（通信与信息系统专业论文）基于tdma的高速跳频通信系统设计与同步技术研究.pdf

y8 己乙| - 摘要 在简要介绍了跳频通信原理基础上，着重研究了高速跳频通信系统的同步技 术和t d m a 组网技术，并研制出高速跳频通信电台。根据高速跳频电台的要求， 提出了系统的总体设计方案，包括物理层设计方案和链路层设计方案。其中物理 层方案包括：适合于高速跳频电台的初始同步方案、迟入网勤务同步方案。提出 了同步字头法和时间信息t o d 相结合的方法实现跳频同步，中频数字化信息处理。 链路层方案包括：跳频下的t d m a 组网方案、系统同步方案。提出了跳频下的 t d m a 的帧结构格式( 6 0 0 m s 复帧周期、1 6 子帧) 和整个通信系统如何达到系统同 步方法。 本文在高速跳频电台总体方案制定和论证基础上，设计和搭建了其硬件平台： 2 d s p + f p g a ，通过a d s p 2 1 1 6 0 软件编程，实现了跳频同步和物理层t d m a 组网， 研制出高速跳频电台的初样机。其初始同步时间为0 3 s ，同步捕获概率达到9 5 以 上，漏检概率达到l o 。1 3 以下。最后对初样机进行了一些性能测试，结果表明该高 速跳频电台满足系统要求。 关键词：高速跳频通信 中频数字化跳频同步t o dt d m a 组网 = _ 酊 a b s t r a c t t h ep r i n c i p l eo ff r e q u e n c y - h o p p e d ( h - i ) c o m m u n i c a t i o ni si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ep a p e rm a i n l yd e a l sw i t hs y n c h r o n i z a t i o nt e c h n i q u ea n dn e t w o r k i n gt e c h n i q u eb y t d m a ah i 曲- s p e e df hr a d i oh a sb e e na c q u i r e d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s t so ft h e r a d i o ，a no v e r a l lp l a no fd e s i g ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fp h y s i c a ll a y e ra n dl i n k l a y e r , i sp r o p o s e d t h ec o n t e n to ft h ep h y s i c a ll a y e ri st of i n dt h es c h e m eo fi n i t i a l s y n c h r o n i z a t i o na n dl a t e & s e r v i c es y n c h r o n i z a t i o na v a i l a b l ef o rt h eh i g h s p e e df h r a d i o f hs y n c h r o n i z a t i o ni ss e tu pu s i n gt h em e t h o dc o m b i n i n gs y n c h r o n i z a t i o nh e a d w i t ht i m eo fd a y ( t o d ) d i g i t a li fp r o c e s s i n gi su s e di nt h es c h e m e t h ec o n t e n to fl i n k l a y e ri st of i n dt h es c h e m eo fn e t w o r k i n gb yt d m aa n ds y s t e ms y n c h r o n i z a t i o ni nt h e f hs y s t e m t h et d m af r a m ef o r m a to fn e t w o r k i n g ( 6 0 0 m sd u p l i c a t ef r a m e ，16 s u