（通信与信息系统专业论文）短波信道下多载波跳频通信技术研究.pdf

摘要 短波常规跳频通信技术体制存在一些问题，如跳速低、频点少、带宽窄、信息 传输速率低等，因此其难以满足未来军事和民用短波跳频通信的需求。为解决此 问题，本文对多载波跳频通信技术进行了研究。该技术利用o f d m 调制实现多频 点跳频通信，与常规跳频通信相比，其具有实现简单，可以方便地提高跳速、增 加系统跳频点数、增大系统带宽、提高信息传输速率，并且可以提高系统频谱利 用率等优点。本文对多载波跳频通信技术的若干关键技术进行了研究和探讨，包 括基于单载波跳频码序列的多载波跳频码序列设计技术、基于多支路基带合并技 术的短波宽带系统实现技术和基于训练符号匹配滤波的短波信道下符号检测技术 等。最后本文使用x i l i n x 公司的x c 2 s 1 0 0 ef p g a 进行了多载波跳频电台原理样 机设计。实验结果表明，使用f p g a 芯片可以很简单地实现基带多载波跳频通信， 从而可简化跳频电台的设计复杂度。 关键字：短波正交频分复用跳频现场可编程门阵列 a b s t r a c t t m d m o n a lh i 曲f r e q u e n c y 饵f ) 丘蜘u 明c yh o p p i n gt e c h n i q u e sd o n tm e e tt h e d e m a n d so f t h ef u t u r ef r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o nu s e di nt h em i l i t a r ya n dc i v i l f i e l d s ，f o rt h e i rd i s a d v a n t a g e so fl o wf r e q u e n c yh o p p i n gm t e ，u a r r o wf r e q u e n c y h o p p i n gb a n d 丽d t h , l o wn u m b e ro ff r e q u e n c yh o p p i n gs l o t s ，a n dl o wi n f o r m a t i o n t m n s m i s s i o nr a t e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，w ed i s c u s st h em u l t i - c a r r i e r f r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n i q u e ，w h i c hi s b a s e do no r t h o g o n a l f r e q u e n c y d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ( o f d m ) m o d u l a t i o na n dd e m o d u l a t i o n , u s i n gs g v e r a lf r e q u e n c y - h o p p i n g s l o t sb u tn o to n et ot r a n s m i td a t aa te a c hf r e q u e n c yh o p p i n gp e r i o d c o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a l f r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n i q u e s ，t h em u l t i - c a r r i e rf f e q u e n c yh o p p i n g m e c h a n i s mp r o p o s e di nt h i s p a p e rh a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c h a st h ea b i l i t i e st o i m p r o v et h ef r e q u e n c yh o p p i n gf a t e ，t ob r o a d e nt h ef r e q u e n c yh o p p i n gb a n d 稍d t l l ，t o i n c r e a s et h en u m b e ro ff r e q u c y h o p p i n g s l o t sa n dt h er a t eo fi n f o r m a t i o n t r a n s m i s s i o n , a n dt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ff r e q u e n c ys p e c u l l n lw i l hn od i f f i c u l t y i nt h i sp a p e