个符号，用于发送数据的位同步信息，图2 - 4 中的t 4 表示的位 同步信号。 t 5 是传输数据的，共占用4 8 个符号。每帧可以输16 字节用户数据， 加上8 字节纠错编码，共传输2 4 字节。主站发送给每个从站两个跳频帧 t 5 上数据的安排是： 第帧：1 6 字节+ 8 字节纠错编码= 2 4 字节。 第二帧：1 5 字节+ 1 字节全0 + 8 字节纠错编码= 2 4 字节。 如此，主站利用两个跳频帧，向从站发送3 1 字节。 从站发送给主站的两个跳频帧t 5 上的数据安排： 第一帧：1 6 字节+ 8 字节纠错编码= 2 4 字节。 第二帧：6 字节+ 1 0 字节全0 + 8 字节纠错编码= 2 4 字节。 如此，从站利用两个跳频帧，向主站发送2 4 字节。 话音数据传输速率为4 8 k b p s 。系统工作每周期t = 5 2 m s 应发送话音数 据见式( 2 - 8 ) g 4 8 0 0 0 - - 1 t o = 4 8 0 0 0 - - 1 5 2 1 0 - 3 2 5 0 比特( 3 2 2 5 字节)( 2 - 8 ) 话音发送两个跳频帧t 5 上的数据安排： 第一帧：1 字节地址或通播编码+ 2 3 字节话音= 2 4 字节。 第二帧：l 字节地址或通播编码+ 9 5 字节话音+ 1 3 5 字节全0 = 2 4 字节。 话音数据的纠错编码，在话音编码器中已经加入，这里不再加入纠错编 码。1 字节地址编码是一对一通话时加入的通话对方的地址编码。主站要与 哪个从站通话，便按下对应的按钮，电台便自动加入相应从站的地址码。主 站就只能与相应从站一对一通话，其它从站虽然能够接收到它们的话音数 据，但不是自己的地址码，便将数据丢弃，所以其它从站听不到它们的通话， 但通话指示灯闪烁。同样，从站向主站发送话音时，也加入主站的地址编码， 也只能是发话从站与主站一对一通话，其它从站听不到，但指示灯闪烁。如 果主从站在通话过程，不按下任何通话按钮，则电台自动加入通播编码，这 时，系统中任一用户讲话，所有用户均能听到。无论是一对一通话，还是通 播讲话，只要有用户通话，系统中所有用户均能知道系统正在通话。本系统 采用的是半双工通话方式，如果某个用户要通话，只能等待别人讲完后，自 己再讲话。 另外系统还需要考虑跳频同步和网同步，图2 - 4 中的t 6 的设计就是 西南科技大学硕士研究生论文第15 页 处于这种考虑。 2 3 调制解调 目前最为常用的调制技术有f s k 、p s k 、q p s k 、q a m 、 m s k 、g m s k 等。 扩频系统中一般采用m s k 或g m s k 技术，g m s k 技术是在m s k 技术之上发展起 来的，主要解决了m s k 临近信道功率泄露的问题，但其性能相比于m s k 有一 定的下降。本系统中任意时刻只有一个频点进行通信，不存在频率复用问题， 因此不考虑临近信道功率泄露，从误码率性能上考虑，采用m s k 调制解调 技术”。对于m s k 调n 解调技术并不是本文研究的重点，因此这这里不做 详细论述。 2 4 时序设计 网控和随机跳频时序 网控和随机跳频时序如图2 5 ，图中： ( 1 ) 网控时钟：周期t o = 5 2 m s ； ( 2 ) 主站收发控制p t t ：t o = 1 5 m s ； ( 3 ) 从站1 的收发控制p t t ：t 1 = 2 5 m s ； ( 4 ) 从站2 的收发控制p t t ：t 2 = 2 5 m s ； ( 5 ) 从站3 的收发控制p t t ：t 3 = 2 5 m s ； ( 6 ) 从站4 的收发控制p t t ：t 4 = 2 5 m s ； ( 7 ) 从站5 的收发控制p t t ：t 5 = 2 5 m s ； ( 8 ) 从站6 的收发控制p t t ：t 6 = 2 5 m s ； ( 9 ) 话音收发控制p t t ：t 7 = 2 5 m s ； ( 1 0 ) 跳频时钟：周期t 8 = 1 2 5 m s ； ( 1 1 ) 跳频时帧：帧时t 9 = 1 2 5 m s ( 每秒8 0 0 跳) 。 其中各从站收发控制p t t 信号和话音收发p t t 信号，在有数据和话音发 射时，产生该p t t 信号，使系统处于发射状态，在无数据和话音发射时，不 产生p t t 信号，使电台处于接收状态。