（信息与通信工程专业论文）超短波高速跳频系统数字相位调制解调研究.pdf

浙江大学硕士学位论文y8 7 6 5 8 9 摘要 随着通信技术的发展，军事通信对无线电台的高速数据传输能力和综合抗干扰能力提出 了越来越高的要求。近年来，跳频通信技术作为一种抗干扰、抗截获、抗检测的安全传输方 式已广泛应用在各种军事无线通信领域。同时各军种之间相互通信和联合作战要求有一个开 放式、可扩展、标准化的软、硬件平台结构，软件无线电的思想被广泛应用。 本文将软件无线电的思想和跳频通信技术相结合，提出了基于软件无线电平台的跳频超 短波电台调制解调物理层实现方案。结合跳频通信特点选用8 p s k 和n 4 d o p s k 两种相 位调制方式进行分析，特别讨论了其中信号到达检测、位定时和载波同步和信道均衡三部分 关键技术。最后基于m a t i ，a b 理论仿真的基础，在t i 公司的t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 芯片上实现了 整个系统。 本文的章节内容安排如下： 第一章，主要介绍了军事无线通信的背景，软件无线电技术以及跳频抗干扰通信，特别 介绍了超短波跳频通信在军事系统中的发展。 第二章，论述了跳频传输模式下数字相位调制系统的设计。首先介绍了跳频系统的体 系结构，分析了跳频传输对相位调制系统设计的影响。接着针对跳频通信的特点设计出跳频 传输模式下的两种线性相位调制方式8 p s k 和4 d q p s k 的系统结构。 第三章，对跳频突发通信中的信号到达检测技术进行了讨论，分析了基于特殊导频的功 率检测和相关检测两种检测方法，对其性能进行仿真，分析比较后提出了优化的方法。 第四章，主要讨论位定时同步和载波同步的实现。提出了前向结构的同步方法，从初始 参数估计、参数环路跟踪和解调参数校正三部分介绍了整个同步和校正过程。 第五章，主要讨论信道均衡技术。基于对无线信道的分析，指出本文的信号经历的衰落 类型为频率选择性慢衰落。提出了一种利用训练序列的判决反馈均衡快速信道估计算法，并 给出了算法的仿真和性能分析。 第六章，给出系统的m a n ，a b 仿真结果；结合实际项目经验，给出了硬件平台结构和 软件程序框图，以及在d s p 上实现系统的软件处理流程和代码优化经验；最后结合实测结 果，说明系统性能。 【关键字】跳频，数字相位调制系统，信号到达检测，位定时同步，载波同步，信道均衡 浙江大学硕士学位论文 a c c o r d i n gw i t ht h ed e v e l o p i n e mo fc o m m u n i c a t i o n 把c l l i l o l o g y w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i n m i l i t a r yr e q u i r e sh i g h e rp e r f o r r n 8 n c e ，s u c ha sh i g hd a t ar a t ea i l di n t e g r a t e da m q 啪m i n ga b 订i t y r e c e n t l y ，f r e q u e n c y _ h o pc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nw i d e l yu s e d i nm a n ym i l i t a r yw i r e l e s s c o m m u n j c a t i o nd o m a i n sa s as e c u r et r a n s m i s s i o nm o d e m e a n w h i l ei m e r c o m m u n j c a t i o na i l dj o i n t f i g h t i n ga m o n gd i 脑r e n tm i l i 伽yf o r c e sn e e da n 叩e n ，e x p a n d a b l e ，n o n n a l i z e ds o f h a r e 蛐d h 盯d w a r ep l a t f o 瑚t h e r e f o r el h ei d e ao f s o 胁a r ed e f i n e dr a d i oh 鹊b e e nw i d e l yu s e di nn t h i s 血e s i sp r o p o s e s 蛐e n t i r es o l u t i o no f m o d u l a t i o na 1 1 dd e m o d u l a t i o n ，w h i c hi si m p l e m e n t e d o nt h ep h y s i c a l l a y e ro ft l l ev h f ，u h fr a d i ob a s e do nt l l es o f h v a r ed e f i n c dr a d i oa 1 1 d 舶q u e n c y h o p p i n g 把c h n o l o 彤t w ol