r , s o v e r a lk e yp r o b l e m sa r cr e s e a r c h e d , i n c l u d i n gt h em u l t i - c a r r i e r s f r e q u c yh o p p i n gs e q u e n c e sd e s i g nb a s e do nt h et h e o r i e so fs i n g l e c a r r i e rf r e q u e n c y h o p p i n gs e q u e n c e sd e s i g n , t h ei m p l e m e n t a t i o no fb r o a d b a n ds y s t e mi ni - i fc h a n n e l b a s e do nm u l t i - b r a n c hc o m b i n a t i o ni nt h eb a s eb a n dd o m a i n , t h es y m b o ld e t e c t i o ni n h fc h a n n e lw i t hv e r yl o ws i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) b a s e do nm a t c h e df i l t e r i n g b e t w e e nt h er e c e i v e ds i g n a l sa n dl o c a lt r a i n i n gs e q u e n c ew h i c hi sac o n s t a n ta m p l i t u d e z e r oa u t oc o r r e l a t i o ns e q u e n c e ( c a z a c ) ，e t c f i n a l l y , ap r o t o t y p ed e s i g nf o rt h e m u l t i - c a r r i e rf r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e mi sp r e s e n t e d ，o nx i l i n xs p a r t a ns e r i a l x c 2 s 1 0 0 ef i l e dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ( f p g a ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t m u l t i - c a r r i e rf r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e mc a nb ei m p l e m e n t e d0 1 1 1f p g a sc o n v e n i e n t l y , s ot h ec o m p l e x i t yo ff r e q u e n c yh o p p i n gr a d i od e s i g nc a nb ed e p r e s s e du s i n gt h e t e c h n i q u ep r o p o s e di nt h i st h e s i s k e y w o r d ：h i g h - f r e q u e n e yo f d mf r e q u e n c y - h o p p i n gf p g a 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。 本人签名： 煎! 基墨返日期趔2 ：上立乎 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 在校攻读学位期问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) 本人签名 导师签名 几期型z ，! 多 日期纽21 ：丛7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源与背景 短波通信因具有以较低功率实现远距离无线电信息传输的特点，成为通信领域 中不可缺少的一门重要技术，被广泛地应用在军事、气象、商业、外交等场合。 跳频通信是扩频通信的一个分支，它的突出优点是抗干扰能力强，因而特别适 合军事通信领域。由于跳频通信技术符合现在信息战条件下电子对抗的需求，所 以从其问世起，就得到了迅猛地发展。海湾战争也表明，跳频通信在现在电子战 中确实发挥了极其重要的作用。另外，跳频通信技术也适用于民用通信系统，是 现有民用通信系统扩容，提高通信保密性的一个重要手段。 传统的短波跳频通信系统，由于受天波信道特性、天线阻抗匹配时间、信道 切换时间等的限制，跳频带宽一般小于短波频带宽度，跳频速率一般在几十到几 百跳每秒n 但是随着干扰技术的进步和多媒体信息传输应用的需求，给跳频通信提出了 更高的要求：频率跳变速率、跳频频点数和带宽需要大幅度增加，跳频通信的信 息传输速率要适应多媒体信息传输的需求。