b f r a m e s ) i sd e s i g n e da n dh o wt or e a c hs y s t e ms y n c h r o n i z a t i o ni sa l s od i s c u s s e d t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo ft h eh i g h - s p e e df hr a d i o ，2 d s p + f p g ai sf i n i s h e di nt h e p a p e rb a s e do nt h es c h e m ed e s i g n e da n dd e m o n s t r a t e d f hs y n c h r o n i z a t i o na n d n e t w o r k i n go ft h ep h y s i c a ll a y e rb yt d m aa r ea c h i e v e db yp r o g r a m m i n gi n a d s p 2116 0 t h ef i r s t h i g h s p e e df hr a d i oi sc o m et r u ea n di t st i m eo fi n i t i a l s y n c h r o n i z a t i o n i s o 3 s ，s y n c h r o n i z a t i o nc a p t u r ep r o b a b i l i t y i so v e r9 5 1 0 s e p r o b a b i l i t yi su n d e r10 川3 a tl a s t ，ar e s u l to fb a s i cp e r f o r m a n c et e s ts h o w st h a tt h e d e v e l o p e dr a d i om e e t st h er e q u e s t so fs y s t e md e s i g n k e yw o r d s ：h i g h - s p e e df hc o m m u n i c a t i o n d i g i t a li f f hs y c h r o n i z a t i o n t o dt d m a n e t w o r k i n g r，r -。，f f c 目录 第一章绪论l 1 1 跳频通信概述l 1 1 1 干扰、抗干扰1 1 1 2 跳频通信2 1 2 高速跳频电台3 1 3 所做工作和章节安排4 第二章基于t d m a 的高速跳频通信系统设计”5 2 1 跳频通信的理论基础0 000 5 2 1 1s h a n n o n 定理5 2 1 2 跳频系统的数学模型5 2 2 高速跳频电台主要指标要求8 2 3 高速跳频通信系统整体构成8 2 47 c 4 一d q p s k 周制9 2 4 1 调制技术的选择9 2 4 2n 4 - d q p s k 调制的原理l o 2 4 3 冗4 - d q p s k 信号的解调1 2 2 5 跳频通信系统物理层方案设计1 3 2 5 1 数据速率匹配方案1 3 2 5 21 0 0 0 h o p s s 跳频方案1 4 2 5 3 中频数字化和信号处理方案1 4 2 5 4w a l s h 序列1 5 2 5 5 数据组织格式1 5 2 6 跳频通信系统链路层方案设计1 6 2 6 1t d m a 组网1 6 2 6 2 物理层与链路层接口协议1 8 第三章跳频同步方案1 9 3 1 跳频通信的重要参数1 9 3 2 跳频同步概念2 0 3 2 1 引起跳频同步不确定性的因素2 0 3 2 2 同步的内容和主要要求2 l 3 2 3 同步扫描、捕获、确认和跟踪2 2 3 2 4 初始同步、迟入网同步和勤务同步2 3 3 3 跳频同步控制方案2 4 3 3 1 跳频同步控制思想2 4 3 3 2 时间信息( t o d ) 格式设计2 4 3 3 3 初始同步方案2 5 3 3 4 迟入网勤务同步方案3 0 3 3 5w a l s h 分配3 2 3 4 系统同步方案3 2 3 4 1 跳频组网3 2 3 4 2 组网过程和系统同步3 3 第四章系统硬件设计和同步方案软件实现3 5 4 1 