i l l e a rp h a s em o d u l a t i o n s 墙p s ka l l d 小一d q p s k a r eg i v e na c c o r d i n gn l e c h a r a c t e r i s t i c so fn q u e n c yh o p p i n g t h r e ek e yt e c l l n 0 1 0 百e sw e r e 蛐e rd i s c u s s e dw h i c ha r e d e t e c t i o no fb u r s td a t a ，t i m i n g 柚dc a r r i e rs y n c h r 0 咀i z a t i o na n dc h a n n e le q i l a l i z e ta tl 勰t ，m e s y s t e l nw a ss i 咖1 a t e d b ym a t l a b 卸di m p l e m e n t e do nat b x a si n s ”岫e n tc h i pt m s 3 2 0 c 6 4 1 6 t h i sp 印e ri so 毽a i l i z e da sf o l l o w s ： c h a p t c r o n ef i r s t 舀v e sab r i e fi n t m d u c t i o no fm i l i t a r yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t h e d e v e l 叩m e n to fs o f c w a r ed e n n e dr a d i o 柚da n t q 蛐m i n gt e c l l l l o l o g y a r ca l s o i n 打o d u c e d ， e s p e c j a l l yt l eh i s t o r ya l l da p p l i c a t i o no f 舶q u e n c yh o p p m gi nm i l i t a l ys y s t e m c h a p t e r t 、v oi n 仃o d u c e s t l l e 疔e q u e n c yh o p p i n gs y s c e l nd e s i g n o f d i g i t a lp h a s e m o d u l a t i o n s 一8 p s ka i l d 兀，4 - d q p s k t h en q u e n c y - h o ps y s t e mi s p r e s e n t e d ，a n dt h e nt h e i n n u e n c eo nt h ep h a s em o d l l l a t i o ns y s t e mi se m p h a s i z e d ，w h i c hi sp r o d u c e di n 骶q u 锄c y - h o p n 锄s m i s s i o n a t1 a s t ，w es c h e m eo u tm ef u r l d 锄e t 锄ds t m c h o f 曲鹊em o d u l a t i o ns y s t e m s ， c h a p t e r 也r e ed i s c u s s e sm eb u r s td a t ad e t e c t i o nt e c h n i q u e ng i v e s 廿l ed e s c r i p t i o na n d c o m p “s o nb c t w e e nt w od i 船r e n tm e 也o d s ，t l l ep o w e rd e t e c t i o n 跏dt h ec o n 1 a t i o nd e t e c t i o n c h 印t e rf o l 】rr c s e a r c h e st l l er e a l i z a t i o no f 廿m i n ga r l dc 删e rs y n c h r 0 i l i z 撕o n t h i sp m c e s s i n c l u d e st 1 1 r e ep a n s ：i n i 廿a lp a 舳e t e re s t j m a t i o n ，p l l ( p h 髂el o c k c d1 0 0 p ) e 玎we x t r a c t i o na n d p 猢e t e rc o r r e c o n c h a p t e r6 v ef b c u s e s 彻c h a n n e le q u a l j z e rb 舾e do nt 1 1 ea n a l y s i so fw i r e l e s sc h a n n e l ，w ep o i n t o u tm es i g n a l si nt h i ss y s t e mc o m et t l i d