显然传统的跳频技术无法满足现代和 未来军事通信和民用通信的需求。 采用并行传输体制是提高数据传输速率的有效选择，因此本文的出发点是结合 并行传输体制与跳频通信的优点，提出一种新的跳频通信技术体制。 在并行传输体制中，最突出的就是正交频分复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c y d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，o f d m ) ，其是一种特殊的多载波传输方式，各子载波之间 存在正交性，允许子信道的频谱互相重叠。与常规的频分复用系统相比，o f d m 可以最大限度地利用频率谱资源。同时它把高速数据通过串行转换，使得每个子 载波上的数据符号持续长度相对增加，降低了子信道的信息速率，将频率选择性 衰落信道转换为平坦衰落信道，从而具有良好的抗噪声、抗多径干扰的能力，适 于在频率选择性衰落信道中进行高速数据传输。在o f d m 系统中，通过引入循环 前缀，保持了载波间的正交性，同时循环前缀长度大于信道扩展长度。有效地抑 制了符号问干扰( i s i ) 。另外，d f t ( d i s c r e t ef o u r i e rt r a n s f o r m ) 的引入，简化 了o f d m 系统实现的复杂度，使得o f d m 的应用越来越广泛1 2 l 。 根据o f d m 调制原理的特点可以发现，通过简单的数据映射，利用d f t b p 可实 现载波频率可变的通信，i l p 到l 频通信【3 l 。并且，在数据映射的过程中，如果选择 多个频点进行通信，即可实现同一时刻多频点跳变的通信，即多载波跳频通信。 短波信道下多载波跳频通信技术研究 由于使用了多个随时间跳变的载波进行通信，显然可以显著提高系统的数据传输 速率。 将o f d m 与跳频技术结合起来的多载波跳频技术将具有更强的灵活性、更高的 频谱利用率、更简单的检测方案和更强的窄带干扰抑制能力【4 】。该技术在时间上 以跳频的方式使用o f d m 的多个副载波，因此可以充分利用o f d m 调制技术和跳 频技术的优点，尤其是o f d m 的d f t 实现，使系统可以全数字化，因此可以方便 地提高系统的跳变速率，增加跳频频点数和系统带宽，增强系统的抗干扰能力。 需要指出的是，多载波跳频技术在传统的跳频通信技术中实现有很大的难度， 因为传统的跳频通信系统中，各频点载波频率由本地频率合成器产生，因此增加 跳频点数意味着对频率合成器提出更高的要求，显然受电子元器件等客观因素以 及复杂性因素的制约，系统难以实现。 近年来，随着o f d m 技术逐渐成熟，美国率先开展了多载波跳频军事通信系 统的研究，它综合利用了o f d m 技- 术的优点，实现了多频点、高跳变速率和高信 息传输速率多载波跳频通信，并在i - i f 和v h f 频段开展了大量的实验。目前国内 对基于o f d m 进行跳频通信以及多载波跳频通信的研究还处于开始阶段，相关方 面的研究较少。 面： 1 2 主要研究内容 本文主要的研究内容为短波信道下的多载波跳频通信技术。其包含以下几个方 1 多载波跳频通信技术。跳频通信技术的发展趋势是跳速越来越高、频点越 来越多、带宽越来越大、信息传输速率越来越高等。本文对短波信道下的 多载波跳频通信技术进行了研究，该技术利用多个随时间改变的频点进行 通信的技术。多载波跳频通信与传统的跳频通信相比，最大的不同之处是， 基于o f d m 技术实现全数字化的多频点跳频。 2 多载波跳频通信技术的主要思想是使用随时间变化的多个频点进行通信。 因此控制频点选择的多载波跳频码序列的设计是一个主要的研究内容，多 载波跳频通信系统受其控制，从系统可用跳频频点中，随时间的变化选择 出不同跳频频点组。 3 短波信道对各频率分量的传播延时扩展不同，再加上多径效应的影响，在 短波中实现宽带o f d m 系统时，需设计长的循环前缀，但却因此增加了 系统实现的复杂度，并降低了系统的功率效率。根据短波信道的w a t t e r s o n 模型，一般情况下认为在1 2 k h z 带宽内，并且时间不大于l o 分钟的情况 下认为信道是平稳的，不存在延时扩展。因此，为了实现短波下的宽带多 第一章绪论 载波跳频通信，本文对多支路基带合并技术实现宽带系统的方法进行了研 究。 4 多载波跳频发射电台的f p g a 实现。本文提出的多载波跳频通信技术是基 于o f d m 调制的，而o f d m 调制可以采用i f 兀仟f t 实现。f p g a ( f i l e d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 内部资源丰富，电路可通过编程控制，非常适 合做f f t 运算。本文采用x i l i n x 公司的x c 2 s 1 0 0 e f p g a 对多载波跳频电 台进行了设计实现。 1 3 章节安排 第二章首先介绍了短波通信的基本特点，和几种常用的短波信道模型，然后对 短波信道下常规跳频通信体制进行了简要介绍，并指出短波常规跳频通信技术体 制存在的若干问题。 