（通信与信息系统专业论文）超短波无线通信保密技术研究.pdf

摘要 在超短波通信中，利用跳频方式进行通信可以提高通信系统的安全性。本文讨论 了m 序列、g o l d 序列和混沌序列几种不同的跳频序列的性能，同时把它们应用于跳频 通信系统，并仿真分析。基于队列理论、l o g i s t i c 映射和t e n t 映射，从增大跳频序列 的线性复杂度和抗预测性出发，提出了利用队列排序方式产生混合混沌映射跳频序列 的方法。理论研究和仿真结果证明这种方法极大地增加了系统的抗预测能力，同时该 跳频序列的平衡性、相关性、频率间隔等性能良好，且码的数量巨大，容易实现，适 合应用于超短波通信系统。针对超短波跳频系统，讨论信道均衡技术。基于对无线信 道的分析，介绍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。 本文利用m a t l a b 语言中的s i m u l i n k 工具包构造出一个超短波跳频通信系统， 运用产生的混沌序列取代跳频通信中的伪随机序列来实现更深层的保密通信功能，并 分析其可行性。结果表明串联结构混沌产生器产生的混沌扩频序列具有良好的自相关 和互相关特性，而且构建的跳频通信系统，容易实现并且保密性能优异。 关键词：超短波保密通信跳频通信跳频序列混沌序列信道均衡 a b s t r a c - r i nt h ep a p e rd i s c u s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fms e q u e n c e ，g o l ds e q u e n c ea n dc h a o t i c s e q u e n c e ，a tt h es a m ea p p l yt h e m t of hc o m m t m i c a t i o ns y s t e ma n da n a l y z et h er e s u l t b a s e d o nt h eq u e u i n gt h e o r y , l o g i s t i cm a p p i n ga n dt e n tm a p p i n g , t h i sp a p e rp r e s e n t san e w m e t h o df o rg e n e r a t i n gt h ec h a o t i cf hs e q u e n c e st h r o u g hm i x e dm a p p i n gi no r d e rt oi n c r e a s e t h el i n e a rc o m p l e x i t ya n da n t i - p r e d i c t i o no fc h a o t i cf hs e q u e n c e ，1 1 1 es t u d ya n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef hs e q u e n c ei nt h i sp a p e rn o to n l yi m p r o v et h e a n t i - p r e d i c t i o no ft h es y s t e m ，b u ta l s oh a v ea l li d e a lb a l a n c e h a m m i n gc o r r e l a t i o na n df h d i s t a n c e m o r e o v e r , av a r i e t yo ft h o s es e q u e n c e sc a nb ee a s i l yi m p l e m e n t e d i ta d a p t t ot h e u l t r a - s h o r tw a v ec o m m u n i c a t i o n b a s e do nu l t r a - s h o r t w a v ec o m m u n i c a 矗o n , a u t h o r d i s c u s s e st h ec h a n n e le q u a l i z e r af a s te h a n n e le s t i m a t i o nd e c i s i o n - f e e d b a c ke q u a