（通信与信息系统专业论文）自适应跳频中的关键技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 离适应跳频系统能够自适应地进行信道髂诗，并根据蓓道状况，蠡适应地调 整频点的调制方式并进行功率控制，同时自适应地选择工作频率，从而极大地提 升了系统撬衰落、抗干扰和抗截获的能力，其有举足轻重的意义，本文在茈方面 徽了大量的爵究工作。 ， 本文首先简瑟地介绍了短波通信与短波信道的基本特征，以及跳频邋信的发 展历程，接着介绍了自适应跳频通信的发展秘研究现状，激焉给出了本文的研究 背景以及文章结构。第二章麓要的介绥了鑫适应跳频的穗关基硪技寒，包括魏颖 通信的基本原理、跳频通信系统介绍以及自适应跳频技术，为后续研究铺平道路。 第三章对自适应信道估计算法进行了研究。详细的阐述了根据观测向量自相 关矩阵特征值分解求信嗓篦的算法，讨论和院较了荬信号数估计鲢a i c 与m d l 算法，分析了后者可能存在的问题以及相应的改进算法，并讨论了自相关矩阵更 普通的情况。提出了信道衰落估计的算法，该算法具有实现简单和高效的优点。 第靼章对鸯适应控制进行了研究。本文将窝适应调制与鸯适应功率控制结合 起来，提出了联合自适应调制与功率控制算法，给出了算法的分析与实现，说明 了相关注意事项，并讨论了算法针对常规功率控制与自适成调制的简化解决方案。 本文分别从塞适应频点选择、频带选择和予带选择三个方霜入手，提毖并分析了 自适应频率选择的最优算法。仿真表萌，本文提出酶算法都比较有效。 最后，总结了本文的工作，指出了今后研究的几个方向。 关键调：鸯适应跳频，叁适应信遵估计，爨适应功率控制，鸯适应调制，耋适 应频率选择 a b s t r a c t a b s t r a c t a d a p t i v ef r e q u e n c y - h o p p i n g ( f h ，a f h ) s y s t e mc a np e r f o r ma d a p t i v ec h a n n e l e s t i m a t i o n ，a n da d j u s t sm o d u l a t i o n ，p o w e rc o n t r o la n df r e q u e n c ys e l e c t i o na d a p t i v e l yi n a c c o r d a n c ew i t hc h a n n e lc o n d i t i o n s ，t h e r e b yg r e a t l ye n h a n c e st h es y s t e mc a p a b i l i t i e so f a n t i - f a d i n g ，a n t i - j a m m i n ga n da n t i i n t e r c e p t e d 。i ti so fd e c i s i v es i g n i f i c a n c ea n dt h i s d i s s e r t a t i o nh a sd o n el o t so fr e s e a r c h e so nt h i ss u b j e c t f i r s t ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i c so fs h o r t - w a v e c h a n n e la n ds h o r t w a v ec o m m u n i c a t i o n s a sw e l la st h ed e v e l o p m e n tc o u r s eo ff h c o m m u n i c a t i o n s t h e nt h ed e v e l o p m e n to fa f hc o m m u n i c a t i o na n dc u r r e n tr e s e a r c h s t a t u sa r eg i v e n ，w h i c hs e tu pt h eb a c k g r o u n df o ro u rr e s e a r c h e s t h ed i s s e r t a t i o n a c h i e v e m e n t sa n ds t r u c t u r e sa r el i s t e da tt h ee n do fc h a p t e ro n e c h a p t e r2b r i e f l y i n t r o d u c e ss o m ea f hr e l e v a n tt e c h n i q u e s i n c l u d i n gt h eb a s i cp r i n c i p l e so ff h c o m m u n i c a t