（电力电子与电力传动专业论文）跳频同步技术研究与基带帧结构设计.pdf

跳频同步技术研究与基带帧结构设计 a b s t r a c t p o s s e s s i n gt h es t r o n ga b 订i t yo fa n t i j a m m i n g ，a n t i f a d i n g ，a n t i - i n t e r c e p t i o na sw e l l a st h ea p p l i c a t i o no fm u l t i p l ea c c e s s ，f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) c o m m u n i c a t i o nn o to n l y h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o n ，w i t ht h ep u 叩o s eo fe n s u r i n g t h ea r m yt ob u i l df e l i a b l ec o m m u n i c a t i o nu n d e ra d v e r s e e l e c t r o m a g n e t i cs u r r o u n d i n g s ， b u ta l s oh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nc i v i l i a nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n a sak i n do fs p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) c o m m u n i c a t i o nh a sb e e nam a t u r et e c h n o l o g y t h er a d i ob a s e do nf r e q u e n c yh o p p i n g h a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h em i i i t a r yc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r ，t h ec o n v e n t i o n a l f t e q u e n c yh o p p i n gr a d i o sa r ea l ld e s i g n e df b rt h ea n a l o go rd i g i t a ls p e e c ht r a n s m i s s i o n m o d e r nw a r ，w h i c hr e l i e s0 nt h ee l e c t r o n i cw a ra n di n f o m a t i o nw a rm o r ea n dm o r e ， h a sm a k ei tb e c o m e se x i g e n tf o rt h em i l i t a r yc o m m u n i c a t i o nt 0i m p r o v ei t sa b i l i t y0 f a n t i - j a m m i n g a n d c a p a c i t y o f d a t at r a n s m i s s i o n t h ef r e q u e n c yh o p p i n gd a t a c o m m u n i c a t i o ni sa9 0 0 dm e a n st om a t c ht h i sr e q u e s t u n d e ft h i sb a c k g r o u n d ，t h e t h e s i sr e s e a f c h sa n dr e a l i z e s0 n e0 fk e yt e c h n i q u e si e s y n c h r o n i z a t i o nr e l a t e dw i t h t h i sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h es y n c h r o n i z a t i o ni st h em o s ti m p o r t a n tp r o b l e mi nt h ef hc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h et h e s i st r i e st 0s e e kt h em o s ta p p r o p r i a t es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ef o rf h d a t ac o m m u n i c a t i o nt h r o u g hc o m p a r i n ga n d0 p t i m i z i n gt h et r a d i t i o n a ls y n c h r o n i z a t i o n m e a n se m p l o y e d b y f hs p e e c hc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t h e nak i n d0 ff h s y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e ，i e s y n c h r o n i z a t i o nw o r d s ，i sp r o p o s e dw h i c hh a sas e r i e so f u n i q u em e r i t ss u c ha ss u p p o n i n gh i g hh o p p i n gs p e e da n d0 u t p e d 0 r m s0 v e ra n y0 ft h e t r a d i t i o n a lf h s y n c h r o n i z a t i o n s c h e m e s t b d e s i g n r e a s o n a b l ea n df e a s i b l e s y n c h r o n i z a t i o np l a n ，t h e t h e s i si n t r o d u c e sf t a m es t r u c t u r ea n dt i m e s c h e d u l i n g a c c o r d i n gt os y s l e md e m a n d sa n da n a l y z e st h ec o u r s e0 fb a s e b a n dd a t af l o w t h e ni t d e s i g n sa n dc o m p l e t e sm o d u l eo fb a s e b a n ds i g n a lp r o c e s s i n ga n dc o n t r o lc i r c u i tf b rf h c o m m u n i c a t i o ns y s t e m t h r o u g ht h ec a p a b i l i t ya n a l y s i sa n dm e a s u r e m e n t so nm o d u l ea n dc i r c u i t ，t h e s y n c h r o n i z a t i o np r o j e c tc a nr e a c ht h es c h e d u l e dt a r g e t s t h er e s u l t so fs i m u l a t i o np r o v e t h ev a l i d i t y0 ft h ed e s i g n i ti sa l s os i g n i f i c a n tt op r a c t i c e k e yw o r d s ： f r e q u e n c yh o p p i n g ( f h ) ； f hs y n c h r o n i z a t i o n ；b a s e b a n d ；f p g a u 硕十学位论文 插图索引 图2 1 通信与干扰链路的功率传输模型5 图2 2 扩频通信系统的数学模型一8 图2 3 扩频通信系统的原理示意图9 图2 4 跳频通信系统原理示意图1 1 图2 5 理想的软件无线电的结构图1 4 图2 6 软件无线电的中频数字化结构图1 5 图2 7 跳频信号的有效传输时隙及保护时隙1 6 图2 8 跳频信号在时频图上的特征1 6 图2 9 跳频系统串行捕获原理图。