第三章对多载波跳频通信技术进行了研究，针对解决第二章提出的短波常规跳 频通信体制面临的问题。本章首先介绍了o f d m 技术实现单载波跳频的方法，然 后提出多载波跳频技术，并对多载波跳频通信的关键技术进行了分析，指出多载 波跳频码序列设计、宽带系统实现方法和短波下符号检测等需要解决的关键问题。 第四章对上文指出的多载波跳频通信技术的若干关键技术进行了研究和探讨， 包含基于单载波跳频码序列的多载波跳频码序列的设计技术、基于多支路基带合 并技术的短波宽带o f d m 系统实现技术，以及基于接收信号与本地c a z a c 训练 序列匹配滤波的短波下符号检测技术等。 第五章主要内容为多载波跳频电台的f p g a 设计实现。本章首先简要介绍了 x i l i n x 公司s p a r t a n 系列f p g a 的内部结构和基于i s e 的开发流程，然后着重介绍 了多载波跳频电台的f p g a 实现，包含电路板设计、系统模块设计和状态机设计 等。 第六章对本文进行了总结，并对今后的工作方向进行了探讨。 第二章短波常规跳频通信5 第二章短波常规跳频通信 2 1 短波通信特点 短波按照国际无线电咨询委员会( c c i r ) 的划分是指波长在1 0 0 m - 1 0 m ，频 率为3 m h z - 3 0 m h z 的电磁波。利用短波进行的无线电通信称为短波通信，又称为 高频( i - i f ，h i g hf r e q u e n c y ) 通信嘲 短波通信具有如下的主要特点： 1 ) 短波信道的时变和色散特性 在短波频段无线电波的传播主要有两种形式，即地波和天波。短波通信主要利 用天波进行传播。天波是无线电波经电离层反射回地面的部分，因受到电离层变 化和多径传播的严重影响，短波天波传输信道参数随时间而急剧变化。 电离层 图2 1 短波传播示意图 图2 1 中数字标号分别表示地表面波、直接波和地面反射波。 总之，短波通信是一种在时域、频域、空域上都有变化的色散信道，这种信道 的不稳定性使短波具有频带窄、容量小、速率低、相互干扰严重的特点。 2 ) 通信距离远 利用天波传播，短波单次反射的最大地面距离可达4 0 0 0 k m ，多次反射可达上 万千米，甚至于做环球传播。 3 ) 抗毁性强 短波通信设备目标小，架设容易，机动性强，不易被摧毁，即使遭到破坏也容 易更换。又由于造价低，可以大量安装，所以抗毁性强。这可以弥补卫星通信设 备复杂，破坏不易恢复的缺点。 4 ) 信道拥挤 短波波段信道拥挤，频带窄，因此要采用特殊的调制方式。在这一频段有大量 的民用短波电台和军用电台，造成频带上干扰严重，但是这也导致了关于自适应 6 短波信道下多载波跳频通信技术研究 选频技术的研究，只有对频段进行实时估计和调整发射频率才可以保证通信质量。 5 ) 天线匹配困难 短波频段从3 m h 3 0 m h z ，相应的波长为1 0 0 m 1 0 m ，覆盖了多个倍频程，需 研制高效宽带的天线以满足高速全波段跳频，并保证良好的阻抗匹配有困难。 2 2 短波信道模型 天波传播是短波信道相对于无线通信信道最重要的特点。对于天波传播，信 道的慢衰落、快衰落和加性噪声都与电离层的特性密切相关1 5 1 。 2 2 1 短波在电离层中的传播特性 1 ) 传播模式 在短波天波传播中，存在多种传播模式。表2 1 列出了在不同通信距离时，可 能存在的传播模式。 表2 i 短波电离层通信中存在的传播模式 通信距离( i ：m )可能存在的传播模式 2 0 0 0 l e ，1 f ，2 e 2 0 0 0 4 0 0 02 e ，l f ，2 f ，1 e 2 f 4 0 0 0 6 0 0 03 e ，4 e ，2 f ，3 f ，4 f ，l e l f ，2 e l f 6 0 0 0 8 0 0 0 4 e ，2 f ，3 f ，4 f ，l e 2 f ，2 e 2 f 表2 1 中，e 表示电离层中的e 层，f 表示电离层中的f 层。 2 1 最高可用频率( m u f ) m u f 是指给定通信距离下的最高可用频率，是电波能返回地面和穿出电离层 的临界频率值。一般情况下，最优工作频率o w f 为o w f = 0 8 5 m u f 。选用o w f 时，系统可保证9 0 的可通率。 3 ) 多径传播 如前所述，短波天波传播中存在多种传播模式( 图2 2 中a 所示) ，且由于寻 常波和非寻常波之间的干扰( 图2 2 中b 所示) 以及电离层的漫射( 图2 2 中c 所示) ，短波天波传播过程中存在着严重的多径传输情况。 武z 式z x 6 图2 2 短波天波多径传播示意图 第二章短波常规跳频通信 7 多径传播带来两个主要问题：延时、衰落和相位起伏。 钔多径延时 多径延时是指多径传输中最大的传输延时与最小的传输延时之差。根据实际测 量，短波天波通信的多径延时至少为2 m s 另外，多径延时与选用的工作频率以 及工作时刻有关，这主要是由于电离层特性引起的。 5 ) 衰落 接收端接收信号振幅呈现忽大忽小的随机变化现象称为衰落，其主要是由电离 层电特性的随机变化，引起传播特性和能基吸收的随机变化而引起的。 6 ) 相位起伏 r 相位起伏是指相位随时间的不规则变化，其主要也是由多径传播引起的。