i o n s ，p r a c t i c a lf hc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n db a i s ea f ht e c h n i q u e s ， w h i c hw i l lp a v eaw a yf o rt h ef o l l o w i n gr e s e a r c h c h a p t e r3f o r m u l a t e st h e r e s e a r c h e sa n da c h i e v e m e n t so na d a p t i v ec h a n n e l e s t i m 采i o na l g o r i t h m s t h ed i s s e r t a t i o nd e t a i l e d l y e x p a t i a t e st h es n re s t i m a t i o n a l g o r i t h mb a s e do nt h ea u t o c o n e l a t i o nm a t r i xo fo b s e r v a t i o nv e c t o r , d i s c u s s e sa n d c o m p a r e st h ea i ca n dm d la l g o r i t h m s a n a l y z e st h ep o t e n t i a lp r o b l e ma n d c o r r e s p o n d i n ga m e n df o rt h el a t t e ro n e , f u r t h e r m o r e t h es i t u a t i o no fm o r ec o m m o n a u t o c o r r e l a t i o nm a t r i xi sd i s c u s s e d 弧ed i s s e r t a t i o np r o p o s e sa 鼗e s t i m a t i o na l g o r i t h m f o rt h ec h a n n e lf a d i n g , p r o v e si t ss i m p l i c i t ya n de f f i c i e n c yb ys o m es i m u l a t i o nr e s u l t s 。 c h a p t e r4f o r m u l a t e st h er e s e a r c h e sa n da c h i e v e m e n t so na d a p t i v ec o n t r 0 1 t h e d i s s e r t a t i o np r o p o s e saj o i n ta d a p t i v em o d u l a t i o na n dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，a n a l y z e s i t sp r i n c i p l e sa n dg i v e st h ef u l li m p l e m e n t a t i o n ，p o i n t so u ts o m ea t t e n t i o n so nt h e r e l e v a n tm a t t e r s ，a n dt h es i m p l i f i e ds o l u t i o n sa r ed i s c u s s e df o rc o m p a r i s o nt ot h e c o n v e n t i o n a la d a p t i v em o d u l a t i o na n dp o w e rc o n t r o l 。t h ed i s s e r t a t i o na l s op r o p o s e s o p t i m i z e da l g o r i t h m so i lt h ea s p e c t so fa d a p t i v ef r e q u e n c ys e l e c t i o n ，b a n ds e l e c t i o na n d s u b - b a n ds e l e c t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h m sp r o p o s e di nt h i s d i s s e r t a t i o na r eh i 曲l ye f f e c t i v e f i n a l l y , t h ed