l i z e r ( d f e ) a l g o r i t h mi si n t r o d u c e d ，w h i c hi sb a s e do i lt h et r a i n i n gs e q u e n c e s 功ea l g o r i t h mi s g i v e n 1 1 l i s p a p e r u s et h et o o lb a go fs i m u l i n ks t r u c t u r e s a f r e q u e n c y - h o p p i n g e o m m u n i e a t i o i l ss y s t e mi nm a t i ，a b ，a n dt h ec h a o ss e q u e n c es u b s t i t u t e st h ep s e u d o - r a n d o m s e q u e n c eo f t h eu l t r a - s h o r tw a v ef r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o nt oc a r r yo u tt h ei n - d e p t h p r i v a c yc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n d i da n a l y z e di t sf e a s i b i l i t y 1 1 圮r e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h e c h a o sp r o d u c e ro fs e r i e ss t r u c t u r ep r o d u c e st h ec h a o ss p r e a ds p e c t r u ms e q u e n c ew h i c hh a s t h eg o o da u t o c o r r e l a t i o na n dt h em u t u a lc o r r e l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，m o r e o v e ri tc o n s t r u c t s t h ef r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e mt or e a l i z ee a s i l ya n dt h es e c u r i t yp e r f o r m a n c e i so u t s t a n d i n g k e yw o r d ：u r r a - s h o r t w a v e p r i v a c yc o m m u n i c a t i o n f i - ic o m m u n i c a t i o n f i ts e q u e n c ec h a o t i cs e q u e n c e c h a n n e le q u a l i z e r n 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，超短波无线通信保密 技术研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：超遗! 耸驾年j 月皿日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：j 逸盖j 奄l 4 年上月丝白 指导导师签名：年三月匣日 第一章绪论 1 1 超短波保密通信的目的和意义 超短波通信的主要特点是地面吸收较大、电离层不能反射，只能靠直线方式传输， 也称为视距通信，传输距离约5 0 k i n ，远距离传输时需经过中继站分段传输，称为接力 通信。超短波通信的工作频带较宽，可以传送3 0 路以下的话路或者数据信号。在众多 的业务类别中，应急通信领域一直是超短波通信最重要的应用范围【l 】。 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的要求 也越来越高。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。