u g ht l l ef k q u e n c y - s e l e c 廿v es l o wf h d m gc h a l l i l e l af 酞t c h a n n e ie s t i m a t i o nd e c i s j o n - f e e d b a c ke q u a l i z e rp f e ) a l g o r i t h mi sp r o p o s e d ，w h i c hi sb a s e do n t 1 1 en a i n i n gs e q u e n c e s t h ea l g o r i t l l mi ss i m u l a t e da n dt h ep c r f b m a i l c ei s 锄a l y z c d b a s e do nt 1 1 ee x p e r i e n c eo fp 删e c t s ，c h a p t e rs i xp r e s e n t sl h er e a l i z a t i o no fh a r d w a r e a n d s o 丘w a r e w es i m u l a t et l l es y s t e m sb y 州t l a b ，a n d 酉v et 1 1 eh a r d w a r ep l a t f 0 蛐a 1 1 ds o r w a r e a r c h i t e c t i l r eo nd s pc h i p t h ef l e l d t e s tr e s u h sw i l lb ep r e s e n t e dt od e m o n s m l t et i l e s y s t e m p e r f o n n a n c e 【k e yw o r d s 】：f k q u e r l c yh o p p i n d i 舀t a lp h a s em o d u 】a t i o ns y s t e m ，b u r s td a t ad e t e c t i o n ， t i m i n ga n dc a 而e rs ”c h r o n i z a t i o n ，c h a 曲e le q u a l i z e r i i 浙江大学硕十学位论文 第一章绪论 随着二十一世纪信息时代的到来，通信技术的发展日新月异。在军事领域，信息化战争 登上了现代战争的舞台。无线通信作为军事通信领域不可或缺的重要通信手段，其核心技术 也在不断的发展与进步。 传统的军用电台往往根据某种特定用途设计，功能单一，极大的限制了不同电台之间的 互联互通，给协同作战带来了困难。随着软件无线电技术的提出，很多过去无法实现的想法 已变得可行，更多部分通过软件实现，从而提供不同应用条件下速率和质量的最优折衷方案。 在现代信息战中，战场电磁环境更加恶劣，通信电子战日益激烈。为了保证通信链路的 安全可靠，研究各种用于军事通信的抗干扰、抗侦收、抗测向等技术就显得十分必要。 调制解调技术作为现代传输技术核心之一，也在不断的发展与进步。发展中的调制解调 技术也为军事无线通信提供了有效可实现的解决方案，也成为人们研究的重点技术之一。 本章将概述军事无线通信、软件无线电及跳频通信的背景知识，并介绍本文主要工作。 1 1 军事无线通信背景 通信，顾名思义，就是通达信息，通信自诞生那天起，就与战争结下了不解之缘。最早 将信息与战争结缘的是法国名将拿破仑，2 0 0 多年前就指出，“信息在战争中起着9 0 以上的 作用”。在现代信息化战争中，通信的地位和作用尤为突出，被誉为信息化战争综合信息系 统敌我较量的“生命线”，是作战指挥的“神经网络”。 无线通信可实时获取和处理信息，有着移动性和灵活性的优势，一直在军事通信中占据 重要的地位。在无线通信技术中，各种技术具有各自的特色，各有用武之地。如何将这些技 术综合应用，为未来战争提供最可靠的通信支持，是各国军事技术专家考虑的重要问题。 军事领域一直是短波、超短波通信最重要的应用范围。在这一通信领域的几次重大的技 术突破，其原动力都来自军事市场。在海上战争中，短波单边带通信技术占有十分重要的地 位。不论是潜艇、水面战舰，都通过安装短波单边带电台来与外界联络。超短波通信是在1 s 机和地面通信战、飞机和海上舰船以及飞机和飞机之间使用，它是航空通信的重要手段。随 着现代航空事业的不断发展，对机载短波、超短波通信技术和系统性能要求也越来越高。目 前乃至今后军事领域的通信仍将是短波、超短波通信最重要的市场。 随着现代通信技术的进步，军事无线通信的发展逐渐呈现如下趋势： 1 堡金二佳氇 未来信息化战争，是一体化联合作战。战争中通信系统，也面临系统设计和业务方面的 综合一体化进程。作战指挥要依靠集预警探测、情报侦察、信息传输、指挥控制、电子对抗、 综合保证等集于一体的指挥信息系统，其应用范围将覆盖陆、海、空各军种、上至最高指挥 官，下至前线单兵，以实时或近实时方式交流和共享信息。 浙江大学硕士学位论文 2 些盘查拄丝 目前，军事通信的信息己由简单的话音指令发展到数据报文、高速图像信息和数字机密 信息等一些数据量火、传输质量要求高的数字信息，并对多种内容结合的多媒体信息传输提 出了要求。