1 9 图2 1 0 跳频系统并行捕获原理图：2 0 图2 1 1 跳频系统并串捕获原理图2 1 图2 1 2 延迟锁相环原理图2 1 图3 1 跳频图案产生的原理框图2 4 图3 2 跳频发状态转移图2 6 图3 3 跳频收状态转移图2 6 图3 4 同步信息a 组信息结构2 7 图3 5 同步信息b 组信息结构2 7 图3 6 勤务跳同步信息结构2 8 图3 7 基带数据处理过程3 1 图3 8 数据跳帧格式3 2 图4 1f p g a c p l d 设计流程图3 6 图4 2 基带发射数据流图3 8 图4 3 基带接收数据流图3 8 图4 4 基带处理和跳频控制模块与主控模块逻辑连接图，3 9 图4 5 发射通路主电路4 0 跳频同步技术研究j 摹带i 帧结构设计 图4 6l m p 生成双口r a m 模块界面4 0 图4 7 接收通路主电路4 1 图4 8r s 编码通路原理框图4 2 图4 9i p t o o l b e n c h 界面4 2 图4 1 0r s 编码参数设置界面4 3 图4 1 1r s 编码模块4 3 图4 1 2r s 解码通路原理框图4 3 图4 1 3r s 解码模块4 4 图4 1 4f p g a 与d s p 数据流发射通路主电路4 5 图4 1 5f p g a 与d s p 数据流接收通路主电路一4 5 图4 1 6 调制数据成型模块4 6 图4 1 7 帧检测模块原理框图4 7 图4 1 8 帧检测模块与解交织模块数据流主电路4 7 图4 1 9 系统时钟模块4 8 图4 2 0l m p 生成d p l l 模块界面一4 9 图4 2 1 通信周期、跳频时钟、系统时钟关系图5 0 图4 2 2 跳频比特计数状态机状态转换图5 0 图4 2 3 跳频起始5 1 图4 2 4 跳频状态顺序转换5 l 图4 2 5 单数据发送同步建立后接收端数据5 2 图4 2 6 连续数据发送同步建立后接收端数据5 3 l v 硕十学何论文 附表索引 表3 1 初始同步概率计算。3 0 表4 1s t r a t i xi i 器件指标：一3 5 表4 2 系统时钟关系：4 8 v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 曼| j 9 量 日期：如户6 月m 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 多胴易 新虢砌了 日期：年石月，夕日 日期：弦罗年 6 月 ，珍日 ， 硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着国民经济和科学技术的不断发展，无线通信已被广泛地应用在国民经济 的各个领域和人们的日常生活中，特别是公用移动通信的迅速发展，使各种无线 通信设备的数量急剧上升。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。现代战争中，指挥通信、军事通信、兵器控制都日益依赖于电子设备， 特别是无线电设备的支持。各种电子设备的使用，使得有限的频率资源使用变得 更加拥挤，互相之间的干扰更为严重，如何防止和降低这种相互之间的干扰成为 一大难题。 为了提高通信系统信息传输的可靠性，对抗各种形式的干扰，人们采用了各 种通信抗干扰技术，保护通信系统在干扰环境下能准确、实时、不间断地传输信 息。 扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) 通信系统是建立在香农信息论基础之上的一种新 型通信体制，它是将基带信号( 即信息) 的频谱扩展至很宽的频带上，然后再进 行传输，即将待传送的信息数据用伪随机编码( 扩频序列，s p r e a d i n gs e q u e n c e s ) 调制，实现频谱扩展后再传输，接收端则采用同样的编码进行解调及相关处理， 恢复原始信息数据。 