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、直扩偈b 频罔b 时混合技术五种基本 类型 2 1 。跳频作为无线通信中重要的抗干扰技术，_ 直在军事短波超短波电台中广泛应 用。把混沌序列用于跳频通信中跳频图案的构成上，从而使混沌与跳频很好地结合， 产生出保密性很强的军事通信系统，对今后的应用具有重要的现实意义。 1 2 超短波通信的发展现状 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。 超短波通信是在飞机和地面通信战、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1 3 - 4 1 。 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、碎发通信、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 r a n 公司、英国的 憾a l t a c t i c o m 公司和m 刖5 o m 公司、法国的1 r i o m s o n 公司、和南非g 啪l 公司的产品已位于国际先进技术水平的前列 5 1 。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。目前己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“多合一 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、d d s 频率合成器、音频数字化处理技术、宽温度控n 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q 丁t 6 1 。 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。 1 3 跳频通信的发展现状 跳频通信是实现扩频通信的一种方式，它有着扩频通信的优点，又具有自己的特 点，所以跳频通信从一开始就在军事通信上获得了广泛地应用。 跳频通信的发展历程可以概括为：4 0 年代末理论先导，6 0 年代末研制攻关，7 0 年 代末产品闯世，8 0 年代逐步推广，9 0 年代广泛应用，2 l 世纪飞速发展。虽然，跳频通 信是由于电子对抗而首先应用于军事领域的。但是，它在民用通信的应用也越来越受 到人们的密切关注p j 。 跳频通信自问世以来之所以如此发展迅速，这主要得益于跳频通信本身所具备的 突出优点，这些优点符合现代信息战条件下电子对抗的要求。海湾战争表明，跳频电 台在通信中发挥了突出的作用。目前，跳频系统的跳速维持在如下水平t 短波电台一 一1 0 0 跳j 眇，超短波电台5 0 0 跳秒，每秒千跳以上的跳频电台也已问世嗍。到了2 1 世纪，跳频电台的跳速可以发展到每秒几万跳，甚至每秒百万跳。并且，今后跳频系 统的同步时间将越来越短，因为同步建立时间越短，信息被敌方发现、截获和测向的 概率就越低，通信的隐蔽性也就越好。 当然，跳频干扰与反干扰是一对矛盾，它们相互制约，但又相互促进发展。 跳频通信不惧怕单频干扰和多频干扰，但跟踪式干扰是跳频通信的“天敌。当 本方截获到敌方的跳频图案的矢量迭加，必然带来接收方的一片盲然，致使敌方无法 2 达成正常的跳频通信。为了对付跟踪式干扰，人们总希望尽可能缩短跳频信号的驻留 时间，使侦察机无机可乘，这要求跳频系统的跳速尽可能地快。 另外，跳频系统的技术发展又受到元器件、编解码技术等因素的制约。目前，跳 频速率尚未达到每秒5 0 0 0 跳。若达到这个水平，则目前的跟踪式干扰机便无能为力了【9 】。 为此，跳频通信将向以下两个方面发展：一是跳频与直接序列扩频混合使用的方式， 另一个是跳频与直接序列扩频、跳时混合使用方式。 数字蜂窝移动通信、个人通信、室内无线通信等新兴通信方式，要求解决频带拥 挤问题，由于跳频通信的频谱利用率较高，因此，人们自然就考虑到采用跳频通信方 式来解决这个问题。采用新的通信技术不仅出干占有国内市场的考虑，也是为了争取 国外市场。在移动通信领域，扩容乃当务之急，跳频和扩频码分多址技术的潜力无比 强大。据专家估算，采用跳频或扩频码分多址技术后，目前的容量可以提高2 0 倍，这 是一个十分惊人的数字。为此，许多专家学者纷纷倡导采用跳频和扩频码分多址技术 来解决扩容问题。 