为了提高通信设备传输速率，在调制体制、信号检测、传输速率三个方面发展了 许多新的技术，如传输速率的自适应技术、信道自适应搜索、信号检测的各种软判决技术等。 3 自适廑网络 信息战是以网络为中心的战争。从点对点链路、一点对多点、多点对多点到无线a dh o c 网络，军事通信网络要求快速灵活机动，对网络的移动性、自组织性、接入方式提出了越来 越高的要求。 4 塑型整边丝 结合具体的作战需要，对于车载、单兵背负等军用通信设备，微型移动化已成为用户要 求和技术发展的必然。在微型移动设备的结构设计、功耗设计等方面，提出了新的挑战。 5 全藏匿拯王热 随着通信电子战日益激烈，努力发展高频段、高抗干扰技术和高安全防护技术，提高系 统的通信容量、强抗干扰能力和安全防护能力显得愈加重要。自适应均衡、跳频技术、扩频 通信系统以及天线自适应调零等多种新技术。也陆续在军事短波、超短波通信领域发挥作用。 6 熬鲑玉堡垒 单一模式的电台和数据链平台已不能满足建立在高度信息共享基础上的战争，未来的 电台将基于软件无线电技术，通信系统将从硬件实现向通用平台加可重配置软件方向发展。 1 2 软件无线电介绍 在j m i t o l a 提出的软件无线电系统结构中“1 ，认为理想的软件无线电平台应该由多波 段的r f 天线、超高速的宽带a d d a 变换器、可编程硬件平台( 如d s p 处理器和通用c p u ) 组成。a d d a 变换器直接对射频信号进行量化或生成射频信号，由d s p 处理器完成上下 变频、调制解调、信道编解码、加解密、信源编解码，用主处理器( 如通用c p u ) 来实现系 统的控制和人机界面。图卜1 为一个典型的软件无线电收发机模型。3 。 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 一。一一。一一一。一一一一一。一一一一一一一一t 一一一一一一一一一一一 i 一塑塑，一j 一竺翌上一! 置竺上：苎曼； 图卜l 软件无线电模型框图 软件无线屯的灵活性和软件的可重构性依赖于一个开放的、可扩展的强大的硬件平台， 考虑用基于总线结构的平台构架来满足上述要求。制定了统一的接口标准，通过总线连接各 个功能单元。可以采用目前已经广泛应用于n _ ：| 业界的总线标准，如p c i 、v m e 等，实现起 - 2 一 浙江大学硕十学位论文 来相对简单。目前很多信号处理器件也支持这些接口( 如，很多f p g a 、d s p 带有p c i 接口) 。 总线结构的硬件平台构架比较适合软件无线电。图1 2 所示的硬件结构就是总线型的。 图l2 总线结构的软件无线电硬件平台模型“1 软件的体系结构对软件无线电十分重要。为了保证系统的开放性及可扩充性，应在 i s o o s i 的基础上建立软件无线电的软件体系1 5 】( 如表1 1 所示) ：。 表卜l 软件无线电虚拟机模型 0 s i 无线电软件无线电 应用层无线电系统用户、发送、信道、接收、用户 表示层控制信令、控制 会晤层资源电台功能的映射 传输层信号流信号流处理及变换 网络层波形合成 原语综合、信令描述 链路层原语底层d s p 原语 物理层指令集体系硬件及指令集 系统的软件模块主要包括以f 几部分：d s p 的指令、函数库；信号流变换库；滤波、 变换( ( f f t ，小波变换等) 、波形合成；调制解调算法库、扩频、跳频等；信道纠错编码算法 库；图像编码、话音编码：各种无线信令规程库。 在军用电台中，战场情况复杂多变，应用需求也十分多样。不同的应用要求步不同的速 率和质量方案，采取不同的帧结构，选用不同的调制解调和编解码方式。通过灵活的调用软 件模块，可以满足上述需求，在同一个电台中实现不同系统的共存。而且，这种系统具有很 强的灵活性，通过增加软件模块很容易增加新的功能，可以与其他收发设备进行通信并能作 为射频中继，还能通过无线方式加载和更新软件。另外，标准化、模块化软硬件结构具有很 强的开放性，硬件可以随着器件发展进行更新和扩展，软件也可以方便地根据需要进行升级。 软件无线电以其不可替代的优势，将成为下一代无线通信系统架构的首选，研究下一代 军用无线电台的各种调制解调模式在软件无线电平台上的应用与实现，有重要的现实意义。 1 3 跳频抗干扰通信 现代高技术战争中，电子战场形势严峻，各种具有快速响应能力的自动化、智能化、多 浙江大学硕士学位论文 功能通信对抗系统给军事通信带来了日益严重的威胁。要想保障通信链路安全可靠，通信系 统和装备就必须具有抗干扰、抗侦收、抗测向等反对抗能力。 通信抗干扰主要分为扩展频谱和非扩展频谱两种体制“1 ，扩展频谱是现代通信对抗技术 的发展趋势，其包含跳频、直接序列扩频、跳时、线性调频、直扩跳频跳时混合技术五种 基本类型。跳频作为无线通信中重要的抗干扰技术，一直在军事短波超短波电台中，“泛应用。 1 3 1 扩频技术概述 扩频技术的信号功率谱密度低、信息的隐蔽性好、抗干扰能力强，在军事通信中已得到 广泛应用。下面介绍主要的扩频技术，图卜3 给出了常用扩频方式的示意图。 f 1r nn 槲晰m 川山u 山u 山uu ( a ) 直接序列扩频方式示意图 世 ( b ) 跳频扩频方式示意图 ( c ) 跳时扩频方式示意图 图卜3 扩频方式不意图 1 直芷披盔g 坠s 墅 直扩通信指用一个比待传输信息符号率高得多的伪随机序列去调制载波，如图卜4 ( a ) ， 用符号率l 倍的伪随机序列去调制待传输信息。