此外， 电离层折射率的随机变化以及电离层不均匀体的随机快速运动，产生了附加的多 普勒频移。根据实测结果，短波天波传输的多普勒频移一般在i h z - 2 h z ，最高可 达6 h z 。 7 ) 噪声和干扰 短波信道的噪声主要包括大气噪声、人为噪声和宇宙噪声等。 2 2 2 短波信道模型 1 ) 最简短波信道模型嘲 如图2 3 所示，x ( f ) 表示信道的输入，( f ) 表示信道的加性噪声，y ( r ) 表示 信道的输出。 信道的输出j ，( ，) 可表示为 y ( f ) = i o ) x ( f ) + ( r ) 图2 3 最简短波信道模型 ( 2 - 1 ) 式中，t ( ，) 表示短波信道对输入信号的乘性干扰。乘性干扰又可分为描述长 期变化( 慢衰落) 的分量吒( f ) 和描述短期变化( 快衰落) 的分量岛( r ) ，即 七( r ) = 毛( f ) 屯( f ) ( 2 - 2 ) 最简短波信道模型仅从功能上描述短波信道对输入信号的影响，式( 2 1 ) 中 各参量的表达式无法准确给出，因此该模型只适合于对短波信道进行宏观描述。 8 短波信道下多载波跳频通信技术研究 2 ) w a t t e r s o n 模型【6 】 i t u r ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o nr a t i oc o m m u n i c a t i o ns e c t o r ) 推荐 w a t t e r s o n 模型为c c i r5 2 0 1 中的短波信道标准模型。 由实测结果可知，当信号为带限( 1 0 k h z ) 信号，且在足够短的时间( 1 0 m i n ) 内时，短波信道可以认为是平稳的，因此可以用一个平稳模型来描述短波信道。 图2 4w a t t e r s o n 模型示惹图( 4 抽头) 发射信号经过可变的时延线后，在若干个可调抽头处送出，每个抽头相当于一 种传播模式或路径。在每一抽头处，时延信号由一个复随机分支增益函数岛( t ) 来 进行调制。各路已调信号和加性噪声相加，形成接收信号。 根据短波信道的统计特性，w a t t e r s o n 提出了如下三个假设： 高斯型散射假设，每一抽头的增益为复高斯随机过程，可产生瑞利衰落； 相互独立假设，每一抽头的增益函数相互独立； 高斯型频谱假设，每一抽头增益的频谱为两个高斯频谱函数的总和。 该模型的时变频率响应为 h ( f ，) = e x p ( - j 2 ，r r , f ) g , ( t ) f = l ( 2 - 3 ) 式中，f 为整数，t 为第i 路径的时间延迟，为延迟路径的总数。 抽头增益函数是体现信道特征性的重要参数，其定义如下： g t ( f ) = 既( r ) e x p ( ，2 万厶r ) + 晚( t ) e x p ( j 2 7 r f 。t ) ( 2 4 ) 式中，l o ( f ) ，晚( t ) 为遍历的复平稳高斯随机过程，下标口和6 表示电离层的 两个磁离子路径分量，无和厶分别表示两个磁离子路径的多普勒频移。根据 w a t t e r s o n 提出的三条假设，l o ( ，) 和孰( t ) 是两个各态历经、相互独立的复高斯 随机过程，其均值为0 ，具有相同的均方根值。晚( f ) 和晚( f ) 的表达式如下： 季。( t ) = ( f ) + 产包( t ) g j h ( t ) = g t b ( f ) + ，窖。( r ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 第二章短波常规跳频通信 9 每一抽头增益函数的功率谱密度函数为 一i 竺：垒 ! 竺生 p ( 国) 2 j ：瓦1 p 2 五+ j i 瓦1 口2 孟( 2 。7 ) 式中，= 2 石无，= 2 ，j t f j b ，元，五为各个磁离子分量的衰减系数，决 定多普勒频展。 w a t t e r s o n 模型要求信道的带宽不超过1 2 k h z ，信道在时域和频域存在稳定性， 并且忽略了延时扩展，因此w a t t e r s o n 模型所描述的信道是一种频带受限的静态 短波电离层信道。 当单色谱信号通过短波信道后，会出现频谱展宽。根据w a t t e r s o n 模型的特点， 单位幅度的单色谱信号，通过短波信道后，出现频谱展宽现象( 服从高斯分布) ， 并且输出信号的复包络服从呈瑞利分布，相位服从均匀分布。 3 ) i t s 模型1 7 1 为了克服w a t t e r s o n 模型对高纬度地区的不适用性，美国i t s ( i n s t i t u t eo f l t e l e c o m m u n i c a t i o ns c i e n c e s ) 提出了一种复杂的电离层信道模型。该模型是作为 宽带模型提出的，但也适用于窄带模型。 在i t s 模型中，总的信道冲激响应定义为所有传输模式冲激响应之和，即 h ( t ，r ) = ( ，f ) ( 2 8 ) i t s 模型用三项的乘积表示每个模式的冲激响应：随机调制函数死( f ，f ) ，由多 普勒扩展和谱形状决定；确定性相位函数乜( f ，f ) ，由多普勒频移以及多普勒延时 的变化速率决定；延时功率分布只( r ，f ) 的平方根，由传播模式的传输时间、延时 扩展以及最大功率决定。 