在有线通信领域，考虑到一方面扩建需要巨大的投资，另一方面，无线个人通信 又可以作为有线通信网的应急手段，因此跳频也是一条值得通信系统建设考虑的途径。 在一些要求信息保密的部门或场所，如公安部门、安全部门、政法部门、证券市场等， 采用跳频通信作为其内部通信，可以起到保密信息的作用，原因是跳频通信被截获的 概率很低。 无论在军用通信领域还是在民用通信领域，跳频通信都有着广泛的发展前景，各 国都重视这方面的研究。从国内外公开的资料来看，跳频通信有着往以下几个方向发 展的趋势【1 0 】：( 1 ) 有着往跳速越来越高的方向发展的趋势；( 2 ) 有着往优化跳频序列的方 向发展；( 3 ) 有着往全数字化实现的方向发展的趋势；( 4 ) 有着往自适应跳频通信方向发 展的趋势。 1 4 本文研究的内容 第一章，绪论，综合介绍国内外超短波跳频通信的最新发展概况及其在通信领域 中的应用。 第二章，跳频通信的理论，本章综合已有的研究成果介绍了跳频通信的模型和特 点，对通信过程中的关键技术进行了分析。 第三章，对超短波跳频下的信道均衡技术进行了分析。对五种信道进行了理论的 分析，并介绍了一种利用训练序列的r l s d f e 快速信道估计算法，在这种算法的基础 上对其进行验证仿真。 第四章，分析了几种基于超短波的跳频序列，进而我们采用混合映射的方法，利 用两个映射进行混沌序列的产生，并分析了其性能，讨论了其在跳频通信中的应用， 3 经过分析，该混沌序列很好的适应跳频通信系统。并把m 序列、g o l d 码和混沌跳频序列 同时应用于跳频通信系统，并对由不同序列产生的误码率曲线图进行分析、比较。 第五章，超短波保密通信系统的仿真，创建了一个超短波跳频系统，并用m a t l a b 进行仿真，并分析仿真结果。 1 5 小结 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。在民用中，超短波通信更是在应急通信中起着重要的作用。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广泛应用。在通信领域里， 基于混沌的保密通信已成为人们的研究热点。把混沌序列用于跳频通信中跳频图案的 构成上，从而使混沌与跳频很好地结合，产生出保密性很强的通信系统，对今后的应 用具有重要的现实意义。 4 第二章超短波跳频通信系统 由于跳频通信不惧怕干扰，保密性高等特点，经常利用跳频通信来提高通信系统 的安全性。超短波系统同样是一个很适合利用跳频方式进行通信的一种通信系统。 2 1 跳频通信系统模型 跳频通信是频率跳变扩展频谱通信的简称，它是用二进制伪随机码序列去离散地 控制射频载波振荡器的输出频率，使发射信号的频率随伪随机码的变化而跳变【l l 】。跳 频通信系统的原理方框图如图2 1 所示。 图2 1 跳频通信系统的原理 跳频通信系统主要是由伪随机码产生器和频率合成器两部分组成。快速响应的频 率合成器是跳频通信系统的关键部件。跳频通信系统发射机的发射频率，在一个预定 的频率集内由伪随机码序列控制频率合成器( 伪) 随机地由一个跳到另一个。收信机中的 频率合成器也按照相同的顺序跳变，产生一个和发射频率只差一个中频的本振频率， 经混频后得到一个频率固定的中频信号，这一中频信号经放大后送到解调器解调，恢 复出传输的信息。 跳频通信系统可简化成图2 2 的跳频系统数学模型来分析1 7 1 。m ( t ) 是信息数据信号。 载波c o s 妇，+ 尹，) 彩，和纺是j r , s ， 0 + 0 r , 时间间隔的频率和位相，随可变频率合 成器输出的改变而改变，受跳频序列控制，是时间t 的函数，为每跳驻留时间。跳 5 c o s ( i t + 巾j ) c o s ( i ，j t + 由j ) 图2 2 跳频通信系统的数学模型 频系统的发射信号可写为 s o ) = 册o ) c o s q o ，+ 纺) ( 2 1 ) 那么，跳频系统接收机接收的信号 u 1 5 f ) = 镌1 5 f ) s ，+ ) + ，) + 嚣d ( 2 2 ) f 1 1 式中，k 是在同一宽带信道中，同时发射信号的跳频发射机数，又称同时多用户数。 和吻是第i 个发射机在j t ， ( ，+ 1 边时间间隔发射信号的频率和初相。，o ) 是 外部干扰，? ( ，) 是高斯白噪声。接收机要接收第1 个发射机发送来的信息信号铂o ) ，使 用本地载波2 c o s ，+ 叽) 去解调。解调输出为 矿( f ) = m 。