待传输信息的频谱用伪随机扩频码扩展后成 为宽带信号，送入信道中传输，在接收端利用相应手段将其压缩恢复，从而获取传输信息。 d s s s 信号频谱密度很低，具有低截获，难侦收等优点。d s s s 通信抗干扰能力得益丁二接收 机对d s s s 信号再次与原扩频伪随机序列进行波形相乘而还原出信息码序列，干扰信号则被接 收机本地伪随机码波形相乘后而扩频，绝大部分干扰能最被抑制掉了。但d s s s 信号也存在“远 近”效应，瞬时带宽较宽。要获得较高的直扩增益，必须提高伪码速率。 目前制造高速的伪码编码器还比较困难。因此较长一段时间中，d s s s 主要是用于卫星 通信、微波通信、跳频跳时结合的混合体制中，较少单独用于v i f 、u f f 战术电台中”1 。 2 鞋题挂盔皿垒墅 跳频技术是军事通信抗干扰技术中应用最广泛、最有效措施之一，其原理是用伪随机码 浙江大学硕士学位论文 去离散地控制射频载波振荡器输出频率，使发射信号的频率随伪码的变化而跳变。在跳频系 统中，信号频率在一定的时间间隔里保持不变，这个时间间隔也称为码片间隔r 。由r 和 信号比特周期五的比较，系统可以分为“快”跳系统( 1 正) 。 跳频系统的扩频方式如图卜4 ( b ) 所示。 跳频通信具有抗干扰性强、频谱利用率高、易于实现码分多址和易于兼容等优点”。 跳频技术抗干扰能力得益于信号载波频率在很宽的频带内跳变，使干扰方难以跟踪。但其瞬 时带宽同定频一样。现阶段中高速跳频技术仍是对付跟踪式干扰的有效措施，可通过提高跳 频速率，加大跳频带宽、变速跳频、适当增加跳频组网数目来增加跳频的抗干扰性能。具体 的与本文研究的基于软件无线电思想的超短波跳频通信系统将在第二章中详细讨论。 跳频通信研究始于7 0 年代，军用跳频电台在8 0 年代中期就开始装备部队，主要以美 军s i n c g c a r 、英国j a g u a r 、法国的p r 4 g 战术电台为代表。 3 堕鲢挂盔 跳时就是一种时分信道，用伪随机码随机选择信道工作时间，可视为一种伪码调制系统， 将传输时间分为若干个间隔，称之为“帧”。每一帧分为许多时间片( s l o t ) 。在每一帧的时 间中，只有一个时间片用来传输信息。如图卜4 ( c ) 所示。 跳时用时间的合理分配来避开干扰，干扰机必须连续发射才可能有效。一种更加隐蔽的 跳时通信技术是使用流星散射传输链路，现已证明这种通信是非常可靠的，具有良好的低截 获概率和抗干扰能力。当同一信道中有许多跳时信号时，可能发生几个信号相互重叠，必须 利用纠错编码或协调法构成时分多址。跳时技术常与其它方式结合应用。 4 撮盒趣撞盔 d s f h 体制是目前应用较多的一种综合扩频技术，其能获得较大的处理增益，大大提 高通信干扰能力，既发挥d s 信号低截获、高隐蔽性优点，又发挥了跳频的全部优点，使得远 近效应、多径效应、同台干扰、同步问题都较好地得到解决。 意大利的h y d r a 2 v 电台，是d s f i 体制的成功例子，由于采用了直扩技术，r f 信号谱 密度低，与单纯f h 系统相比，有9 d b 的得益，提高了抗截收、抗测向能力。h y d r a 2 v 亦是 一个宽带系统，跳率达到1 0 0 2 0 0 跳s ，不易受跟瞄式干扰机干扰。 1 3 2 超短波跳频通信的发展状况 纵观国内外超短波战术跳频通信系统研制和生产现状可以看到，现代战场上应用的先进 战术通信系统目前已达到了高度自动化、智能化、小型化和高可靠性的水平。当代超短波战 术通信系统已从过去的单一频段、单一定频功能发展到多频段通信、自适应通信、数据通信、 猝发通信、保密通信、抗截获、组网和转发等多种功能。 在超短波战术跳频通信领域，美国h a r r i s 公司、以色列t a d i r a n 公司、英国的 浙江大学硕士学位论文 r a c a l l a c t i c o m 公司和m a r c o n i 公司、法国的t h o m s o n 公司、和南非g r i n e l 公司的产品已 位于国际先进技术水平的前列。总的来看，各国交付作战部队使用的产品，普遍都体现出适 合于本国、跨国多区域作战的特色以及较高的战术技术性能和优越的环境适应性。 我国在1 9 9 6 年研制出国内第一台实用型的超短波跳频电台后，超短波抗干扰通信技术 已取得了飞速的发展。目前已陆续推出了多种类型的超短波跳频通信系统，并投入批量生产。 很多产品的性能已达到或超过了国外九十年代末的先进水平，部份技术指标已达到当代国际 先进水平。国内首创的“多含一”的系统控制器、超低功耗天线调谐器、跳频系统伪随机码 序列、叻s 频率合成器、音频数字化处理技术、宽温度控制显示技术、自适应( a l e ) 技术、 静态无直流功耗谐波滤波技术、射频语音处理技术、整机工艺等获得国家专利的多项先进技 术已成功应用到新一代的超短波战术跳频系统中。 但是，国内自行研制的部分超短波战术通信设备，包括少量从国外引进的同类设备在内， 其性能离现实要求还有一定的差距。