由上，总的信道冲激响应为： ( r ，r ) = 扛( f ，r 她( r ，f ) 丸( f ，f ) ( 2 9 ) 4 ) p e r r e 短波宽带模型罔 p e r r e 等人用多路d s p 方式实现了一款宽带短波信道仿真器，如图2 5 所示。 图2 5p e r r e 模型示意图 1 0 短波信道下多载波跳频通信技术研究 该模型把宽带信号分解为频域上的若干子频段，每个子频段的带宽( 1 0 k h z ) 小于信道的相干带宽，经历相同的衰落。 2 3 短波常规跳频通信 跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率 按照预定规律进行离散变化的通信方式。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是 一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码序列控制载频跳交的通 信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看， 跳频信号的频谱在很宽频带上以不等间隔随机跳变【1 1 1 9 1 。 2 3 1 系统模型 常规短波跳频系统的组成如图2 6 所示。用信源产生的信息流调制频率合成器 产生的载频，得到射频信号。频率合成器产生的载波频率频受伪随机码的控制， 按一定规律跳变。 图2 6 常规跳频通信系统模型框图 在接收端，接收到的信号绎滤波后送至混频器，与受伪随机码控制的本地频率 合成器产生的载波进行混频。只要收发双发的伪随机码同步，就可使收发双方的 频率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，再对此信号进行解调，就可恢复 出发送的信息。对于干扰信号而言，由于不知道频率跳变的规律，与本地的频率 合成器产生的载波不相关，因此干扰信号不能对跳频系统形成干扰。 2 3 2 跳频图案与伪随机序列 跳频图案是由跳频码控制频率合成器所产生的频率序列。跳频系统中，跳频带 宽和可供跳变的频率( 频道) 数目都是预先定好的。 跳频图案描述了通信双方约定的载波频率随时间变化的规律。一个好的跳频图 案应考虑以下几点： 第二章短波常规跳频通信 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。随机 性好，抗干扰能力也强。 图案密钥量要大，要求跳频图案的数目要足够多。这样抗破译的能力强。 各图案之间出现频率重叠的机会要尽量的小，要求图案的正交性要好。这 样将有利于组网通信和多用户的码分多址。 跳频图案的性能取决于伪随机码序列的性能，伪随机序列的自相关函数满足如 下定义： r o ( _ ，) = 专篓冉- ， 1 笔 i 万缶q q + 5 万 图2 7 跳频图案 伪随机序列具有下列特点： 伪随机信号必须具有尖锐峰值的自相关函数，而互相关函数应接近于零； 有足够长的码周期，以确保抗侦破、抗干扰的要求； 有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求； 工程上易于产生、加工、复制和控制。 2 3 3 跳频增益 对于跳频扩频系统，为使上下邻近频点信道之间无串扰，需要保证发射信号频 谱和邻近频点频谱隔离。设已调信号带宽为届，最小跳频间隔v = 马，跳频频点 数为n ，则跳频带宽为垦= 1 w = n 8 。系统的处理增益为 g 。：墨：n 。 且 ( 2 - 1 1 ) ) oi - g ， o o = ， ， 1 2 短波信道下多载波跳频通信技术研究 由该式可以看出，跳频系统的处理增益等于系统的跳频频点数。跳频系统的频 点数越多，其扩频增益越大。 2 3 4 跳频系统的同步 跳频系统的同步是关系到跳频通信能否建立的关键。同步的含义是：跳频图案 相同，跳变的频率序列相同，跳变的起止时刻相同。常用的同步方法有：独立信 道法、前置同步法和自同步法。实际系统中，多采用将这几种方法结合使用，使 系统达到某种条件下的最佳同步。 2 4 短波常规跳频通信体制存在的问题 短波单载波常规跳频通信由于受短波天波传输环境、频率合成器、滤波器组以 及调制方式等的影响，存在一些问题，具体如下【l 】： 1 ) 跳速低 在短波单载波常规跳频通信中，频率合成器是其中的关键部分。目前大多数跳 频电台中使用的频率合成器采用的是锁相环( p l l ) 频率合成技术。使用该技术 时，系统收发机的信道切换时间不可能做到很小，因此限制了系统的频率跳变速 率。另外，模拟信号在时间轴上很难进行压缩存储和扩展恢复，故信号切换会造 成信号的损失，且跳速越高，信号损失越严重。上述原因决定了，采用频率合成 器技术传输模拟信号的短波单载波常规跳频通信系统的跳速较低。 近几年来，为了能够进一步提高跳频速率，产生了直接式数字频合器( d d s ) 技 术。该技术采用全数字技术，具有频率分辨率高，频率转换时间快，输出频率可 以很高而且稳定性好，相位噪声低等优点，可满足快速跳频电台对频率合成器的 要求。但是d d s 的价格昂贵，复杂度大，直接用于跳频电台有一定的难度。 