由于具有伪随机编码调制和信号相关处理的特点，使得扩频通信系统具有很 强的抗干扰性能，其多址能力、保密、抗多径等功能也倍受人们的关注，被广泛 地应用于军事通信和民用通信中。 1 2 跳频通信技术的现状及发展趋势 现代战争是以电子战和信息战为主要特征的，跳频通信以其抗干扰、抗衰落、 抗截获能力强，兼有多址组网应用等诸多优点，在军事通信领域中得到了广泛应 用。西方各国早在2 0 世纪5 0 年代就开始进行了一系列的抗干扰通信体制和抗干扰 技术的理论研究。自7 0 年代第一台跳频电台问世以来，其发展势头锐不可挡。美 军于8 0 年代研制了联合战术信息分发系统( j t i d s ) ，以取代一直使用的低速战术 无线数传网，适应以信息战、电子战为特征的现代化战争的需要。目前，j t i d s 系 统电台正成为海军和海军陆战队自动化控制系统、海军战术数据系统( n t d s ) 、机 载战术数据系统( a t d s ) 、舰船战术数据系统( m t d s ) 主要的数据传输设备。j t i d s 系 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 统在海湾战争中保证了信息的畅通和共享，对联合作战的胜利发挥了巨大的作用。 我国目前对跳频通信研究的重点仍放在模拟话或数字话的传输上。在战术数据传 输电台的研制方面，我国与国外的水平还存在较大的差距。在上述背景条件下， 本课题将跳频技术与数据传输技术结合起来，研究了基于跳频技术的数据通信系 统的跳频同步技术及基带帧结构，以实现在现代电子战的恶劣电磁环境中进行数 据的可靠通信( 误码性能优于1 0 喝) 。 跳频通信技术主要是针对跳频干扰技术的发展而发展的。高速跳频频率合成 技术是最主要的，也是发展最快的一项技术。此外，在跳频同步、跳频电台互通、 系统综合以及自适应技术的应用等方面，均有较快的发展。总的趋势是向提高电 子战能力的方向发展。跳频通信技术的发展趋势主要体现在下面几个方面： ( 1 ) 高速跳频频率合成技术 原有中、低速跳频的频率合成器均以锁相技术为主，这种合成器的特点是相 位噪声较低、杂散电平少而低，但是其频率转换时间受信道间隔等影响有一定限 制。现在，数字式合成器( d d s ) 换频时的相位是连续的，换频时间己达纳秒级， 已成为高速跳频频合器发展的一个重要方向。 ( 2 ) 跳频同步技术 在实际的跳频系统中，常常根据需要采用不同的同步方法进行组合乜3 。例如， 自同步法的同步信息隐蔽，但是同步建立时间长；而同步字头法可以快速建立同 步，但是同步信息不够隐蔽。可以将这两种方法进行组合，得到一个综合最佳的 同步系统。另如，可将t o d 信息与自同步法组合，而战术跳频系统中常用的扫描 驻留同步法就综合使用了精确时钟法、同步字头法、自同步法三种同步方法。 通信自适应技术也给我们带来这样的启发：如果系统能够具有一定的智能，可 以自适应地利用干扰的间隙，采用一些简单的同步方法快速地建立起同步，当干 扰来临时，由于跳频系统己经开始正常地工作，抗干扰性能得以正常地发挥，那 么系统就可以既不牺牲系统的抗干扰性能，又能快速地建立起同步了。 ( 3 ) 全数字化实现 现代化战争对通信电台的要求日益提高，新技术的更新周期不断缩短，使得 跳频电台呈现出朝全数字化方向发展的趋势，而目前软件无线电技术的应用和功 能强大的现场可编程门阵列及数字信号处理芯片的出现为全数字化实现提供了基 础。 ( 4 ) 跳频电台的互联、互通、互操作 国外已经试验了一种可以将各种跳频电台互通的接口电路，以实现互通。 ( 5 ) 自适应技术的应用 在v h f 和u h f 频段，都有一些自适应调零天线开发出来。在f h d s 中，自适 应干扰抑制技术将能对直扩信号中的干扰信号抑制1 0 d b 甚至更多。 2 硕十学位论文 在短波跳频中自适应选频技术应用的比较普遍。 除此以外，自适应功率控制、自适应均衡、自适应最佳信号选择等技术也都 在应用o 。 ( 6 ) 综合化抗干扰技术 抗干扰电台除利用跳频、直扩等技术进行抗干扰外，自适应技术也具有很好 的抗干扰能力，此外，差错控制编码技术、跳、扩码的加密技术，也都在不同程 度上增加了电台的抗干扰能力。 1 3 课题研究意义 在跳频系统的接收机中，同步一直是一个主要和关键的问题。跳频系统的同 步主要包括两部分一捕获和跟踪。当前针对跳频系统捕获和跟踪技术的方法有很 多种，不同的方法有各自的优点和缺点，找到一种具有较好的实时性、较高的精 确度和较低的复杂度的同步方法对整个跳频通信系统的设计和实现是非常重要 的。