由于这类产品在研制初就没有对通信协议的统一、抗干 扰和通信保密功能的配套、多频段、多功能通信系统的兼容等问题进行系统设计和协调，使 得这类按单一功能和单一通信频段进行研制的设备的互通问题，特别是对跨越频段、不同调 制方式系统的互通问题一直没有能得到很好的解决。因此，这些体制各异，品种繁多，工作 频段和功能单一的装备不但不能满足多兵种协同作战的要求，甚至在同一兵种或同一部门内 部互通也存在着极大的困难。软件无线电的思想为上述问题的解决提供了一个方向。 1 4 本文主要工作 本文的研究是在星且趣短速碰速鳖题塑缝熬据垒台项目的基础上展开的。该项目的超 短波电台是基于软件无线电思想的多模式、多速率的自适应跳频网络电台，能够根据信道质 量选择跳频模式和传输方式，满足不同速率的传输要求，并且具有移动自组织组网功能。 在该项目中，本人主要负责超短波跳频工作方式下的高速数传物理层设计，合作完成了 完整的物理层调制解及m a c 层的仿真与工程实现。在系统设计中，首先完成了整个系统的 m a l 凡a b 理论仿真，其后在实验室自主设计的以t l 公司d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 4 1 6 为核心芯 片的基于软件无线电的数字中频硬件平台上，完成了系统的c 代码实现。 结合自己近两年时间的理论研究和项目经验，本文着重研究适用于超短波高速跳频下的 相位调制解调系统设计与实现。 第二章给出了物理层调制解调方式的分析和选择。从对跳频系统的分析入手，提出了适 用于v h f u h f 高速跳频的调制方式：8 p s k t c m 和，4 d q p s k 。介绍了两种调制模式的一 般原理，给出了发送接收系统结构。对于多模式多速率系统的实现，也将一并讨论。 在第三章中讨论跳频突发通信的一个关键模块一信号到达检测技术。结合跳频通信的特 点，选择了基于特殊导频的到达检测方法。第三章详细介绍了基于特殊前导的功率检测和相 关检测两种算法的信号描述、算法描述和实现结构，同时对算法性能进行了仿真，分析各自 的优势和不足，最后提出了改进方案。 浙江大学硕十学位论文 第四章讨论的重点是同步参数的估计与跟踪技术。本文设计了一种基于前向结构的同步 参数捕获和跟踪方法，对参数初始捕获估计、误差跟踪环路、参数补偿三部分分别展开讨论， 并对各部分的算法进行了仿真和性能分析。 第五章讨论自适应均衡技术。从对无线信道的分析入手，提出了一种适合跳频通信的判 决反馈均衡的算法实现，并对仿真结果进行了分析。 在系统设计中，首先完成了整个系统的m a t l b 理论仿真，比较了不同调制方式的系 统性能。在理论仿真基础上，结合实际的项目经验，给出了系统的硬件实现。在一个自主设 计的以t i 公司d s p 芯片1 m s 3 2 0 c 6 4 1 6 为核心芯片的基于软件无线电技术的无线通信系统 硬件平台上，完成了系统的c 代码实现。最后结合实际测试情况，说明系统的性能。 浙江大学硕士学位论文 第二章跳频下的相位调制解调系统 绪论中已经提到，跳频技术应用于超短波通信可以有效的克服多径干扰、邻近干扰和 人为瞄准式干扰，已成为在电子对抗环境下提高通信抗干扰能力强有力的措施。 本章从跳频通信系统的特点介绍入手，就跳频系统结构、关键技术和抗干扰策略进行 讨论，并分析了跳频技术对相位调制产生的影响。其而介绍了适合跳频传输的t c m _ 8 p s k 和n ，4 - d q p s k 两种调制解调方式的基本原理。最后分析了两种调制方式的异同，给出多模 式多速率跳频传输系统的实现方案。 2 1 跳频通信系统 跳频通信是指在约定频段内中，收发双方按照指令和预置的时间间隔同步地改变对应的 收发频率，从而完成通信。它通过载频的随机跳变，来躲避干扰，将干扰排斥在接收通道之 外来达到抗干扰的目的。 2 1 1 跳频通信系统简介 2 1 1 1 跳频通信系统结构 图2 l 给出了适于用软件无线电实现的跳频通信系统所用的发射机和接收机框图。与定 频的无线通信系统相比，跳频发射机和接收机的频率合成器可通过跳频、解跳指令控制。发 送端的跳频控制模块使发射机的载波频率实时受一个伪随机序列控制，接收端的解跳控制模 块则要根据接收到的信息，调整接收频率，使之与发送频率相对应，以便能正确接收信息。 跳频同步是跳频系统的关键技术之一，将在2 1 1 2 中介绍。 信 源 输 入 图2 一l 基于软件无线电的跳频系统结构框图 8 信 码 输 出 浙江大学硕士学位论文 2 1 - 1 2 跳频系统关键技术 与普通的定频通信系统相比，跳频系统中增加了一个可控的跳频模块。跳频系统的关键 技术也在于此，即跳频图案的产生和收发信机的跳频同步。 1 壁援国塞塑芒垒 跳频通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。图2 2 就是跳频图案示意图，其中t 表示时闻，s 表示空间，f 表示频率。忽略空间收发过程产生的延迟，当收、发双发在空间 上相距一定距离时，时频域上的跳频图案完全相重台，就表示收、发双方同步跳频进行通信。 图2 - 2 跳频通信中跳频图案示意图 跳频图案的优劣是决定跳频通信系统性能的重要因素，好的跳频图案应考虑以下几点： 1 )图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同。