2 ) 可用跳频频点数少 为了提高系统的跳频增益，并抵抗多频点干扰机的影响，必须增加系统的可用 跳频点数。而在短波单载波常规跳频通信中，可用跳频点数受频率合成器和本地 滤波器组等的制约，增多跳频频点意味着对频率合成器和滤波器组提出更高的要 求。受电子元器件等条件的制约，频率合成器和滤波器组的性能已很难提升，因 此在传统跳频通信系统中，增加跳频频点数较为困难。 3 1 跳频带宽窄 跳频系统的带宽根本上取决于频率合成器所能产生的带宽范围，因此传统跳频 通信系统的带宽较窄。欲提高系统的带宽，必须从根本上提高本地频率合成器和 滤波器组的性能。但上文已经指出，受电子元器件等客观因素的限制，频率合成 第二章短波常规跳频通信 器和滤波器组的性能已很难提升，因此传统跳频通信系统的跳频带宽也难以提高。 但宽频带的跳频通信可有效地防止全频带干扰，提高系统的跳频带宽将是必须的。 4 ) 信息速率低 由于传统的跳频通信系统中，传输模拟信号，其难以采用高阶的调制方式，且 跳频频点处带宽有限，从而限制了系统的信息传输速率。由于短波信道环境比较 恶劣，根据香农公式知，在低信噪比的条件下，为提高信息传输速率，必须增加 系统的带宽，但上文已指出传统的跳频通信系统的跳频带宽有限，从而限制了系 统的信息传输速率难以提高。 第一章已经指出，未来的军用以及民用短波跳频通信的主体发展方向是多频 点、高跳速、高信息速率和全频段，因此必须提出一种新的跳频通信体制以克服 传统跳频通信技术的不足之处。本文提出的多载波跳频通信技术，利用o f d m 调 制，选取多个子载波实现多频点跳频通信。该技术利用o f d m 调制可用d f t 实 现的特性简化了跳频电台的设计复杂度，大幅提高系统的跳频点数和系统带宽， 并结合o f d m 技术本身的优点，提高了系统频谱利用率和数据传输速率。 2 5 本章小结 短波信道的基本特点具有如下特点：时变的色散信道特性、频带较窄、抗毁性 强、通信距离远、天线匹配困难等。常用的短波信道建模方法有w a t t e r s o n 模型、 i t s 模型和p e r r e 模型，其中w a t t e r s o n 模型的应用较为广泛，并且已经被i t u r 推荐为c c i r5 2 0 1 中短波信道的标准模型。w a t t e r s o n 模型是一种基于统计的窄 带模型，而i t s 模型和p e r r e 模型则不仅适用于窄带，也适用于宽带，但这两个 由于存在一些问题，所以并不像w a t t e r s o n 模型那样被广泛接收，但多数场合已 经验证了他们的正确性。 传统短波跳频通信系统中，利用跳频码序列控制频率合成器，生成可变的跳频 频点。频率合成器是传统跳频通信系统的关键，其性能对整个系统的性能有着很 大的影响。由于受电子元器件等客观因素的影响，靠提高频率合成器的性能来提 高整个跳频系统性能的难度越来越大，同时考虑本地滤波器组等问题的影响，传 统的跳频通信系统存在着许多问题，如跳速低、可用跳频频点少、跳频带宽窄、 信息传输速率低等。 由于未来军用以及民用短波跳频通信电台的主体发展方向是多频点、高跳速、 高信息传输、宽频带等，可见传统的跳频通信技术已难以满足实际的发展需求， 因此需要提出一种新的跳频通信体制，实现多频点、高跳速、高信息速率和宽频 带的跳频通信技术体制。 第三章短波多载波跳频通信 第三章短波多载波跳频通信 3 1 跳频系统的o f d m 调制实现 第二章已经指出，常规跳频通信体制存在一些问题，如跳速低、频点数少、信 息传输速率低、带宽窄等【l 】。究其原因，主要是由于常规跳频通信系统的实现方 法造成的。在常规跳频通信系统中，频率跳变是由伪随机序列控制频率合成器来 实现的。所以频率合成器是跳频通信系统的关键，频率合成器的性能制约了整体 系统的性能。此外为了减小各频点之间的干扰，通常还需要一个滤波器组，因此 过多的频点数会使系统过于复杂，从而降低实用性。 随着现代军事通信和民用通信的需要，以及常规跳频通信暴露出来的越来越多 的问题，现在各国都加大力量对跳频通信的新体制进行研究，研究主要集中在以 下几个方向： 数字化是现代通信发展的总体趋势，因此跳频通信亦必向数字化发展； 为了提高抗干扰性能以及抗多径效应、抗衰落的能力，提高隐蔽性，必须 提高跳频通信的跳变速率，并增加跳频点数； 实现全频段跳频，增加系统的带宽，提高系统抗全频段干扰的能力。 显然，传统跳频通信系统由于受频率合成器和滤波器组的制约，致力于这几个 方向提高跳频通信系统的性能有很大的难度。根据o f d m 调制将频域数据调制到 相互正交的子载波上的基本原理，可以以o f d m 调制为基础，从o f d m 的子载 波中按照跳频图案动态地选择某个载波用于信息传输，从而实现跳频通信3 】【1 0 1 川。 近年来，随着o f d m 技术逐渐成熟，美国率先开展了多载波跳频军事通信系 统的研究，它综合利用了o f d m 技术的优点，实现高跳变速率和高信息传输速率 的跳频通信，并在h f 和v h f 频段开展了大量的实验。 美国的f l a r i o n 公司自主研发的f l a s h o f d m 技术在时间上以跳频的方式使 用o f d m 的子载波，高速切换子载波，提高了频率利用效率，该技术现已成功进 入商用实验阶段”。 