i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ew h o l ew o r ka n d 菩v e ss o m ed i r e c t i o n sf o r t h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：f h ，a f h ，a d a p t i v ec h a n n e le s t i m a t i o n , a d a p t i v ep o w e rc o n t r o l ，a d a p t i v e m o d u l a t i o n ，a d a p t i v ef r e q u e n c ys e l e c t i o n i i 表目录 表目录 表4 - 1 自适应控制仿真参数。5 9 主要数学符号表 符号类别 变量 矢量 矩阵 求自然对数为底的幂 求对数 求最大值 求数学期望或均值 主要数学符号表 字体、说明或用法 斜体字符 小写粗体 黑体字符 例 小 小 h 蒯 口 a p 酬 州 州 缩略词表 英文缩写 a f h a i c 氏瓣g k b e r c s i d d s d s s s f f t f h h f i s i l q a m d l s n r 英文全称 缩略词表 a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g a k a i k ei n f o r m a t i o nc r i t e r i o n a d d i t i v e 溅t eg a u s s i a nn o i s e b i te r r o rr a t e c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d i r e c td i s t a ls y n t h e s i s d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m f r e q u e n c y - h o p p i n g h i 垂f r e q u e n c y i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e l i n kq u a l i t ya n a l y s i s m i n i m u m d e s c r i p t i o nl e n g t h s i g n a l t o - - n o i s er a t i o 中文释义 自适应跳频 a k a i k e 信息理论准则 加性离斯自嗓声 误比特率 信道状态信息 直接数字合成 直接序列扩频 快速傅立叶变换 跳频 高频 符号间干扰 链路质量分析 最小描述长度 信嗓比 图目录 图目录 图2 1 跳频通信系统原理示意图1 1 图2 2 跳频通信系统的数学模型1 1 图2 3 邻频率分布情况1 4 ( a ) 相邻频率不邻接；( b ) 相邻频率邻接；( c ) 相邻频率重叠14 图2 4 跳频周期内的时间关系2 0 图2 5d d s 原理图2 1 图2 6 自适应跳频通信系统原理示意图2 3 图2 7 双状态g i l b e r t e l l i o t ( g e ) 信道模型2 5 图3 1 函数m d l ( k ) 的变化曲线3 7 图3 2 不同采样点数时估计值的均值4 l 图3 3 不同采样点数时估计值的均方根误差4 2 图3 4 不同调制方式时的估计均值。4 2 图3 5 不同调制方式时估计的均方根误差4 3 图3 - 6 自相关矩阵的维数不同时的估计均值4 3 图3 7 自相关矩阵不同维数下的信噪比估计标准差4 4 图3 8 不同m 时估计的m s e 随信噪比变化曲线4 8 图4 1 跳频频率与工作频率示意图5 2 图4 2 初始化分配功率计算图5 6 图4 3 增加1 比特的扩张频点图5 6 图4 46 4 频点各种自适应控制方式比较图6 0 图4 51 2 8 频点各种自适应控制方式比较图6 l 图4 62 5 6 频点各种自适应控制方式比较图6 2 图4 76 4 、1 2 8 、2 5 6 频点的联合最优控制比较图6 3 图4 86 4 、1 2 8 、2 5 6 频点的自适应调制比较图6 3 图4 96 4 、1 2 8 、2 5 6 频点的自适应功率控制比较图6 4 图4 1o 某次频率跳变( 时刻t 1 ) 6 7 图4 1lt l 时刻后的某次频率跳变6 7 图4 1 2 多带传输系统示意图7 2 图4 1 3 自适应频带选择算法比较示意图7 4 v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。 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作了明 确的说明并表示谢意。 