抗干扰能力也强。 z )舀案的密钥量要太，要求跳频图案的数目要足够多。这样抗破译的能力强。 3 )各图案问出现频率重叠的机会要尽量小，正交性好。有利于组网通信和多用户码分多址。 跳频图案是跳频器在跳频码的控制下跳变形成的，其性质主要是依赖于伪码的性质。所 以选择伪码序列成为获得好的跳频图案的关键。 常用的伪随机序列有m 序列、m 序列和r s 序列，其中m 序列的互相关特性不理想，又 因它采用线性反馈逻辑，容易被敌人破译，保密性、抗截获性差。在跳频系统中不采用m 序列作为跳频指令码。m 序列是非线性序列，可用的跳频图案很多，密钥量也大，并有较好 的自相关和互相关特性，所以它是较理想的跳频指令码。其缺点是硬件产生时设备较复杂。 r s 序列的硬件产生比较简单，可以产生大量的可用跳频图案，很适于用作跳频指令码序列。 2 墅麴苤箕凰星 跳频系统工作中，收发双方必须同步改变频率才能保持通信。但由于时钟漂移、收发信 机之间距离不定而产生的时间差异、多普勒效应的存在及振荡器频率漂移等因素，可能引起 收发失步，致使收发序列码不匹配，无法正确解跳。因此系统必须采用同步方法来搜索和消 除时间差异及频率偏差，以保证收发双方码相位和载频的一致性。同步系统的好坏对整个跳 频系统有着极大的影响。 0 浙江人学硕士学位论文 跳频系统的同步包括以下几项内容： 1 )跳频图案同步：即跳频接收机与跳频发射机的跳频图案相同。 2 )频率同步：即发射机和接收机双方严格保持跳变频率同步。 3 ) 跳频码元同步：即频率跳变的起止时刻在时间上同步，也就是跳频收、发信机的跳频速 率和起始相位应一致。 4 ) 帧同步和位同步也是跳频通信系统同步的重要组成部分。 也就是说，为了实现跳频同步，收端首先必须获得跳频同步信息，它包括采用的跳频图 案，使用的频率序列，起跳的频率和时刻，并且还需要不断地校正收端本地时钟。 跳频同步方式根据收端获得同步信息和校对时钟的方法不同分类，通常有以下三种： 1 ) 独立信道法；利用一个专门的信道来传送同步信息。传送的信息量大，同步建立时间短， 保持同步时问长。但占用频率资源和信号功率，且传送方式不隐蔽，易被敌方发现。 2 ) 同步宇头法：在跳频通信之前，选定一个或几个频道上先传送一组携带同步信息的码字， 收端按此码字进行时钟校准和跳频。虽然不需专门的同步信息信道，但还是挤占了频率 资源和信号功率。为了使同步信息隐蔽，应采用短的同步字头，但是太短又影响传送的 信息量，需折衷考虑。 3 ) 自同步法：接收端直接提取发送的数字信息序列中隐含的同步信息。此法节省信道和信 号功率，且同步信息隐蔽。但发端信息序列中隐含的同步信息非常有限。此法只适用于 简单跳频图案的跳频系统，并且系统同步建立的时间较长。 实际的跳频系统中，常将这几种基本方法组合起来应用，以达到某种条件下的最佳同步。 2 1 2 跳频抗干扰 2 1 2 1 跳频下干扰类型和对抗策略 讨论跳频抗干扰，首先需明确干扰类型。一般，干扰信号的形式可分为以下几种【”： 1 整墨童翌王垫：针对一个或多个频率的信号进行高强度的持续干扰。这种干扰虽然影 响范围小，但强度大，如果跳频频点恰好落在干扰频点上，就会在接收端造成大量误码。 2 宣堂墓韶坌垫萤阻塞式王拖：针对某一通信频段的信号同时进行高强度的持续干扰。宽 带干扰对信号的影响相当于加性自噪声，极大的降低了接收信号的信噪比，影响性能。 3 星壁式王拨：敌方对载波频率进行侦听，破译跳频图案后，依照跳频图案的规律跟踪施 放大功率的干扰a 这是对跳频通信最为有效的干扰方法，一旦跳频图案被截获，整个跳 频通信过程就会因干扰功率过强而完全中断。 图2 3 给出了上述干扰存在下接收端信号的频谱示意图。 浙江大学硕士学位论文 矗 与 螽 f 图2 3 干扰存在的情况下接收端信号频谱示意图 基于上述对干扰的讨论，我们设计跳频系统时，需要采取相应措施对抗干扰，降低一定 误码率下的信号接收信噪比门限。以下是抗干扰的几点策略： 将跳频与直接序列扩频的方法结合，降低一定误码率下的信噪比门限。 增加跳频带宽和跳频频率数，以减少受干扰带宽占通信频段的百分比，提高抗宽带干扰 能力。最好能全频段跳频，例如，在短波段，从1 5 髓z 到3 瑚z 全频段跳频“。 对付跟踪式干扰，根据其作分析需要一定的时间，可以从提高跳频速率，减小数据包长， 和提高跳频图案的复杂度和抗破译能力等几个方面提高抗干扰能力。 同步信息采用低信噪比下性能稳定的调制方式，并采用纠错编码来降低误码，保证系统 能够同步。数据信息则采用其他高效率传输方式，满足固定带宽信道中信息的高速传输。 实时频率自适应，在跳频通信过程中自动探测和删除干扰频点，从频率集中“挖去”通 信质量不好的频点，增加跳频频率数中好信道的比例，则更利于对抗宽频段阻塞式干扰。 增加频率冗余度，通过增加重复次数，多个频率传送同一码元信息，通过多数判决的方 式提高同步概率，降低传输的误码率。 在本论文中不讨论具体的跳频协议，仅研究如何正确发送、接收跳频信号。物理层的调 制解调保证了传输通路的质量，将在后续章节中详细讨论。 2 1 - 2 2 跳频技术指标及抗干扰关系 考察一个系统的跳频技术性能，应注意下列各项指标：跳频带宽、跳频频率数目、跳频 速度、跳频码的长度、跳频系统的同步时间等。 跳频带宽越宽，抗宽带干扰的能力越强。