( f ) c 如：，f + 9 ：，) 2c o s 白；i t + 伊：j ) + 差槐，) s 白群f + 伊妒) 2c o s 白i ，+ 9 ；，) 2 3 ) + - ，1 6 f ) 2c o sg ：，+ 9i ，) + 刀( f ) 2c a 3 5g ；j f + 尹；，) 如果在疋s ， ( ，+ 1 沈时间间隔，接收机本地载波叫，与第1 发射机发送来的频率 鳓，正好满足 国i ，- - ( 0 1 3 = 国 ( 接收机中频) 那式( 2 3 ) 的第一项变成 彤) = m , ( t ) c o s ( a c o t + a q ) ) 式中，a m = q ，一彩0 该信号经过混频器后的中频滤波器( 中心频率a m ， 发送来的信息信号啊) 。解调输出式( 2 3 ) 的第二项 吼( f ) ：圭m ，( f ) c o s 晒耵一吒) f + 瓴一蟛) ) ，1 2 式中，哆= 一 厶9 t = 9 4 一畎j 6 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 带宽b ) ，可获得第1 发射机 ( 2 6 ) 只要在歹r u + 1 边时间间隔，有 a ( a = 一科，a a ) f = 2 ，3 ，毒 ( 2 7 ) 即除第1 发射机外，其它( k - 1 ) 个发射机在儿sr ( ，+ 1 迕时间间隔使用的载频， 都不会同接收机本地载波频率正好相差为中频缈。这样，职( f ) 信号在中频滤波器的 通带之外，会被滤波器滤掉，对o ) 的接受不会造成影响。 外部干扰信号j ( 0 ，在歹疋， ； ( 3 ) 序列具有双值自相关函数，即 f l当f o 足g ) = 一上当1 f p 1 ( 2 9 ) 【p 式中：p 为二元序列周期，又称码长；k 为小于p 的整数；t 为码元延时。作为跳频 用的伪随机码有多种，如m 序列、g o l d 码、m 序列及r s 码等，这几种码的主要性能比 较列于表2 - l 。 3 表2 1 几种跳频码序列的性能比较 泌 m 序列 g o l d 序列m 序列 ( q - 1 ，2 ) r s 码 互相关性能差较好差好 自相关性能好较好 好 好 码的数目 妒( 2 ”一1 ) i n 2 ”+ l 2 一一) q 电路简单较简单较简单较简单 其中，m 序列是由带有线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的序列。m 序列作为 跳频码使用时，跳频增益可以达到最大，具有良好的自相关性能，自相关旁瓣为零， 产生电路比较简单，易于实现。但它同一周期长度的不同m 序列数目比较少，这就限制 了多址通信网中的用户数目。 g o l d 码是两个m 序列优选对通过模2 加组合而产生的码。g o l d 码的码长为组成 它的m 序列的长度，自相关性能和互相关性能也与组成它的两个m 序列的互相关性能一 样，而且g o l d 码的可用码组数目比同样长度m 序列的数目多得多。 m 序列是一种由非线性反馈移位寄存器所产生的周期最长的序列( p = 2 n ) ，它是 一种非线性序列，抗破译性能比线性序列性能好，具有良好的伪随机特性，同周期的 不同m 序列的数目非常多。m 序列是一种非重复序列，自相关性能好，但它得互相关性 能很差，通常不用它来进行多址组网。 r s 码作为跳频序列族，具有优良的互相关性能及自相关性能，并且具有较多的序 列数目。其中( q 1 ，2 ) r s 码性能最好：序列数目为q ，汉明自相关旁瓣为0 ，汉明互 相关值不大于l ，并且是非重复序列族。 2 跳频图案 用来控制载波频率跳变的地址码序列通常称为跳频序列。在跳频序列控制下，载 波频率跳变的规律称为跳频图案【1 4 1 。 在设计跳频图案时，通常应考虑下述几个要求： ( 1 ) 每一个跳频图案都可以使用频隙集合中的所以频隙，以实现最大的处理增益； ( 2 ) 跳频图案集合中的任意两个跳频图案，在所有相对时延下发生频隙重合的次 数尽可能少； ( 3 ) 跳频图案集合中的任意两个跳频图案，与其平移图案的频隙重合次数尽可能 少； ( 4 ) 为了有更多的跳频图案以提供用户使用，实现多址通信，要求跳频图案集合 中的序列数目尽可能多； ( 5 ) 在某些工程应用中，要求跳频图案能控制实现宽间隔跳频，即要求在相邻的 9 跳频时隙里发射的两个载波的频率间隔大于某个规定的值； ( 6 ) 为了使跳频系统具有良好的抗干扰性能，应使各频隙在一个图案周期中的出 现次数基本相同，这称为均匀性； ( 7 ) 跳频图案应具有较好的随机性和较大的线性复杂度，以使敌人不能利用以前 传输的频率信息来预测当前和以后的频率； ( 8 ) 跳频图案的产生电路比较简单。 