软件无线电理论3 5 4 1 1 软件无线电基本思想和结构1 1 00 0 l 3 5 4 1 2 软件无线电中的采样定理3 6 4 1 3 多速率信号处理3 6 4 2 系统硬件平台设计4 2 4 2 1 硬件平台构成o oooog 4 3 4 2 2 硬件平台设计说明4 3 4 2 3 主要芯片介绍4 5 4 2 4 物理层具体接口设计j 4 7 4 3 跳频同步软件实现5 1 4 3 1 开发环境v i s u a ld s p + + 5 l 4 3 2 数字变频器参数设置5 1 4 3 3 跳频同步的软件实现5 3 第五章同步性能分析和性能测试“5 9 5 1 同步时间和最大时间间隔5 9 5 1 1 同步时间5 9 5 1 2 最大时间间隔5 9 5 2 同步性能分析6 0 5 2 1 相关码检测概率6 0 5 2 2 捕获概率与漏检概率6 0 5 3 抗干扰分析和技术展望6 3 5 3 1 系统的抗干扰分析6 3 5 3 2 同步频率的隐蔽性6 3 5 3 3 自适应跳频技术6 3 5 4 电台性能测试6 4 结束语6 7 致谢“”“”一”“6 9 参考文献7 1 作者在读期间的研究成果7 3 10t* 第一章绪论 1 1 1 干扰、抗干扰 第一章绪论 1 1 跳频通信概述 人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标 志。怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行，是摆在当 今通信工作者面前的一大课题。然而，在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗 干扰问题。很明显，随着通信事业的发展，各类通信网的建立，使得有限的频率 资源更加拥挤，相互之间的干扰更为严重，如何防止和降低这种通信相互之间的 干扰，成为一大难题。我们知道在通信中遇到的干扰分为两类：人为干扰和非人 为干扰。人为干扰是意在对敌方的通信实施干扰，达到破坏对方通信之目的，是 一种故意干扰。而非人为干扰，是一种非故意干扰，大多来自自然界的干扰，如 天电干扰、噪声等，这些干扰都是客观存在的，非故意的。由于非人为干扰是客 观存在的，对其只能是削弱( 如滤波、自适应均衡等) ，不能消除。对人为干扰， 可以消除或削弱。削弱或破坏敌方通信系统的使用效能和保护己方通信系统发挥 正常效能而采取的措施和行动，称为通信对抗。在通信中，要对抗的是那些故意 人为干扰：单频干扰，窄带干扰，跟踪式干扰，转发式干扰，带宽全频段干扰等。 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。图1 1 1 显示出了通信对抗的发展过程。 i 兰墨三垫l 抗1 二扰措施= 岁匪圈 反抗干扰措施 广l , 4 - - 广1 i 干扰机改变频率l 一抗f 扰措施i 再次改变频率l l - - - - - - - - - - - j ，l _ j 反抗干扰措施 广- , d r r _ 1 l 跟踪式干扰l 抗f 扰措施i跳频 l - - j ，l 。j 反抗干扰措施 r 甭爱翮兰磊干扰措施_ 卜广1 丽葱嚣琴丌 l 一 l 等抗十扰措施 l 反抗干扰措篪 l 宽带干扰i 图1 1 1 通信对抗的发展过程 2基于t d m a 的高速跳频通信系统设计与同步技术研究 由图1 1 1 我们可以看出，通信干扰是通信对抗的重要手段，通信对抗的双 方在对抗中发展和提高。一种有效的抗干扰措施是采用跳频通信技术。而提高通 信系统的抗干扰措施也是跳频通信的问世最为基本的出发点。 1 1 2 跳频通信 跳频通信系统，又称f h ( f r e q u e n c y - h o p p e d ) 系统，是载波频率按某种跳频码 在很宽频带范围内跳变的通信系统。跳频通信系统的基本组成如图1 1 2 所示。 图1 1 2 跳频通信系统的基本组成 号 跳频通信系统主要由跳频码发生器、能对跳频码发生器响应的频率合成器和 逻辑控制组成。逻辑控制是对系统同步、频率合成器和跳频码发生器等的控制， 它是整个跳频通信系统的核心控制部分。 用信源产生的信息流经调制后得到的信号与跳频码控制的频率合成器产生 的载波频率混频，得到射频信号。跳频码是伪随机序列，按一定的算法产生得到。 频率合成器输出的载波频率随着跳频码序列的变化而变化。跳频信号经射频滤波 器、功率放大器发射后，被接收方接收。 