签名：彳l 牝 圈期：妒年胃圜 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：缸地 刚朝：知步年，月f 匿 第一章绪论 1 1短波通信的特点 第一章绪论 短波通信【l 】【2 】是发展历史比较悠久的无线通信方式，而且曾经是最重要的远程 通信方式。后来随着光纤通信、卫星通信的飞速发展，短波通信的重要性逐渐下 降，一度受到冷落。但最近十几年来，由于短波技术取得了显著的进步，人们对 短波通信的地位又有了新的认识，短波通信目前仍然在各个部门发挥着不可替代 的作用。 短波通信又称为高频( h f ) 通信，其工作频率范围为3 3 0 m h z ，也有人把中波的 高频段1 5 3 m h z 归于短波波段。这一频段的电波不仅可以通过地波方式传播，即 电波沿地表传播，也可通过天波方式传播，即通过电离层传播。采用天波传播方 式时，仅需要较小的功率就能传播很远的距离，使短波通信可以实现远距离通信， 同时它具有设备简单、成本低廉、使用简便、机动灵活、顽存性强等特点，尤其 是由于短波通信的传输媒介电离层具有不易被摧毁的特性，使得短波通信具有比 较强的抗毁性，因而广泛地应用于政府、外交、气象和商业等部门，而特别是在 军事通信中，短波通信一直是一种重要的通信手段，既可用于战略通信，也可用 于战术通信，成为军事通信领域必不可少的重要组成部分。 但是短波通信也有其自身的弱点，这是和其信道本身的特点密切联系的。由 于短波信道是一个典型的变参信道，存在严重的频率选择性多径衰落，工作频率 需要经常更换。这些特点使得短波通信的可靠性一直不理想，影响了短波通信系 统的性能。而近年推出的自适应跳频系统将短波自适应技术与跳频技术相结合， 为实现高速可靠的短波数据传输提供了一种新的解决办法。本文重点研究了自适 应跳频通信系统中的几个关键技术，并从理论和仿真两个方面给出了分析和验证。 本章从短波通信的特点入手，进而介绍了用于短波通信的一种抗干扰能力较 强的跳频( f h ) 技术的发展情况，并对在跳频基础上发展起来的自适应跳频通信系 统的发展及研究现状等基本情况作了介绍，在本章的最后，列举出了本文的研究 内容以及整个文章的结构框架。 电子科技人学硕+ 学能论文 1 2短波信道的基本特征 无线通信的信道特征可以从电波传播的衰减、衰落、时间弥散、频率弥散和 干扰等几个主要方面来衡量，它们对通信系统造成不同程度的影响。而这些影响 可麓来囊多方面的蠢素，如频率、距离、天线高度、地形、地物及收发信机的移 动状态等，此外电波的传播方式对通信距离和传播信道的特性有很大的影响。不 同频率、不同传播方式的无线信道特性有很大的差别。下面对短波信道的基本特 性作以介绍。 1 2 1短波的多径传播和时间色散 多径效应f 3 】【4 l 是指来自发射机的电波信号经过不同的途径、以不同的时间延迟 后到达接收端的现象。不同麓多径成分具有的随机相位和幅度弓| 起信号强度波动， 导致信号失真，同时不同径信号之间的码间串绕0 s o j j 5 会造成信号模糊。 导致短波多径传播的因素主要有：地波和天波传播的电波叠加；天波从不同 的电离屡反射；电波在电离层和地面经过跳反瓣，由于跳数不隔产生不同的路径； 电波发射时的仰角不同产生不同的路径。由于电离层的色散特性，各种路径的群 延时是不同的，于是到达接收端的信号在时间上展开便导致时间色散，这种情况 瑟罐多径时延扩展。时阉色散将导致信号的码间窜扰和信号幅度衰减。 1 2 2衰减 衰减是指接收信号电平比发射信号电平减小的现象。衰减的程度用路径损耗 来表示，路经损耗定义为接收信号与发射信号的平均功率的院值，通常月分贝0 疆) 表示，衰减通常有两种类型。 短波地波传输衰减，由于地表对电波的吸收作用，电波的功率随传播的距离 增加丽衰减。影响地波传播衰减的因素主要有大地的异电性、工作频率和毫波酶 极化方式等因素。 短波天波传播衰减，短波天波传播衰减包括自由空间传播损耗、电离层吸收 损耗、多跳地面的反射损耗和系统额外损耗等。 1 2 3衰落 衰落【5 1 1 6 是指接收信号电平随时间不同呈现忽大忽小随机起伏的现象。衰落特 2 第一章绪论 性焉衰落速度、衰落深度以及接收信号酶幅度分布特性来表示，衰落通常有如下 几种情况。 ( 1 ) 短波地波传播衰落 短波地波存在两种类型的衰落，一种是由于电台运动馒接收信号毫平随地形 的变化而缓慢引起的衰落，其衰落速度慢，通常称之为慢衰落。另种是多径传 播引起的衰落，由于受地形地物的影响，短波地波传播存在反射和绕射，在电波 的发射点和接收点之阉可能存在多条传播路径，每条传播路径的衰减和时延随视 变化，使到达接收端的多路信号不能保持固定的幅度和相位关系，导致合成信号 的幅度随机起伏，从而产生多径衰落。其衰落速度较快，通常也称为快衰落。 由于短波地波传播所使用的频率较低，波长较长，多径衰落随距离变化较慢， 而多径时延较小，多径时延引起的频率选择性衰落的相关带宽较宽，所以衰落效 应对常规短波地波窄带通信系统的影响不是很严重。 