本文对跳频同步展开了较为详尽的讨论，通过对目前实用的战术跳频电台所 采用的同步头方案进行系统地分析和比较，在此基础上，综合设计了套适合本 课题的同步头捕获方案，该方案具有一系列传统的跳频同步方案不具备的优点( 支 持高跳变速率、初始同步时间和迟后入网同步时间较短、同步保持时间长且不受 传统的跳频通信干扰机的干扰等) ，同时考虑了迟后入网同步和勤务同步等同步进 程的设计，并对该方案的同步性能进行了理论分析。为了实现该同步方案，本文 根据实际的需求，首先对跳频帧结构和跳频时序方面进行具体分析，其次设计了 基带部分数据处理流程，然后在f p g a 中设计并实现了基带处理、同步头检测和跳 频控制电路模块。最后通过分析相关电路模块的仿真和功能测试结果，验证了该 同步方案能够满足需求，性能达到了预期的设计目标，实验证明该跳频同步设计 简易可行，具有一定的应用价值和参考价值。 1 4 本文的主要内容与结构 本文的主要内容是在软件无线电的平台上对抗干扰超短波无线电台的跳频同 步技术进行了研究，在此基础上结合系统实际需要进行了基带处理及跳频控制部 分设计，最后在s t r a t i xi i 芯片上实现了该设计。 论文的结构如下： 第一章绪论简要介绍了课题的研究现状和意义，并提出了本文的研究内容。 第二章详细介绍了通信抗干扰技术、扩频通信技术和软件无线电技术，是本 论文的理论基础。重点介绍了扩频通信技术的理论基础、跳频系统的特点以及跳 频序列和跳频图案的选取和产生方法，同时阐述了跳频同步的原理及几种同步方 法。 3 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 第三章是本文的重点部分，分析了系统需求阐述了本电台的跳频同步方案， 确定了基带帧结构，为硬件和软件设计奠定了基础。 第四章也是本文的重点部分，详细介绍了基带和跳频控制模块的硬件电路设 计和f p g a 的软件模块设计，并用a l t e r a 的综合开发平台q u a r t u si i 软件实现了该 设计，利用m o d e ls i m 仿真工具对一些模块进行了仿真验证。同时介绍了调试过程， 给出了实际的测试结果，并对调试中遇到的问题进行了总结。 结论部分对论文及所作的工作进行了总结，分析了设计的优缺点，提出了改 进意见。 4 硕十学位论文 2 1 通信对抗 第2 章课题相关的理论基础 在无线电通信过程中，通信系统内的发射机向空间辐射载有信息的无线电信 号，通信对象的接收机从复杂的电磁环境中检测出这些有用信号。这种开放式的 发射和接收通信信号的方式，使得无线电信号易被敌人截获、测向和干扰。 消弱或破坏敌方无线电通信系统的使用效能和保护己方无线电通信系统发挥 正常效能而采取的措施和行动，称为无线电通信对抗，简称通信对抗1 。 通信对抗是电子对抗的重要组成部分，其实质是敌对双方在通信领域内为争 夺无线电频谱控制权而展开的电波斗争。通信对抗主要包括侦察、干扰和电子防 御。无线电通信侦察是使用侦察设备搜索、截获敌方无线电通信信号，对信号进 行测量、分析、识别、测向和定位，以获取信号频率、电平、调制样式等技术参 数以及电台位置、通信方式、通信网结构和属性等情报。无线电通信干扰是使用 无线电通信干扰设备发射干扰信号，破坏和扰乱敌方的无线电通信，是通信对抗 中的进攻手段。无线电通信电子防御是采用反侦察、反干扰措施，保障己方无线 电通信系统的正常工作。由于无线电通信保密技术的改善，想从敌方通信信号中 及时获取军事情报已变得十分困难，因此，通信干扰成为通信对抗的重要手段瞄6 1 。 一种有效的抗干扰措施是采用扩展频谱通信技术。 通信与干扰链路功率传输模型如图2 1 所示。可以根据此模型建立通信干扰 方程如下m ： 六丫一却爰 | 印，眵，一唧霉 丛天丫 k l 八 图2 1 通信与干扰链路的功率传输模型 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 乏= 击 ， 式中：只，只分别为干扰和有用信号的输入功率，昂，分别为干扰和有用 信号的发射功率，g 玎，嚷分别为干扰和有用信号的发射天线增益，g 彤，g 船分别 为干扰和有用信号的接收天线增益，厶，三i 分别为干扰和信号的传输路径损耗，三， 为干扰与有用信号的频域重合损耗，厶为干扰与有用信号的时域重合损耗，三。为 极化损耗。 