2 3 2 频率合成器 跳频通信系统的可变频率合成器是系统的核心部分，跳变频率的总和与跳频速率 决定了系统的抗干扰能力。从原理上说，跳频通信系统的可变频率合成器与普通的频 率合成器没什么不同，但有两个特点【1 5 】。一是受跳频序列控制，跳频数增加则扩展的 频率越宽，系统的处理增益就越大；二是能足够快的跳变频率，使系统能够很快的从 一个频率跳到另一个频率，躲避来自外部的转发性干扰。 跳频系统对频率合成器的要求比较苛刻，即要求频率合成器输出频谱纯，可供选 用的频率数n 足够大，频率转换时间短( 跳变快) ，频率锁定时间小，跳频图案( 即指 令) 转换速度快等。跳频用频率合成器有直接式( 只用混频、分频、倍频合成) 和简 接式( 用锁相环) 两种。 2 3 。3 同步技术 对跳频系统来说，同步就是收、发两端的频率必须具有相同的变化规律，即每次 跳变频率上有确切严格的对应关系。具体而言，要求做到以下两点：一是使表示接收 机的跳频图案与发射机跳频图案相一致，这样才能通过混频器( 相乘) 来完成解跳。 二是提取接收信号的载波频率，用它对接收信号作相关检测，解调信息。同步建立过 程包括捕获，粗同步，细同步1 1 6 】。 1 跳频系统对同步的要求 同步系统设计的好坏不仅关系到系统性能的优劣，而且直接涉及到系统是否能够 正常工作，是否能够发挥跳频系统应有的作用，因此对同步有以下一些要求：同步建 立的时间要快；同步系统自身要有较强的抗干扰能力；同步信号要有较强的隐蔽性和 抗侦察假冒能力；同步能够满足系统的组网要求，再同步能力要求。 2 同步技术的基本方法 跳频同步是指收发双方的跳频码速率和跳频图案的同步，建立收发同步之前，收 端要获得有关发端的跳频码速率和跳频图案等信息，即同步信息，根据同步信息传递 及获取方式的不同，一般有以下几种基本方法。 ( 1 ) 独立信道法：利用一个专门的信道来传送同步信号。这个信道与传送信息码 的信道分别占用不同的频率。用这种方法可以将跳速大大提高，但由于需占用专门的 频道，该方法对提高f h 系统的抗干扰能力来说是不合算的1 1 7 】。 ( 2 ) 插入特殊码字同步法：用一组特殊的码字来代表同步信息，然后把这组码字 周期性地插入编码数字信息序列里。收方根据同步码字的特点进行识别，以获得同步 信息。所使用的同步码字要求结构独特，便于识别。该方法对干扰的抑制力不强，比较 适用于直扩系统。 ( 3 ) 同步字头法：在建立通信前先传送携有同步信息的数据帧，利用收到的同步 信息来实现同步。当地址码周期很长，采用其它方法会使同步时间过长时，此方法为 一种较好的解决办法。用这种方法可以实现高跳速，但和独立信道法一样，其传送同 步头信息的信号具有一定的规律性，很容易被干扰。 ( 4 ) 参考时钟法( t o d ) ：即通过某种算法向所有网络分配一个公共时基( t o d ) ， 该时基对用户透明，任何一个新的电台不需准备和申请就能入网。如果公共时基精度 和稳定度足够高，用这种方法可以将跳速提高，同步时间缩短。 ( 5 ) 步进串序搜索法：利用p n 码的自相关性，使本地p n 码的相位不断移动，当 相关器输出最大时，即认为两序列的相位一致，粗捕获成功。这种方法简单可靠易实现， 但其捕获时间会随码序列长度的增加而增加，在周期长、相位差大时，初始同步过程 会过长。 ( 6 ) 自同步法：通常要求跳频序列为非重复的，这样，当接收机捕捉到某一频隙 时，立即可得知发送机当时得状态并能同步地跳变到后一频隙。因此，跳频序列的周 期受到限制，最长不得超过频隙集合中的频隙数目，这是使用自同步法的不足之处。 ( 7 ) 匹配滤波器法：用l 个匹配滤波器来接收跳频信号，只要接收到的跳频信号频 率跳入到这l 个滤波器中的任何一个之中，跳频信号便被捕获，进而实现同步。该方法具 有实时、快速捕获的性能。 2 4 小结 跳频通信具有其它的通信方式所不具有的诸多优点，而被认为是现代通信中最有 前途的通信方式之一。它具有干扰性强、隐蔽性好、能够实现码分多址等特点，而倍 受人们的青睐，非常适用于超短波无线通信系统。 3 1 信道分析 第三章超短波跳频下的信道均衡技术研究 超短波通信是一种无线通信方式，而无线信道的特性很大程度上影响了信道均衡 方式的选择。因此本章从无线信道的分析开始，了解畸变信道的本质并分类。针对导 致无线信道多径性的小尺度衰落展开讨论，最后介绍一种适合于超短波通信系统的无 线移动信道模型。 