f 2 ) 短波天波传播衰落 短波天波传播信道的衰落按产生原因的不同，有三种衰落类型。 多径衰落：短波天波传播的多径效应引起多径衰落。沿不同的路径到达接收 端的信号，因遭受的衰减和所需传输时闻不同，故它们的幅度和相位也不同，露 且由于电离层的状态是随机变化的，因此电波的传输路径和响应的衰减、时延、 频移也随之变化，所以合成的信号幅度发生随机起伏。这种多径衰落是由到达接 收端的若干信号的干涉所造成，也称“干涉衰落。根据大量测量表明，短波天线 传播的多径衰落属于快衰落，其电场强度振幅以瑞利分布为主，面衰落速率大约 为1 0 - - , 2 0 次分，衰落深度可达4 0d b ，偶尔达8 0d b 。衰落持续时间通常在4 2 0 m s 范围内，而持续时间的长短可以用来判别是干涉衰落还是下面所述的吸收衰落。 吸收衰落：产生吸收衰落的原嚣是壶于电离层吸收衰减特性的慢变化，其变 化周期较长，因此吸收衰减属于慢衰落。正由于它是电离层吸收的变化所引起的， 所以它有昼夜变化、季节变化等。吸收衰落对短波整个频段的影响程度也是相同 的。 极化衰落：电波被电离层反射盾，其极化已不再和发射天线辐射方式相同。 发射到电离层的线极化波，经电离层反射后，由于地磁场的作用，到达接收点就 成了椭圆极化波，椭圆长轴的大小和方向随着传播路径上电子密度的随枫变化焉 3 电子科技大学硕士学位论文 不断变化。若用垂直天线接收信号，当长轴方向接近垂线时，信号的强度会变得 最大。反之，当接近水平时，信号的强度会变得很小，因此就产生了极化衰落。 极化衰落占全部衰落的比例大概为1 0 1 5 。 1 2 4 短波信道的频率色散 电离层是不稳定的，白天受太阳照射时电离程度高，夜晚电离程度低，传播 特性随机变化，因此短波信道是一种随机变参信道，即传输参数时变的，且没有 规律，由于这种特性，短波信道又被称为时变色散信道。 1 2 5 短波信道的干扰 由于短波频段非常拥挤，电离层的自身特点以及通信环境和人为因素，使得 短波通信的噪声和干扰比较严重。为了提高短波通信的质量，除了在系统设计时 应适应短波传播媒介的特点外，还必须采用各种有力的抗干扰措施，来消除或者 减轻短波信道中各种干扰对通信性能的影响，并保证接收端所需要的最小信噪比。 短波信道的干扰大致有三种： 大气噪声：大气噪声主要是天电干扰，它是由大气放电所产生的。天电干扰 虽然在整个电磁频谱上变化相当大，但是在接收机不太宽的通信频带内，天电干 扰具有和白噪声一样的频谱。 人为干扰：认为干扰也称之为工业干扰，是由各种电气设备和电力网所产生。 工业干扰的幅度除了和本地干扰源有密切关系外，同时也取决于供电系统。这是 因为大部分是通过商业电力网传输来的。工业干扰随极化方向的不同而不同，对 通信线路的影响也有一定区别。 电台干扰：电台干扰是指和工作频率接近的其它无线电台的干扰，以及敌人 的故意干扰。电台干扰是影响短波通信的主要干扰。对于军事通信，抗电台干扰 成为设计短波通信系统需要考虑的首要问题。 i 3跳频技术的应用和发展 跳频通信是指在通信期间传输信号的载频按照一定的跳频图案进行跳变。这 种通信方式最早用于军事通信领域，目的是对抗敌方的有意干扰。跳频通信主要 是利用躲避的方式，力求使载频不落在敌方的干扰频带内。同时采用纠错编码技 4 第一章绪论 术，以消除干扰带来的影响。而跳频技术具有的抗干扰和多址组网能力，使其不 仅在军事无线通信，在民用移动通信，现代雷达和声纳等电子系统中也具有重要 的应用。 西方国家早在2 0 世纪5 0 年代就开始进行一系列的抗干扰通信体制和抗干扰 技术的理论研究。第一个实用的跳频通信系统为s y l v a n i a 的b l a d e s 系统，其全 称为b a f f a l ol a b o r a t o r i e sa p p l i c a t i o no fd i g i t a l l ye x a c ts p e c t r a ，1 9 5 5 年开始研制， 1 9 6 3 年安装在美国海军m t m c k i n l e y 指挥舰上进行试验【5 】【7 1 。此系统由编码产生 器为每一比特信号独立地选择两个新的频率，由即将发送的数据比特来决定使用 两个频率中的哪一个。 1 9 7 1 年，美国开始研究超短波跳频电台，接着英国也进行了研制，2 0 世纪7 0 年代末开始生产、使用。到2 0 世纪8 0 年代初，大部分抗干扰技术都已开始陆续 使用在新的通信装备和系统中，而且在不断改进和完善。 1 9 8 2 年，英国在马尔维纳斯岛战争中使用了跳频电台。1 9 8 9 年，美军入侵巴 拿马，装备了2 0 0 多部s i n c g a r s 电台。1 9 9 1 年的海湾战争中，美国海军陆战队 晋级装备了2 7 0 0 部、陆军装备了2 1 7 9 部s i n c g a r s 超短波跳频电台。海湾战争 中法军装备的是t r c 9 5 0 超短波电台，英军装备的是j a g u a r - v 超短波电台，有效 地抗干扰措施保障了己方的正常通信。