通信抗干扰是采取措施削弱或消除通信干扰对己方通信系统的有害影响，以 保障在干扰环境下己方信息传输的有效性和可靠性，使己方通信设备发挥正常的 效能。一个通信系统能正常工作的条件是： p 2 m j 只f 7 ( 2 2 ) 式中：p ，只，为接收机输入扰信比；m ，为系统的干扰容限，定义为通信系统 尚能工作时，接收机允许输入的最大扰信比，干扰容限反映系统在干扰环境中对 干扰的忍受能耐，其值与干扰的方式和样式、信号的形式和接收方式有关。 从式( 2 2 ) 可知，通过降低接收机输入扰信比和提高系统的干扰容限两个方 面来提高通信系统的抗干扰能力。 由通信干扰方程式( 2 1 ) 可知，通过以下技术可以降低接收机的输入扰信比： ( 1 ) 自适应地调整发射功率。采用自适应功率控制技术来提高系统的抗干扰性 能，它是根据干扰电平的高低自动调整发射机的输出功率，使发射信号功率随干 扰功率变化。这样既可以节省功率，又能压制干扰，同时也可以降低对己方友邻 电台的干扰。 ( 2 ) 提高通信发射天线和接收天线的增益、降低接收天线在干扰方向的增益。 通信收发双方都采用强方向性天线或者自适应天线技术，不仅能有效地增加输入 有用信号的强度，而且能减小干扰信号强度。 ( 3 ) 降低通信信号传输的路径损耗、增大干扰传输的路径损耗。电波传播的路 径损耗与电波频率、传播距离、天线高度、地形、地物、电波的极化方式等很多 因素有关，通过降低通信频率、缩短通信距离、改变通信收发天线的高度等措施 都可以提高通信系统的抗干扰能力。 ( 4 ) 增大干扰和信号的时域、频域和极化重合损耗。在于扰功率一定的情况下， 干扰信号与目标信号在时域、频域和空域的重合度对干扰效果影响很大，对通信 方而言，如果能够采取措施破坏或降低干扰与目标信号的时域、频域和空域的重 合度( 使目标信号与干扰在时域、频域和空域错开) ，能大大减小干扰对系统的影 响，甚至使干扰无效。 系统的干扰容限可以用下式来表示： 6 硕+ 学位论文 矽，= ( 每 一= q 一 三邓+ ( 每 m i 。 c 2 3 ， 式中：g ，为系统的信号处理增益，k 为信号处理过程中的损耗，圪f 。为达 到系统要求的传输误码率，解调器输入端所需的最小信噪比( 即门限信噪比) 。因 而，可以通过提高g ，、降低厶m 和巴。来提高系统的抗干扰容限，从而达到提高 系统的抗干扰能力的目的。 当前提高系统的信号处理增益g 。的主要技术有扩频技术和干扰抑制技术，下 面将重点介绍扩频技术，其它方法在此不作赘述。 2 2 扩频通信的基本原理 扩频通信系统阳：是指在发送端将待传输信息的频谱用某个特定的扩频函数扩 展后成为宽频带信号，送入信道中传输；在接收端再利用相应手段将其压缩，从 而获取传输信息的通信系统。 2 2 1 扩频通信的理论基础 扩频通信的理论基础首先源于s h a n n o n 定理9 3 1 0 3 1 1 | 。s h a n n o n 定理指出：在高 斯白噪声干扰条件下，通信系统的信道容量( 即极限传输速率) 为： ，c 、 c = 形1 0 9 ，l1 + = i ( 2 4 ) l 式中：c 为信道容量，w 为信道带宽，s 为信号平均功率，n 为噪声功率。 由s h a n n o n 公式可知，在一定的信道容量条件下，带宽w 和信噪比s n 是可 以互换的，即可以通过增加信号带宽来降低系统对信噪比s n 的要求；也可以通 过增加信号功率，达到降低信号带宽的目的。 这也就说明了信道容量可以通过带宽与信噪比的互换而保持不变。扩展频谱 技术正是利用这一原理，通过行之有效的方法实现带宽与信号噪声功率比的互 换，达到抗干扰的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信体制大十几倍至几百倍， 故在相同的信道容量条件下，具有较强的抗噪声干扰的能力。 s h a n n o n 又指出在高斯噪声的干扰下，在带限平均功率的信道上，实现有效而 且可靠传输的最佳通信信号是具有白噪声统计特性的信号，这是因为高斯白噪声 信号具有理想的自相关特性，其功率谱为： s 缈= o 2 一o 。 彩 ( 2 5 ) 它的自相关函数为： r ( f ) = 去s ( 缈) 扩7 d 缈= 等万( f ) ( 2 6 ) 7 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 其中：彩= 2 万厂，f 为时延，万f 定义为： 卅倍蓑器 泣7 ， 以力2 t o 三f o 爵 一 白噪声的自相关函数具有6 ( t ) 函数的特点，说明它具有尖锐的自相关特性。 