3 1 1 理想信道 理想的传输信道通常是指合成频率响应h ( o 符合n y q u i s t 第一准则( 即采样点无失真 准则) 的信道。其等效滤波器为： 日( 厂+ 矾)满足叱= c o n s t i 正2 ( 3 1 ) 该滤波器在n y q u i s t 频率点z 2 以内是一个恒定的实响应，而在n y q u i s t 频率点以外 可以是任意值，这里入是系统传输符号率，或称波特率。响应的时域冲击响应h ( t ) 满足 厅o ) i ，：疗r = 五( 玎r ) = 詈，坫f ：i ? c 3 2 ) 除了在0 时刻( 峰值时刻) 的采样为某个恒定值以外，其他整数倍码元周期时刻的样 值都为零，其中t = 1 z 为码元周期。这样的信道称为无码间干扰信道( i s if r e e c h a n n e l ) 。 在实际限带传输系统中最常用和最典型的信道频率响应是升余弦滚降滤波器 ( r a i s e dc o s m ef i l t e r ，) 它是发送端频谱成型滤波器( f ) 和接收端成型滤波器( ，) 二者 频谱特性的结合。其频域和时域表达式如下： 日( 厂) = 舢证( 手半) 丁 0 掣z 掣z 小掣工 ( 3 3 ) 咖掣五 = 筹产器 4 ) 当滚降系数口为0 2 5 时，其频率响应如图3 1 。从频率响应中可以看到，在z 2 处 1 2 t i 洚- j 3 d b ，开始下降的位置在0 5 工- 0 5 * 0 2 5 f , = 0 3 7 5 f ， 。 亘 薹 3 1 2 畸变信道 图3 1 升余弦滚降滤波器频域响应 首先在朋( ，国) 是理想线性相移情况下，幅频特性1 日( ，缈) l 上下波动的情况： 1 h o 4 - - i + a 黜0 s 吸 ( 3 5 ) l 凹o 西= 彩f u 。 其中，l 代表理想平坦幅频响应的归一化幅度，口表示对理想幅度归一化的幅频 波动的摆幅，瓦表示幅频波动的快慢( 非周期内的波动可以分解为多个周期波动) ；f 表 示信道的固定群时延，b w 表示信道带宽。此时的信道响应如图3 2 ( a ) 所示 1 日( 归) l 召驴 t 1 日删 ( a )( b ) 图3 2 畸变信道幅频特性及时域效果 ( a ) 畸变信道幅频特性示意图；( b ) 信道幅度畸变产生的时域效果图 在单个脉冲激励s ( f ) 之下，假定信道在没有幅频波动的理想情况输出为晶o ) ，则 对于图3 2 ( a ) 所示的信道，其输出为式( 3 6 ) ，其中s o o ) = s o f ) 。可见，由于信道的 幅度畸变，导致了一前一后的两个正比于口的寄生脉冲。时域结果如图3 2 c o ) 所示。 这时信道冲激响应不再满足采样点无失真准则，引入了码间干扰( i s i ) 。 ( r ) = 石1 b ( ，彩x 1 + 口c o s 国疋一归7 9 。晰 = 圭p 。o 彩x 归( - f ) 如 脚一b w ( 3 6 ) + 等去匿s 础峨吖+ o 国x 脚吒卅叫 ：& o ) + 等s 。o + 乏) + 了a ( z o 一乙) 类似的，还可以对幅频特性理想，但是相频特性存在周期波动的情况，即 拨d 国) i 一下 (37)luol o , ) = o i t + 矽s i n 国乙 ) 可以得到o o ) 铀o ) 一等j 。( ，+ 乙) + 等g 乃) 麒) ( 3 8 ) 图3 3 信道相位畸变不葸图 即出现了一前一后两个大小相同，符号相反，幅度正比于矽的寄生脉冲。 一般情况下，信道中同时存在幅频和相频波动，并且不一定是正弦型或余弦型， 但可是展开为不同频率的正弦或余弦之和。导致信道的输出将在主波相距n r = 和 刀乙的所有位置上都出现回波，特别当乏或与信元周期成比例时，所造成的码间干 扰将更为严重。 3 1 3 无线信道 超短波通信是一种无线通信方式，在移动通信中，发射机与接收机之间的信号传 播非常复杂，从简单的视距传播到复杂的障碍物，所有因素总和就是传播环境。一般 来说，信号强度的变化受三个因素的影响：路径传播衰落口a t hi 一0 s e ) ，指的是电磁波在 1 4 空间传播中随着传播距离的变化造成的强度变化，对应图3 4 中的直线；大尺度衰落 ( l a r g es c a l ef a d i n g ) ，一般由于地理环境的变化造成多径数量和强度的变化，造成信号 强度较长周期的变化，大尺度衰落使得信号功率会随着传播距离的增加而减小，其符 号速率和传播范围都会受到大尺度衰落的限制；小尺度衰落( s m a l ls c a l ef a d i n g ) ，主要 由多径复杂程度、移动台速度、接收机周围物体的运动速度以及信号带宽来决定。 