在接收方，接收到的信号与干扰经过混频器混频。接收方的本振信号也是一 频率跳变信号，跳变规律受接收方的伪随机序列的控制，而接收方产生的伪随机 序列与发送方的相同，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。得到的混频信号经过带通滤波器可以解调，恢复出原始信息。只有收 发双方完全同步后，接收方才能将接收到的信息解调出来，所以在跳频通信系统 中有一个逻辑控制。 与传统的通信方式相比，跳频通信系统具有如下的主要特点： 1 ) 抗干扰能力强 跳频通信抗干扰的机理是这样的：发送方的载频受伪随机码的控制，不断地、 随机地改变，躲避干扰。在接收方，用与发方相同的伪随机码控制本地频率合成 器产生的频率，使之与发方的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内；对于 i-，f 第一章绪论 3 干扰信号，由于不知道跳频系统的载频变化规律，经接收方接收后，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n t 抗干扰的目的。抗干扰 性强是跳频通信最为突出的优点。 2 1 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，发送方可根据接收方的地址码选择通信 对象。 3 ) 具有抗衰落能力。 载波频率的快速跳变，具有频率分集的作用，只要跳变的频率间隔大于衰落 信道的相关带宽，并且跳频驻留时间( 时隙宽度) 又很短的话，跳频通信系统就 具有抗衰落的能力。 4 ) 具有兼容性。 对于跳频通信而言，兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的 窄带通信系统在定频上建立通信。显而易见，兼容的好处在于，先进的跳频电台 可与常规的定频电台互通。这在跳频电台的研制上比较容易实现，只要将常规电 台加装跳频模块即可变成跳频电台。 5 1 具有一定的保密能力。 载波频率的快速跳变，使得敌方难以截获信息。即使部分载波频率被截获， 由于跳频码的伪随机性，敌方也无法预测跳频电台将要跳变到哪一频率。 基于以上优点，跳频通信越来越受到人们的普遍关注，也越来越具有广泛的 应用前景。 1 2 高速跳频电台 由于跳频通信具有很强的抗干扰能力，所以跳频电台的研制成为各国研制的 热点，特别是高速跳频电台。本论文的项目来源就是军用的高速跳频数传电台 的研制的项目。项目研究开发内容包括六大部分：面板操作控制、射频信号处 理、数字化处理和系统组网、频率合成部件设计、结构设计、电源部分。我们承 担的主要设计、研制工作是数字化处理和系统组网，包括中频数字化，跳频控制， 信号处理和跳频组网。本人参与了此跳频通信系统的研制，包括数字处理平台设 计，信号处理，跳频同步方案制定与实现，跳频组网物理层控制方案设计与实现。 实现跳频通信要解决三个关键技术问题：频率合成、跳频同步和地址编码( 跳 频码设计) 。保证跳频通信系统正常工作的关键技术之一是使收发双方能够实现并 保持同步的技术。跳频同步建立的快慢，同步系统的抗干扰能力，直接影响着跳 频系统的性能。跳频同步的实现是跳频通信的难点。当跳频速率和数据传输速率 4基于t d m a 的高速跳频通信系统设计与同步技术研究 同时提高时，此难点体现得尤为明显。如何在高速跳频同步的基础上进行时分多 址( t d m a ) 的跳频组网成为此高速跳频电台的一个关键核心问题，也正是本文要 研究和解决的问题。 1 3 所做工作和章节安排 本人在此项目研制开发过程中所做的主要工作有： 跳频系统总体设计，包括同步方案制定( 跳频同步控制策略，跳频同 步算法仿真及性能分析) 和跳频组网的物理层方案制定 数字处理硬件平台设计与调试 中频数字化信息处理 用d s p 汇编语言编制软件实现了电台的跳频同步控制和跳频组网 参与了f p g a 相关器的设计与实现，物理层和链路层之间的分层协 议和硬、软接口制定 为该跳频电台实现了两个重要功能：话音数据通信功能、数据传输跳频物理 层通道的提供。 全文各章节的内容安排如下： 第二章介绍了跳频通信的理论基础和其数学模型，根据跳频电台的主要技术 指标要求，着重讨论该跳频系统的物理层设计和链路层设计。 第三章首先介绍了跳频通信的重要参数，跳频同步的必要性，跳频同步的基 本概念。然后着重讨论了高速跳频初始同步方案，迟入网勤务同步方案和跳频组 网物理层方案。