美中不足的是，不同国家研制的跳频电台 不完全兼容，在联合行动中，为了实现参战部队之间的通信联络，只能向低水平 电台看齐，甚至不得不使用常规通信方式实现互通。之后，美国和北约加强了跳 频电台的互联互通工作。1 9 9 9 年的科索沃战争和2 0 0 3 年的伊拉克战争中，多国部 队的通信装备普遍采用了跳频技术。 2 0 世纪8 0 年代以来，跳频技术以其优良的性能在民用通信领域也得到了广泛 的应用。g s m 系统率先采用跳频技术抗多经干扰。1 9 8 7 年2 月，g s m 在有1 5 国 代表参加的会议上，通过了泛欧蜂窝状移动通信系统的标准。g s m 系统基地台工 作在9 2 5 m h z 9 6 0 m h z ，移动台工作在8 9 0 m h z 9 1 5 m h z ，信道分配采用t d m a 方 式，每载波分为8 个时隙，采用跳频技术实现分集接收，跳频速率约为2 1 7 h o p s 。 家庭射频( h o m e r f ) 和蓝牙( b l u e t o o t h ) 也采用了跳频技术抗工业干扰。爱立信 公司于1 9 9 7 和几个便携式电子设备厂商讨一种新的短距离无线技术蓝牙技术的发 展，并于1 9 9 8 年成立了蓝牙特别兴趣小组来协调和促进蓝牙技术的发展，并先后 发布了蓝牙规范1 o 版、1 1 版和1 2 版，蓝牙采用跳频技术，其跳频速率为 。5 电子科技火学硕士学能论文 1 6 0 0 h o p s ，频率带宽为1 m h z ，使用7 9 个频率或者2 3 个频率。 而嗣前跳频技术的发展主要集中在以下几个方面。 ( 1 ) 信道编码技术得到广泛应用 短波数据传输中很早就采焉分组码、卷积码等纠错码技术来绷正传输中的误 码。最近的主要研究集中在两个方向，一是网格编码调制技术在短波调制解调器 中的应用。网格编码调制技术将信j 趋编码与调制结合在一起考虑，十余年来得到 了广泛地发展，理论研究和实践表骥，网格编码调制技术对加性高斯自噪声信道 有相当可观的编码增益。在音频m o d e m 中网格编码调制技术也获得了很大成功， 然而短波信道要比双绞线恶劣得多，在频率选择性衰落信道上网格编码调制往往 并不能得到太好的效果。二是t u r b o 码的应用，t u r b o 码是最近才出现的新的编码 技术，由予其能逼近香农信道容量极限面受到重视。t u r b o 码编码器将交织前后的 信息序列送入两个编码器，将原信息序列和两个编码器产生的两个冗余序列和在 一起作为编码输出。在译码端采用迭代译码算法，尽可能地利用传输信号中的有 用信息。t u r b o 码是在传统的级联码的基础上发展丽来的，采用了软兴决输撼的算 法提高了编码增益。在加性高斯自噪声( a w g n ) 信道上，t u r b o 码可以取得逼近香 农极限的效果，而对于衰落信道，由于t u r b o 码编码器本身就含有交织器，而且编 码增益随交织加深丽增鸯羹，一般认为是一种适合于衰落信道斡信道编码技术。 ( 2 ) 抗干扰理论和技术有很大发展 短波通信系统的抗干扰性能始终是军事通信系统要考虑的重要系统指标。差 分跳频、猝发通信、跳扩结合等新型抗干扰技术层出不穷。传统的分集技术也是 抗干扰的有效手段。这包括时闻分集、频率分集、空间分集、极化分集等恩分集 技术以及时频编码、分离多径等隐分集技术。同时分集技术也是对抗衰落的有效 手段。 ( 3 ) 跳频技术与融适应技术相结合 对于常规跳频通信系统，由于其跳频频率集是固定的，所以由于自然条件的 变化或者是人为的敌意干扰，某些频点会处于比较恶劣的状态，这样系统的性能 将受到严重的影响。将自适应技术与跳频技术结合起来，透过对信道的实时评估， 可以将通信质量恶劣的信道及时地从跳频频率集中剔除，从而避开干扰，提高通 信的质量，使系统的性能得到较大的改善。下面对自适应跳频通信的应用及发展 状况作以介绍。 6 第一章绪论 l 。4自适应跳频通信的应用及发展状况 无线通信的自适应技术根据信道的变化自适应地改变传输载波的频率，改变 调制方式、编码率、传输功率等参数，以便最大限度地发送信息，从两有效地利 用频谱资源。这一点在无线通信中尤其重要，近年来自适瘦技术已经成为无线通 信研究的一个热点。而自适应跳频是建立在自动信道质量评估基础上的自适应技 术和跳频技术相结合的通信技术。从广义上讲，岛适应跳频技术包括了跳频通信 过程中，采用频率自适应、功率自适应、鲁适应数据速率、自适应调制解调、自 适应调霉天线、自适应均衡等技术。而自适应频率控制和自适应功率控制是自适 应跳频通信的重点。 军事通信系统采用的透信方式必须能徽到抗干扰，霜时要具有对毒譬标用户 低的检测概率( l p d ) ，还要具有对敌对用户低的被截获概率( l p d 。跳频通信信号载 波频率不断地跳变，从而具有躲避干扰的功能，抗干扰性比较好，但是常规的跳 频系统中通信收发双方的跳频图案都是事先约定好的，同步地按照跳频图案进行 跳变。随着现代战争中的电子对抗愈演愈烈，敌意干扰以及信道的恶劣程度也越 来越严重，这样如果跳频频率集中的频点处于被干扰等质量恶劣的状态时，由于 其的“富跳 性，会使系统性能严重恶化。