主站的p t t 信号宽度t o = 1 5 m s 覆盖 了给6 个从站发射数据的时间，每个从站占用2 5 m s ，当主站没有数据发射 时，主站用6 个从站各自占用的2 5 m s 轮流向各从站发送网同步和跳频同步 信号，以便保持系统时分网络和跳频时序的同步；当有数据发射时，发给哪 西南科技大学硕士研究生论文第16 页 个从站的就占用哪个从站的2 5 m s 时间发送。主站给6 个从站都有数据要发 送时，此时t o = 1 5 m s ，不发送时，处于接收状态。 主站利用： 跳频时帧1 、2 向从站l 发送3 1 字节； 跳频时帧3 、4 向从站2 发送3 1 字节； 跳频时帧5 、6 向从站3 发送3 1 字节； 跳频时帧7 、8 向从站4 发送3 l 字节； 跳频时帧9 、1 0 向从站5 发送3 1 字节； 跳频时帧1 1 、1 2 向从站6 发送3 l 字节； 从站l 用跳频时帧1 3 、1 4 向主站送2 i 字节； 从站2 用跳频时帧l 5 、1 6 向主站送21 字节； 从站3 用跳频时帧1 7 、1 8 向主站送21 字节； 从站4 用跳频时帧1 9 、2 0 向主站送21 字节； 从站5 用跳频时帧2 1 、2 2 向主站送21 字节； 从站6 用跳频时帧2 3 、2 4 向主站送21 字节。 每个从站利用两个跳频时帧发送2 2 字节，由于脱落信号为重要信号， 在两个跳频时帧上各发送一次，即重复发送两次。 主站和任一从站，用同频半双工工作方式，利用跳频时帧2 5 、2 6 发送 话音数据信号。 从图2 5 可知，主站和6 个从站各发送和接收1 次数据和话音共占用 t i = 3 2 5 m s 时间。系统工作周期t o = 5 2 m s ，所以每个工作周期留有t 3 = t o t l = 5 2 - 3 2 5 = 1 9 5 m s ，用于主站和从站分别通过r s 4 2 2 口与发控计算机和发射 车主控计算机连接的传输时延和系统扩展。 2 5 无线数传系统中的同步技术 同步技术是扩频通信系统的关键技术，同步性能的好坏直接关系到整个 系统性能的优劣。本系统中主要包括以下几种同步技术：直扩序列同步、跳 频同步、位同步、帧同步、网同步等。 西南科技大学硕士研究生论文第17 页 、 n _ 、 - 、 中 、_ ， 图2 - 5 f i g 2 - 5 t i m in g 、 ，、 q o - 、 卜- 跳频及网控时序 、一， ，一、 、一 s e q u e n c eo f f ha n dn e t w o rk 、 o - 一 、_ 西南科技大学硕士研究生论文第18 页 2 5 1十六进制直扩同步 本系统采用的是1 6 进制的多进制直接序列扩频，扩频伪码长为3 2 位。 其基本原理是：在发送端将4 比特数据变为1 个符号，然后利用扩频伪码对 符号进行加扩。在接收端利用收到的伪随机序列与存储在本地的伪随机序列 做自相关运算，根据自相关运算的结果来判定直扩系统是否取得同步。解扩 后将1 个符号恢复为4 比特数据。 2 5 2 跳频同步 收发双方实现跳频同步的方法是：发端发射时，采用系统规定的跳频速 率( 本系统为8 0 0 跳s ) 进行跳变。收端在未接收到发端的同步信号之前， 将接收机跳频序列发生器置于某一预订状态，通过控制频率合成器输出某一 固定频率，以等待搜索发射机跳频信号中的对应频率厂。 2 5 3 位同步 接收端为了从接收信号中恢复数据信号，需要对解调器输出信号以符号 速率进行周期性的采样，判决，因而在接收端必须有一个与收到的数字基带 符号速率同步的时钟信号，来得到准确的采样定时。通过对各种位同步算法 的分析，本系统采用g a r d e r n 算法来实现位同步。 2 5 4 时分组网同步 本系统采用的是一点多址时分组网方式。其简要原理是：利用时间分割 的方法，在系统的同步下，进行轮流发射或接收。在本系统中轮流发射或接 收周期为5 2 m s 。 2 6 小结 本章中对课题指标要求进行了详细介绍，结合系统设计方案，对系统中 采用的关键技术进行了简单的介绍：主要包括多进制直扩解扩、跳频解跳、 调n 解调以及相关的同步技术等。另外，还设计了系统的时序、跳频时帧 结构。 西南科技大学硕士研究生论文第19 页 3 同步方案设计与仿真分析 对于数字通信系统来说，没有准确的同步，就不可能进行可靠的数据传 输，同步性能直接关系到整个通信系统的质量。 本章将对系统中同步算法的原理、实现方式、仿真和结果分析做详细的 介绍。