主要研究了同步频率与时间信息t o d 的关系、跳频频率选择算 法、同步定时、跳频下的t d m a 帧格式、t d m a 跳频组网、系统同步等问题。 第四章首先介绍了软件无线电的基础理论，然后详细叙述了跳频通信系统硬 件设计实现和软件设计实现。硬件平台采用了中频数字化。采用汇编语言编程。 第五章对跳频通信系统的同步性能和抗干扰性能进行了简要分析，并对该系 统作了相关的性能测试。 第二章基于t d m a 的高速跳频通信系统设计 第二章基于t d m a 的高速跳频通信系统设计 2 1 1s h a n n o n 定理 2 1 跳频通信的理论基础 扩展频谱( 简称扩频) 技术指的是采用特定的技术手段将待传输的信号在一个 宽频带上进行扩展，而这一宽频带要比发送待传输信息所需的最小带宽宽得多。 这样处理后的信号被发送出去后，接收方通过相应的处理过程获得原始信息。这 种技术所带来的好处可以用著名的香农( s h a n n o n ) 定理来加以解释。 香农定理【2 0 1 ：在高斯白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量( c ) 与信号带宽 ( b ) 、信号平均功率( s ) 及噪声功率之间满足以下公式： ，q 、 c = b l 0 9 2 il + l ( b i t s ) ( 2 一l 1 )v l1 r、， 1 v 这一定理的告诉我们：在给定b 、s n 下，高斯信道无差错传输信息的最大速率为 c 。而要维持同样大小的信道容量c ，可以通过调整信号的带宽b 及s n 来达到， 即信道容量可以通过带宽与信噪比的互换而保持不变。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速率以任意小的差错概率来传输信息。 同时，这一理论进一步指出了提高通信系统抗干扰能力的途径增加信号的传 输带宽( b ) 。 跳频通信是扩频通信的一种，所以香农定理同样是跳频通信的理论基础。 2 1 2 跳频系统的数学模型 如第一章的图1 1 2 所示的跳频通信系统，我们把它简化成如图2 1 1 的跳 频系统的数学模型来分析，以便更好地理解跳频通信系统。 m ( t ) 人入s ( 厂、u ( 。 7 k y一 r o人 莉f ) c o s ( t + 咖) 噪声，l ( f ) c o s ( 0 3 f + 矽j ) 图2 1 1 跳频通信系统的数学模型 6基于t d m a 的高速跳频通信系统设计与同步技术研究 m ( t ) 是信息数据信号，可以是模拟信号也可以是数字信号。由频率合成器产 生的频率为乃， 乃阮， ， 】 ( 2 - i - 2 ) 即乃在( _ ，一1 ) 瓦冬f j t h 内的取值为频率集阮， ， 】中的一个频率，由伪随机 码确定，瓦为每一频率( 每一跳) 的持续时间或驻留时间或跳频周期。由频率乃对应 的载波为c o s ( q f + 办) ，q 和办是( - ，一1 ) 瓦f 瓦时间间隔的频率信息和相位信 息，它是时间t 的函数。这样跳频系统的发射信号可写为： s ( f ) = m ( t ) c o s ( + 办) 一 ( 2 - 1 二3 ) 发射信号在信道中与其它用户信号s ，( f ) 、干扰j ( t ) 以及噪声，z o ) 组合后，跳频系 统的接收方接收到的信号为： 芷 u ( f ) = m f ( t ) c o s ( c o o t + # 0 ) + j ( t ) + n ( t ) ( 2 1 4 ) i = l 式中，k 是在同一带宽信道中，同时发射信号的跳频发射机数，又称同时多用户 数。和九是第f 个发射机在( j - 1 ) t 。t 瓦时间间隔发射信号的频率和初始相 位。j ( t ) 是来自外部的干扰，l ( f ) 是高斯白噪声。接收机要接收第1 个发射机发送 的信息信号m ，( t ) ，使用本地载波为： c o s ( o ) l ，t + 矽l ，) ( 2 一l 一5 ) 去解调。解调得到的信号为： g ( t ) = m l ( t ) c o s ( c o , ，t4 - 办) c o s ( ( o i ，t + 矽l ，) r + 小以) c o s ( 嘞h 办) c o s ( o ) u f + 虬) i = 2 + ，( f ) c o s ( 国i t + 矽l - ，) + n ( t ) c o s ( o ) i jt + u ) ( 2 - 1 - 6 ) 如果在( _ 一1 ) 瓦f 瓦时间间隔，通信系统的接收方的本地载波，j 与第1 发射 机发送来的频率缈l j 正好满足： q ，一。