同时，在民用领域，对于采用跳频通 信方式的蓝牙技术，离于其处在i s m ( i n d u s t r y , s c i e n c ea n dm e d i c a l ) 频段，该频段 是工业、科学和医疗的公用频段，工作在此频段的设备包括无绳电话、微波炉、 无线局域网等，它们之间的相互干扰相当严重，研究表明，当传输速率为l l m b p s 、 使用直接序列扩频d s s s ，d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c m m a ) 方式i e e e 8 0 2 。llb 与蓝 牙共同工作时，后者的数据包丢失率达到了1 3 左右。如此高的包丢失率意味着 数据频繁的重传，从而使蓝牙本来就不高的信息传输速率变得更低j 。 针对上述问题，囊适应跳频在鬻规跳频的基础上，增加了信道质量评估的功 能，它根据信道评估单元提供的信道信息，拒绝使用那些曾经用过但传输不成功 的频点，即实时去除跳频频率集中被干扰的频率点，实现跳频通信频率自适应， 并以最小的发射功率获得正常的通信，以达到通信系统良好的抗干扰性，尽可能 增加系统的隐蔽性。与传统跳频系统相比，童适应跳频系统麴工作灵活性更大、 可靠性更好、数据传输速率更高、保密性更强，特别是具有优良的抗电子干扰及 低截获概率低检测概率特性，不仅适合在各种实战条件下进行可靠的中、远程通 信，焉旦酉在其它视遴通信手段失效或者频谱宠全被堵塞时满足短程应急通信要 7 电子科技人学硕士学位论文 求。两在蓝牙系统中，也采用了爨适应跳频技术对于扰进行检测并分类，通过编 辑跳频算法来避免于扰，把分配变化告知网络中的其它成员，并周期性地维护跳 频集。自适应跳频技术对于有效利用频谱资源、防止通信设备之间相互干扰起着 十分重要的作用。 在国内，我国在1 9 9 6 年研制出第一台实耀型跳频电台后，多类型的短波通信 系统投入批量生产，部分达到国际先进水平。国内首创的“多合一”的自适应技 术已经成功应用到新一代的短波战术跳频系统中。国外，法国的r p 2 g 战斗网跳 频电台就有色适应跳频的功能，当存在敌方的宽带干扰时，毫台鲁动换到空阑信 道搜索方式，通信网可以自动转移到无干扰或来被占用的频率上工作，干扰一旦 停止，又可以回到原来的跳频方式工作，这种电台在4 0 跳频信道干扰时，依然 能使话音可懂【9 】。法国t h o m s o n c s f 瓜g s 公司的s y s t e m 3 0 0 0 系列自适应跳 频通信系统，它是目前可用的较先进的短波战斗网无线电台，在u n i q u e t r c 3 5 0 0 s k y h o p p e r 2 f h 方式下，作为网控中心的电台首先自动选择( 并在网内分配) 短波 频谱内的可用频段( 5 个以内) ，然后再选择那些未受干扰的频率做跳频频率集。 s k y h o p p e r 对战术遥信来说是一次质的飞跃，它在海湾战争及柬埔寨、波黑维 和行动中发挥的重要作用【10 1 。 实际通信表明 1 1 】，自适应跳频电台能够有效利用5 0 左右的现有信道。由此 可见，采用这种宣适应跳频设计思想的第二代跳频电台，这是大势所趋。因为薪 一代自适应跳频电台的工作灵活性更大、可靠性更好、保密性更强，能够适合在 各种电磁环境下进行可靠的通信。现代自适应通信实际电路的中断率可减少 2 0 - 5 0 ，线路利用率可提高4 5 0 o , - 6 5 ，平均在9 0 的内信道误码率可保持在 l o q l o 埔，因丽给高频通信，特别是军用通信带来显著好处。 l 。5本人的主要工作和论文的内容安排 本文对自适应跳频中的关键技术进行了深入的研究，具体包括自适应信道估 计，自适应调制与功率控制，自适应频点选择。 本文结构安排如下： 第一章简要的介绍了短波通信与短波信道的基本特征，以及跳频通信的发展 历程，接着介绍了自适应跳频通信的发展和研究现状，最后给出了本文的研究背 景以及文章结构。 r 第一章绪论 第二章介绍了自适应跳频的相关基础技术，包括跳频通信的基本原理、跳频 通信系统介绍以及自适应跳频技术等。 第三章对自适应信道估计算法进行了深入的研究，研究了自适应信噪比估计 问题，详细分析了基于观测向量自相关矩阵特征值分解的信噪比求解算法，并提 出了简单有效的衰落估计算法。 第四章对白适应控制进行了研究。本文将自适应调制与自适应功率控制结合 起来，提出了联合自适应调制与功率控制算法；从自适应频点选择、频带选择和 子带选择三个方面入手，提出并分析了自适应频率选择的最优算法；对所有算法 都进行了与常规方式和自身之间的比较分析。 第五章总结了本文的工作，得出了结论，并指出了今后研究的方向。 9 电子秘技大学硕士学位论文 第二章自适应跳频通信系统模型 无线信道具有两大特点【1 2 】：时变特性和衰落特性。因此，无线通信的信道容 量是一个具有时变性的随机变量，要最大限度地利用信道容量，必须使信息的发 送速率也是一个随信道容量变化的量，也就是编码方式和调制方式具有自适应特 性。