它们对信号强度的影响如图所示f 4 s l ： 一一一1 一一一一广一一一厂一一一- r 一一一一广一一一 办i 、卜工i 一广一一一r 一一一一广一一一 k i l 一；- 一l l 一辟 一一1 一l 一j l ： iill iii j 一l l 譬灶弩竺一i l _ 二- _ 卜 = 一；- 一一一 一一一1 一一一一广一一一t 一一一1 iili iiil 一一一1 一一一一l 一一一一1 一一一1 iiii fili 一一一1 一一一一广一一一丁一一一 i iii 一一一j 一一一一i 一一一一上一一一j i l o n g - t b r mf a d i n t i - r - = 右飞：压l 1 一一一土一一一j | 一一，- 州i - f i - # 主# 一1 l - 一l j j 一一一二如一 iil iiiliii iiil曲o d - t e r m l f 扣i 她ii ii lf ：一一一一 ni 一一一1 一一一一卜一一一卜一一一叶一一一一卜+ 一一t 二- 一一- 一一一一i - 一一一十一 iliii o liil r 、i iii i i i i ii、 一一一t 一一一一r 一一一卜一一一叶一一一一卜- 一一一t - 一一一1 一一一- i - 一一一一一呻勺 ljiilijjij iii lii i iii 6 0 0l o 1 铷 2 咖2 湖3 0 3 5 4 o4 5 5 0 图3 4 各种因素对信号强度的影响 无线信道中小尺度衰落即无线信号在经过短时间或短距离传播后幅度快速衰落 对移动系统的影响最大。在小尺度衰落存在的情况下，大尺度和路径损耗的影响可以 忽略不计。无线信道中许多物理因素都会影响小尺度衰落，主要包括以下几点f 2 1 j ：多 径传播、收发设备的运动速度、环境物体的运动速度、信号的传输带宽。 3 1 4 小尺度衰落模型 对于移动信道，可以用多径时延扩展和多普勒频移两类参数来描述，它们往往同 时作用于信道中传输的信号，但是在分析的时候分别来讨论，便于分类信号所经历的 衰减类型。 1 基于多径时延扩展 多径时延扩展与相干带宽是用于描述本地信道时间扩散性的两个参数。当信号带 宽小于相干带宽时，信号通过信道传输后各频率分量的变化具有一致性，称为平坦衰 落饵l a tf a d i n g ) 。在平坦衰落下，发送信号的频谱特性在接收机仍能够保持不变，但多 径导致信道增益的起伏，使接收机的强度会随时间变化。 衡量多径程度最主要因素是t m s 时延扩展o r ，它是功率延迟分布的一阶矩： 1 5 加 。 仰 | ； 柏 鼬 蜘 为 加 o m 哪 i ； 砌 埘 呦 哪 仃，= e ( 2 ) 一仁户 ( 3 9 ) 蜥：謦m 夸謦 瓦代表第k 径延时相对于第一径的延时，为第k 径的强度。 j a r m s 时延出发，还可以得到相干带宽皿的大小。所谓相干带宽是两个频率分量基 本相关的频率间隔。在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。假设两个频率 分量频率差为a j ，则其包络相关系数为： p 时) = 百两万1 玎 。) 当信号包络相关系数等于0 5 时所对应的频率间隔被称为相干带宽，表达式为： 曰f = 嘉 ( 3 在得到了延迟扩展和相干带宽后，我们可以作出如下划分，信道属于平坦衰落的 忍 反正 b ct s 瓦忍 互，色 也，因此认为信道冲击响应在符号周期内变化很慢，属慢衰 落。 综上所述，本文中信号在小尺度衰落所经历的衰落类型为频率选择慢衰落。 3 2 2 实现结构及算法 判决反馈均衡在接收中的位置如图3 7 所示： 基 带 输 入 码 一 兀 输 出 图3 7 判决反馈均衡在接收机中的位置例 当接收到训练序列时，均衡器闭环对信道特性进行跟踪，当训练序列阶段结束， 根据前面跟踪的信道特性，对接收到的信号进行均衡器补偿，然后将补偿过的信号送 去判决。基于判决反馈的r l s 算法的实现框图如图3 8 ： 图3 8p l s _ _ d f e 算法实现框刚捌 本文介绍的r l s 算法【2 8 】分初始化和迭代两部分，算法中n 表示滤波器级数，和毛从 k ，分别表示前向系数长度和后向系数长度。算法具体过程如下】： ( 1 ) 初始化 滤波器系数的初值c 卜1 ) = 0 出入相关矩阵逆初值尸( - 1 ) = o r i ，仃是很小的正