，= 国( 接收方的中频) 那么，式( 2 1 - 6 ) 的第一项可变为： = 圭朋心) c 。s ( 纠+ 删 国= ( - o i j c o i _ ， ( 2 1 7 ) ( 2 1 - 8 ) ( 2 1 9 ) ， 7 解调输出式( 2 1 6 ) 的第二项为： r w 2 ( t ) = e m f ( t ) c o s ( t o o t + # u ) c o s ( ( o l ，f + i ) i = 2 l 1 0 ) 第l 1r1 = 去所，( f ) 【c o s ( ( 嘞一，) f + ( 办一。) ) + c o s ( ( 约+ 。弘+ ( 办+ 。，) ) j ：昙童脚，o ) 【c 。s ( a c o ，t + 吮) + c 。s ( ( 嘞国。弘+ ( 办+ 。，) ) 】 式中， q = 嘞一国1 7 咖= 办一。， 只要在( j 一1 ) t h t 瓦时间间隔，有 a ( o i = 一c o l ( 2 - 1 - 11 ) ( 2 1 1 2 ) ( 2 1 1 3 ) a c o i = 2 ，3 ，k( 2 1 - 1 4 ) 和 + c o i ，a r o f - 2 ，3 ，k ( 2 一l 1 5 ) 即除第l 发射机外，其它( k 一1 ) 个发射机在( j 一1 ) t h t 瓦时间间隔使用的载波 频率，都不会同接收机本地载波频率正好相差为中频。这样，( t ) 信号在中 频滤波器的通频带之外，会被滤波器滤掉，对m ，( t ) 的接收不会造成影响。 解调输出式( 2 1 6 ) 的第三项为： 暇( f ) = j ( t ) c o s ( o j i ，t + 矽i ，) ( 2 1 1 6 ) 外部干扰信号j ( t ) ，在( 一1 ) t hst 等+ 式中，r ，= 1 7 , 为码元速率。与p ( f ) 相应的冲激响应为： 、ip， 矗 + 足一2 一 ， ，。一卫够 s0 ， c i 仉 1 2基于t d m a 的高速跳频通信系统设计与同步技术研究 舯( 焉器 ( 警) 协4 忉 在本系统中，波形形成滤波器采用升余弦滤波器。我们取= r ，4 ，其时域 波形如图2 4 2 所示。 图2 4 2 时域上的升余弦函数波形 2 4 3 州d q p s k 信号的解调 x 4 d q p s k 信号可以采用相干解调、差分解调或鉴频器解调。但对于跳频系 统来说一般采用非相干解调，故在系统设计中，为处理方便我们采用兀4 d q p s k 基带差分解调。下面对这种解调方法作简要的介绍。 图2 4 3 是7 t 4 - d q p s k 基带差分解调的原理框图。 f 阮编 c o s ( o d d + e o ) 解码电路 互一 - s i n ( t a d + o o ) 图2 4 3 椭一d q p s k 基带差分解调框图 设输入信号为瓯( f ) = c o s ( c o d + 纯) ，它在同相支路与本地载波c o s ( c o 。t + o o ) 相 乘，滤出的低频分量经取样后，得 呒= 吾c 0 s ( 仇一0 0 ) ( 2 4 8 ) 频通信系统设计 1 3 由此可得 u k 2 l l c o s a 9 t 圪= 丢s i n 觇 吣c 留- l ( 钞吼 出的低频分量经取样后，得 ( 2 - 4 - 9 ) 与发送端调制器所用的低通滤 ( 2 - 4 - 1 0 ) ( 2 - 4 1 1 ) ( 2 - 4 - 1 2 ) 因此，由表2 4 1 和式( 2 - 4 - 1 2 ) ，通过差分相位解码，再经过并串变换，就可以 得到调制前的原始数据。 在基带差分解调中，设计的难点在于本地振荡器。如果本地振荡器的频率与 信号的载频存在着频差缈，则在一个码元内，将有2 趔归的相位漂移。该相位漂 移可引起误比特率性能的严重恶化。所以我们应该控制跳频双方的频差到最小值。 2 5 跳频通信系统物理层方案设计 2 5 1 数据速率匹配方案 我们知道，跳频电台的数据传输速率要求是2 5 6 k b p s 1 2 8 k b p s 。两种不同的数 据速率，但对于物理层而言其波特率是相同的。所以我们可以用不同的编码实现 数据速率的改变。 