在具体介绍各种同步算法之前，首先介绍一下仿真工具m a t l a b 以及 动态仿真工具s i m u l i n k ，系统整体仿真模型以及d s f h 混合扩频所采用的 伪随机序列。 3 1m a tia b 仿真工具介绍 m a t l a b 是一个包含数值计算、高级图形与可视化、高级编程语言的集 成化科学计算环境。m a t l a bt o o l b o x 提供了面向专业的函数库，扩展了 m a t l a b 的能力幢”。 s i m u li n k 是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。使 用s i m u l i n k 来建模、分析和仿真各种动态系统( 包括连续系统、离散系统和 混合系统) ，是一件非常轻松的事情。它提供了一种图形化的交互环境，只 需用鼠标拖动的方法便能迅速地建立起系统框图模型，甚至不需要编写一行 代码。它的主要特点如下： ( 1 ) 交互式、图形化建模环境 s i m u l i n k 提供了丰富的模块库以帮助用户快速地建立动态系统模型。 建模时只需使用鼠标拖放不同模块库中的系统模块并将它们连接起来。 ( 2 ) 交互式的仿真环境 s i m u li n k 框图提供了交互性很强的仿真环境，既可以通过下拉菜单执 行仿真，也可以通过命令行进行仿真。菜单方式对于交互工作非常方便，而 命令行方式对于运行一大类仿真如蒙特卡罗仿真非常有用。 ( 3 ) 专用模块库( b l o c k s e t s ) 作为s i m u l i n k 建模系统的补充，m a t h w o r k s 公司还开发了专用功能块 程序包，如d s pb 1 0 c k s e t 和c o m m u n i c a t i o nb l o c k s e t 等。通过使用这些程 序包，用户可以迅速地对系统进行建模、仿真与分析。更重要的是用户还可 以对系统模型进行代码生成，并将生成的代码下载到不同的目标机上。 ( 4 ) 提供了仿真库的扩充和定制机制 s i m u l i n k 的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能：采用m a t l a b 、 西南科技大学硕士研究生论文第2 0 页 f o r t r a n 和c 代码生成自定义模块库，并拥有自己的图标和界面。因此用户 可以将使用f o r t r a n 或c 编写的代码链接进来，或者购买使用第三方开发提 供的模块库进行更高级的系统设计、仿真与分析。 利用s i m u l i n k 进行系统的建模仿真，其最大的优点是易学、易用。目 前m a t l a b 广泛地用于控制、d s p 、通讯等系统仿真领域。 3 2 无线数传系统整体仿真模型 无线数传系统的仿真原理图如3 1 所示，其主要工作过程如下： 数据 图3 - 1系统仿真原理图 fig 3 1s c h e m e so fs y s t e m 发送端：待发送数据经过数据复用器成帧，加入跳频同步码后将数据按 帧送入数据加密器，对加密后的数据进行编码、交织运算，将交织器输出的 数据加入位同步数据后，与1 6 个3 2 位的扩频码进行扩频，形成6 4 1 0 3 ( 符 号速率) x3 2 = 2 0 4 8 m h z 的二进制数据，然后将其进行m s k 调制，形成带宽 为3 0 7 2 m h z 的信号。最后对信号进行混频处理，调制到7 0 m 中频信号后， 与频率合成器产生的3 2 个跳频载波做跳频处理( 每个跳频点的驻留时间 t h = 1 2 5 m s ) ，通过天线发射出去。接收端的过程是发射端的逆过程。图3 - 2 是系统在m a t l a b 下的仿真模型。 西南科技大学硕士研究生论文第2 1 页 图3 2 系统仿真模型 f i g 3 - 2 t h es i 朋u i a t i o nm o d e io fs y s t e m 下面将针对图3 2 中采用的扩频伪随机码和同步技术做详细的介绍。 3 3 扩频伪随机序列设计 对于一个扩频系统，在接收端能够解扩之前，一定要实现系统的同步。 而系统的同步与扩频伪随机码之间有着非常重要的联系，。由于多进制直接 序列扩频的伪随机码与跳频序列伪随机码有一定的区别，因此本节将分别介 绍本系统采用的直扩伪随机序列和跳频伪随机序列。 3 3 1直扩伪随机序