跳变的频率数目越多，抗单频、多频以及梳状 干扰的能力越强。跳频的速率，是指每秒钟频率跳变的次数，跳速越快，抗跟踪式干扰能力 就越强。一般在短波跳频电台中，其跳速目前不超过1 0 0 跳秒。在甚高频电台中，一般跳 速在5 0 0 跳秒。对某些更高频段的跳频系统可工作在每秒几万跳的水平。跳频码越长，跳 频图案延续时间越长，敌方破译越难，抗截获的能力也越强。跳频码的周期可长达1 0 年甚 至更长的时间。跳频系统的同步时间，是指系统使收发双方的跳频图案完全同步并建立通 信所需要的时间。同步时问的长短将影响该系统的顽存程度。根据使用的环境不同，目前跳 频电台的同步时间可在秒或几百毫秒的量级。 当然，一个跳频系统的各项技术指标应依照使用的目的、要求以及性能价格比等方面综 浙江大学硕士学位论文 台考虑才能作出最佳的选择。 2 1 3 跳频对相位调制解调的影响 在跳频传输模式下，由于载波处于跳变状态的特殊性，使得在跳频通信系统数字调制 方案的选择上，要考虑以下三个约束条件l 】l j ： 1 选用的调制方式应该有恒包络特性。移动过程中，无线通信将面临严重的幅度衰落。正 因为如此，移动通信中被广泛使用的频移键控( f s k ，m f s k ，c p f s k ) 、最小频移键控 ( m s k ) 、高斯滤波最小频移键控( g m s k ) 等数字调制方式均具有恒包络特性。 2 非相干解调比相干解调更容易实现。跳频通信中载波不断地跳变，由于技术实现上比较 困难，无法保证在载波跳变瞬间相位的连续性，因此载波每次跳变的初始相位是无法预 知的，这个特点要求在跳频通信中使用的支持非相干解调数字调制方式更为容易。 3 载波相位在跳变过程中的不连续性使得某些利用相位连续来改善调制信号频谱特性的 调制方式，如c p f s k 、m s k 及g m s k 受到很大的限制，只能应用在慢跳频通信系统 中。在快速跳频中，这种连续的相位关系将被严重破坏。 考虑到上述约束条件，需选择一个具有恒包络特性，可以支持非相干解调的调制方式。 m d p s k ，n ，4 d q p s k 均可以满足要求。 在跳频通信的过程中，每变换一次频率称为一次跳频，需要传输的信息以数据包的形式 传输，每跳对应的传输一个数据包，在数据包之间有一段时问不传送任何信息，专门用于频 率的切换和稳定，称这段时间为静默时间。 跳频包分为两种，一种为跳频同步信息包，也称t o d ( t i m eo f d a t a ) ，它包含了用于跳 频同步的跳频图案、当前跳频序列、系统时间等信息，另种是发送的数据信息。即数据包。 通信开始前，收发双方约定t o d 包的频点变化顺序；通信初始建立阶段，首先发送一段t d d 信息，接收方慢跳正确接收t o d 包后，进入同步确认状态，若连续几个t o d 接收正确， 则认为跳频同步。在所有t o d 接收完后，从中解调出后续的数据包的跳频信息。之后，就 进入数据包的传送阶段。 在跳频系统中，有了静默时间的分隔，可以认为每次跳频、每个数据包均为一次突发通 信，根据跳频速度的不同，这种突发通信在某一个频率上停留的时间也有所不同，对于千跳 每秒的跳频系统，信号在当前频率的驻留时间为毫秒级( m s ) 。这对整个通信过程提出了很 高的实时性要求，从信号的到达检测、到相关参数的估计与跟踪，再到有效信息起始位置的 准确定位，所有的信号处理算法的快速、精确实现就显得尤为重要。 信号到达检测、参数估计算法可以通过利用特殊前置导频的方法从导频信息中提取，也 可以从信号本身提取。因为信号本身包含的信息有限，故不能满足跳频通信的实时性要求， 因此，在跳频通信中，通过使用前置导频的方法来进行信号快速捕获和参数提取是经常使用 的方法，但导频信息的加入减少了有效信息的传送比例，是以传输效率为代价的。 相位调制系统能够正常工作，正确恢复出位同步信息和相位信息是非常关键的。位同步 浙江大学硕士学位论文 信息是指实际采样点与理想采样点之间的偏差，它是采样率的相对值，为了在最佳采样点上 抽取信号的判决值，位同步信息必不可少。相位信息则受初始相位偏差和由频偏引起的相偏 的影响。如果调制端采用绝对相位，相偏会对解调结果产生很大的影响，但如果采用相对相 位，信息包含在相位差之中，固定的相偏并不会影响解调。相位调制系统对频偏是十分敏感 的。当频偏存在时，会改变接收信号的相位，甚至是前后的相位差。随着时间的积累，接收 信号的星座点会发生旋转。图2 4 为正常信号、有固定频偏信号、频偏信号三种情况下8 p s k 的星座图。由图2 4 ( c ) 可看出频偏带来的严重影响。 - $ 目自i _ 目 ， ： t + 图2 4 ( a ) 8 p s k 星座图 图2 4 ( b ) 存在固定相偏的星座图图2 4 ( c ) 存在频偏时的星座图 位同步信息和相位信息的获得都包括初始估计和跟踪两部分。对于初始估计部分，可以 通过一系列算法对导频进行处理获得，一旦跳频同步后，与定频情况下相同。下面讨论其在 跳频模式下的跟踪方式。位同步信息的跟踪是通过对接收信号的检测来实现的。对于相位偏 差，通常的方法先利用导频估计出信道的频偏，估计值与频偏的真实值之间会有一定的偏差， 由该偏差产生的相位误差可用锁相环来跟踪。 在跳频环境下，前后数据包所用的频点不同，状态不同，从而造成每跳位定时信息不同， 相偏频