数据速率为2 5 6 k b p s ，经过n 4 d q p s k 调制方式调制后，在物理层信息传输 的波特率为1 2 8 k b d 。也就是说，在跳频状态下我们的物理层设计必须满足每一跳 能传送1 2 8 个码元。如果一个码元我们用1 1 个样点去表示，这样在跳频状态下每 一跳，系统必须传送的样点数为1 2 8 n 个。在此方案设计中，我们选用n = 5 ，这样 我们得到每一跳的信息采样次数为1 2 8 5 = 6 4 0 次。系统设计要求跳频电台的跳频 速率为1 0 0 0 h o p s s ，即每跳占用l m s 的时间，这样要求我们的系统信息采样率为 6 4 0 k s p s 。这样每一个样点间隔为1 6 4 0 k = 1 5 6 2 5 u s ，可以看出每个样点的处理 1 4基于t d m a 的高速跳频通信系统设计与同步技术研究 时间非常有限。 当我们要求数据传输速率为2 5 6 k b p s 时，我们可以在r d 4 d q p s k 调制的输入 端直接输入，经过调制后输出发送。但当我们要求数据传输速率为1 2 8 k b p s 时， 我们先把1 2 8 个码元，扩展成2 5 6 个码元，扩展规则为同时使i 路和q 路输入同 一信息码元，这样再进行n 4 d q p s k 调制后输出发送。 这里还有一个问题出现，系统的跳频的频道间隔为2 0 0 k h z ，而信息输入速率 1 2 8 k b p s x 2 ，有些不妥。这个问题的解决我们可以将频带压缩，这是在n 4 d q p s k 调制时通过升余弦滤波器里实现的。在升余弦滤波器中，我们取= r 。4 ，这样 码元速率从1 2 8 k b p s 降低到9 6 k b p s ，这样带宽9 6 k 2 = 1 9 2 k 一( 2 0 0 k h z ) 。 2 5 2 1 0 0 0 h o p s s 跳频方案 从2 5 1 节中，我们可以看出，系统信息的采样率每秒6 4 0 k s p s ，每一跳发 送或接收的样点数都是6 4 0 个，这样在系统中我们可以通过对6 4 0 个样点计数来 实现1 0 0 0 h o p s s 的跳频速率。当我们样点计数到第一样点时，通过控制频率合成 器去跳变一次频率，当样点计数到6 4 0 样点时，样点计数器清零。因为系统的采 样率为6 4 0 0 0 0 s p s ，这样实现的跳速6 4 0 0 0 0 6 4 0 = 1 0 0 0 h o p g s ，正好达到系统要求。 当然系统中的频率合成器要求频率转换时间短、频率输出稳定。实际上频率 合成器的频率转换时间为l o n s ，而我们的样点计数间隔为1 5 6 2 5 u s ，所以我们不用 考虑频率转换时间对系统设计的影响。 2 5 3 中频数字化和信号处理方案 从2 5 1 节中，我们可以看出，系统信息的采样率为每秒6 4 0 k s p s 。而系统 要求的中频频率为1 0 7 m h z ，怎么样达到信息取样率的匹配呢? 我们可以采用中 频数字化解决信息取样率的匹配问题。在接收时，我们采用每秒4 8 m 的速率去对 1 0 7 m h z 的中频信号采样( 满足n y q u i s t 采样定理) ，通过下变频可以得到6 4 0 k s p s 的采样率。同理，在发送时，我们通过上变频达到信息取样率匹配。中频数字化 的实现是通过上下变频器来实现的。 系统信息的采样率为每秒6 4 0 k s p s ，对于处理器的一些实时信息处理，时间 上还是不够的，比如说跳频的同步信息提取。因为我们同步信息提取主要同步相 关运算来实现的，相关运算是实时进行的，即要求每个样点都要完成一次相关运 算。当然我们的主处理器在如此短( 1 5 6 2 5 u s 样点间隔) 的时间内不能总是去相关运 算，所以我们提出对于相关运算，专门采用另一个处理器来完成。我们采用f p g a 来实现相关运算，这样方便主处理器对整个系统的控制和信息处理。 第二章基于t d m a 的高速跳频通信系统设计 1 5 主处理器可以在规定的时间内读取相关器，也可以在另一规定的时间内读取 数据信息。因为相关器做相关运算是实时的，也就是说，当主处理器读取数据信 息时，数据同时也送给了相关器( 只不过此时相关值我们不用而已) ，所以输入数 据必须达到可以送给主处理器和相关器的要求。这样我们可以根据地址来读取我 们想要的数据信息。相关器也具有信号的解调功能。 图2 5 1 为我们设计的中频数字化和信息号处理接口图。中频数字化和信号 处理方案，是整个系统软硬件设计