3 1 1o f d m 调制实现跳频通信的系统模型 图3 1 为用o f d m 系统实现跳频通信的系统模型框图。与o f d m 系统相比， 该模型对o f d m 系统中的串并变换和并串变换部分按照跳频通信进行了相应的 修改设计( 图3 1 中实线框所示部分) 。图3 2 和图3 3 分别是具体的实现方法。 1 6短波信道下多载波跳频通信技术研究 图3 2 所示，发送数据串并交换后，存储在跳频数据存储器。该存储器的单 元个数等于i f f t 变换的点数。每个o f d m 符号周期，由伪随机序列产生器产生 的序列作为地址，读出的数据到o f d m 系统的某个子载波上，然后进行常规的 o f d m 调制。 图3 3 所示，与图3 2 基本相同，不同之处在串并变换的过程中实现跳频映射。 图3 io f d m 系统实现跳频通信系统模型 图3 2o f d m 调制实现跳频通信( 方法一) 图3 3o f d m 调制实现跳频通信( 方法二) 第三章短波多载波跳频通信 1 7 3 1 2o f d m 调制实现跳频信号的时频分析 假设o f d m 系统的子载波个数为n = 1 6 ，则图3 1 中产生的信号如图3 4 所示。 图3 4 发射机输出波形( 实部) 由图3 4 可以看出输出波形频率的大体变化情况。为了更清楚地观察载波频率 随时间的变化，需要使用信号的时频分析方法。常用的时频分析方法是短时傅立 叶变换l ”j 。 短时傅立叶变换的基本思想是：假设，非平稳信号在分析窗函数g ( t ) 的一个短 时间间隔内是平稳( 近似平稳) 的，并滑动分析窗函数，使f ( t ) g ( t f ) 在不同的有 限时间宽度内是平稳信号，从而计算出各个不同时刻的功率谱。 信号x ( r ) 的s t f t 定义为： s t f t ( f ，f ) = r x ( o g ( t f - 1 2 删出 ( 3 - 1 ) 由于信号x ( f ) 乘一个窗函数g ( t f ) 等价于取出信号在分析时间点t 附近的一 个切片，所以s v ( ，f ) 可以理解为信号x ( f ) 在分析时间f 附近的f o u r i e r 变换 ( 称之为“局部频谱”) 。具体实现是利用窗函数的滑动将信号分成一系列相互重叠 的子段，并假设每个子频段都是平稳的。通过对每个子段的信号加窗( 即与窗函 数相乘) ，以减少由于时间截断而产生的旁瓣泄漏效应，然后对每一段进行离散 傅立叶变换d f t 分析( 常采用快速傅里叶变换算法f f t ) ，这样得到的s t f t 的 频谱图即可表征信号的时频分布特征。 对图3 4 所示的时域信号进行短时傅立叶变换，即可得到信号的时频分布特征， 如图3 5 所示。由图3 5 可以清楚地看出载波频率随时间变换的过程。 图3 4 和图3 5 说明输出信号确实为载波频率随时间改变的跳频信号。因此， 利用o f d m 系统可以实现跳频通信。 1 8 短波信道下多载波跳频通信技术研究 图3 5 单载波跳频信号的时频分析图 3 1 3o f d m 调制实现跳频通信的好处 结合o f d m 系统的优点，利用o f d m 系统实现跳频通信可以带来以下好处： f f t 的引入，使得o f d m 系统可以全数字化，因此基于o f d m 系统的跳 频通信系统也可以实现全数字化，这符合跳频通信系统的发展趋势。 o f d m 系统实现跳频通信，利用了i f f t 实现了数据到不同载波上的调制， 省去了传统跳频通信系统的频率合成器和滤波器组，因而系统设备简单。 高性能的f p g a 和d s p 的使用，使得i f f t f f t 的计算时间可以控制在瑚 级，因此可以大大提高跳频通信系统的频率跳变速率。由于短波信道中存 在严重的多径延时，一般为2 m s 左右，考虑多径效应的影响，o f d m 符 号一般应取8 m s 左右。按照此参数计算，跳频系统的跳速为1 2 5 跳每秒。 若使用不带c p 的o f d m ，缩短o f d m 符号时间，则可以得到更高的跳速。 根据o f d m 调制的基本原理，在基带采用合适的调制方式，可以带来信 息传输速率的提高。仍以1 0 2 4 点i f f t ，o f d m 符号时间为8 m s 为例，当 基带采用b p s k 调制时，系统的信息传输速率最高可达为1 2 8 k b p s ，若采 用q p s k 调制，则系统的系统传输速率最高将达到2 5 6 k b p s 。 相对于常规跳频通信系统，利用o f d m 系统实现的跳频通信系统增加跳 频的频点数只需要增加i f f t f f t 单元的运算点数即可，因此能够很方便 地通过增加跳频频点数来提高系统的处理增益，并增强信号的隐蔽性。 o f d m 系统的一个典型特点为频谱正交，因此使用o f d m 系统实现跳频 通信相对于常规跳频通信系统还可以提高系统频谱的利用率。 第三章短波多载波跳频通信 1 9 此外，由于每一跳过程中，仅使用某一个子载波，为了增加信号的隐蔽性， 可以在其他自载波上传输一些无用信号，以隐蔽信号特征。由于o f d m 系统中各予载波之问的正交性，并不会对有用频点造成干扰，这也是常规 跳频通信系统所不具有的优点。 3 2 短波多载波跳频通信系统