传统的无线数字通信系统都是以最差情况时的信道为目标设计编码和调制等 技术，系统包含了很多用来克服最差条件的开销，即使在信道条件较好的时候， 这些开销依然存在，丽无线资源通常是有限的，因此必须有效地利用资源，以提 高信息的传输速率和通信质量，在跳频通信中同样如此。 自适应跳频技术能够在通信过程中，依据反馈回的信道质量状态信息( c s d ， 自动避开信道质量恶劣的频点或者频带，并以尽可能大的发送速率、最小的发射 功率、最低的被截获概率达到在无干扰或者弱干扰的信道上长时闯保持优质的通 信。由子自适应跳频通信技术是建立在宣动信道质量分析( l q a ) 基础上的鲁适应技 术与跳频技术相结合的通信技术，下面我们先介绍常规跳频通信系统的基本原理， 进而介绍自适应跳频通信系统的原理。 2 1跳频通信系统原理 跳频通信的基本工作原理是嘲：在发射机中，输入的信怠对频率为f 的载波 进行调制，得到带宽为r 的调制信号。独立产生的跳频序列从跳频频率表中取戡 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。 跳频信号戳跳变方式躲避某些频点上的人力于扰或者逸然于扰。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，使输出的本振信号频率按照跳频序列相应地跳变。跳变的本振信号，对接 收到的跳频信号进行变频，将频率搬溺到f ，实现解跳。解跳后的调制信号，在 本地载波的作用下，经解调屠，恢复出信息。其原理框图如图2 。l 所示。 1 0 第二章白适应跳频通信系统模型 信息 图2 1 跳频通信系统原理示意图 信息 正如图2 1 所示，跳频通信系统跳频序列发生器、频率合成器和跳频同步器等， 我们将在后面的章节详细介绍。 2 1 1跳频通信系统数学模型 如图2 - 2 所示为跳频通信系统的数学模型【13 1 。 2 c o s ( c o f f + q 驴) 图2 - 2 跳频通信系统的数学模型 ( f ) 表示第i 个发射机的信息数据信号，可以是模拟信号也可以数字信号。 信号载波万c o s ( q h - 纺) ，p 为信号功率，和伤分别表示第f 个发射机在时隙 乃f ( j + 1 ) t h ( 瓦为跳频周期) 内发射信号的频率和相位，是时间t 的函数，受跳 频序列控制，随频率合成器的输出变化。 跳频码分多址系统第i 个发射机的发射信号为 s ( f ) = 厄嗽( t ) c o s ( c o o t + 呼o o ) ( 2 1 ) 电子科技大学硕士学位论文 跳频接收机接收到的信号为 r ( f ) ：u 扬形) c 。s ( 嘞f + ) + 北) + 咒( f ) ( 2 2 ) 其中，u 在同一宽带信道中，同时发射信号的发射机数，又称为多用户数； ，( f ) 外邵干扰数； ，z ( f ) 加性高斯白噪声。 为讨论方便，而又不失一般性，假设接收机要接收第一个发射机发送来的信 g - m 。( f ) ，使用本地载波2 c o s ( 缈。，+ 缈。j ) 进行解跳，则解跳后的输出为： 矿( f ) = 2 p 聊l ( t ) e o s ( c t + q o o ) 2 c o s ( 叫，+ 妒：，) + 2 p 觋( t ) e o s ( c o o t + q ) o ) 2 c o s ( 国：，+ 谚，) + ( 2 - 3 ) ( f ) 2 c o s ( 百o i ，+ ，) + 栉( f ) 2 c o s ( o , ：，+ 谚，) 如果在时隙乃f ( + 1 ) 乃内，接收机本载波频率国u 与第一个发射机发送来 的信号频率q ，正好满足下面的关系，即 q 厂国l ，= a o ) ( 2 - 4 ) 其中，国为接收机中频，那么上面的式( 2 3 ) 的第一项变为 彬( f ) = 1 2 p m l ( t ) c o s ( a c o t + 力 ( 2 - 5 ) 式中，彩= q ，- - c o l ，；伊= 仍，一爿，。 则信号经过混频后进入中频滤波器，中频滤波器的中心频率设为缈，宽度为 曰，然后再进行解调就可以得到第一个发射机发送来的信息m 。( f ) 。 式( 2 3 ) 的第二项为 l j ( f ) = 2 尸m ( t ) c o s ( ( 一缈：，) f + ( 吩一缈：，) ) 8 1 1 2 ( 2 - 6 ) 、 = 2 p ( t ) c o s ( a c o o t + 伤) 1 2 第二章自适应跳频通信系统模型 式中，a 吩= 嘞一d ，；a 吩= 锈一蘸，。 只要在时隙瓦竖tg ( j + 0 t _ | l 内，有 略= 唆一破，雾缈 i = 2 ，3 ，u ( 2 - 7 ) 即除了第一个发射机外，其他( u - 0 个发射机在时隙歹瓦t ( j f + 1 ) 不内使用的载 频都不会同本地接收机正好相差为中频a c o 。这样，职( f ) 信号在中频