但是对于白噪声信号的产生、加工和复制至今仍存在着许多技术困难。然而人们 已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声序列如m 序列、m 序列等，它 们的统计特性逼近于高斯白噪声的统计特性。所以用伪随机码扩展待传输的基带 信号频谱的扩展频谱通信系统，优于常规通信体制。 哈尔凯维奇从理论上又证明：要克服多径衰落干扰的影响，信道中传输的最 佳信号形式也是具有白噪声统计特性的信号形式。我们用扩频函数逼近白噪声的 统计特性，因而扩频通信具有抗多径干扰的能力n 。 2 2 2 扩频通信系统的数学模型 扩频通信系统的数学模型如图2 2 所示。扩频系统可以认为是扩频和解扩的 变换对。要传输的信号s ( t ) 经过扩频变换，将频带较窄的信号s ( t ) 扩展到很宽的 频带w 上去，发射信号为s 。 s ( t ) 。扩频信号通过信道后，叠加噪声n ( t ) 和干扰 信号j ( t ) ，送入解扩器的输入端，解扩过程正好是扩频过程的逆过程，对输入信 号进行s 。 处理，还原出s ( t ) ，即1s 。【s ( f ) 】= s ( r ) ，而对噪声n ( t ) 和干扰信 号j ( t ) ，有1 ，z ( f ) 】_ s 胁( f ) 和1 ( 明= 墨【( ，) 】，即将n ( t ) 和j ( t ) 扩展。这样， 在s ( t ) 的频带五，以内，s ( t ) 可以全部通过，而墨 刀( f ) 】和墨( f ) 只通过其功率在 内的部分，相对于w 来讲要小得多，所以噪声和干扰得到很大程度的抑制，提高 了系统的输出信噪比。 s ( ，) + 九( ，) + ，( f ) - l ，l 。 图2 2 扩频通信系统的数学模型 2 2 3 扩频通信的模型、分类及特点 扩频系统主要由原始信息、信源编译码、信道编译码( 差错控制) 、载波调制 与解调、扩频调制与解扩频和信道六大部分组成n 引。信源编码的目的是去掉信息 的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。差错控制的目的是增加信 息在信道传输中的冗余度，使其具有检错或纠错能力，提高信道传输质量。调制 部分是为使经信道编码后的符号能在适当的频段传输，如微波频段，短波频段等。 8 硕十学位论文 信 扩频调制和解扩是为了某种目的而进行的信号频谱展宽和还原技术。与传统通信 系统不同的是，扩频通信在信道中传输的是一个宽带的低谱密度的信号。扩频通 信系统的原理示意图如图2 3 所示。 图2 3 扩频通信系统的原理示意图 扩频通信系统按其工作方式可分为下列几种： ( 1 ) 直接序列扩频：简称直扩( d s ) ，是用高速率的伪随机码序列与待传输的 信息码序列模二加后的复合码序列去控制载波的参数来获得直接序列扩频信号， 它的特点是载波被比特速率远高于原始信息带宽的数字码序列调制，扩展了传输 带宽，降低了信号的功率谱密度。 ( 2 ) 跳频扩频方式：简称跳频( f h ) ，用信息码序列去调制频率合成器产生的 载频，得到射频信号。频率合成器的载频受伪码序列控制，按一定规律跳变。它 的特点是以“躲避”方式提高抗干扰性能，具有频率分集的作用。 ( 3 ) 跳时扩频方式：简称跳时( t h ) ，用伪码序列来启闭键控发射机，将一个 信息码元的持续时间分成若干时隙，由伪码序列控制在某一个时隙中发射一个载 频，射频载波信号伪随机地出现。由于信号在时域中压缩，其传输时间的占空比 为1 n ，相应地在频域中拓宽了其频谱宽度，故跳时也属于扩频技术。 ( 4 ) 混合扩频：以上几种不同的扩频方式混合应用，便构成了一些混合扩频体 制，如f h d s 、t h f h 、t h d s 等，它们比单一的扩频、跳频、跳时体制具有更优 良的性能。 扩频通信具有以下的优点n 3 】： ( 1 ) 抗干扰能力强，特别是抗窄带干扰能力； ( 2 ) 低检测概率，不容易被侦破； 9 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 ( 3 ) 具有多址能力，易于实现码分多址( c d m a ) 技术； ( 4 ) 可抗多径干扰； ( 5 ) 可抗频率选择性衰落； ( 6 ) 频谱利用率高，容量大( 可有效利用纠错技术、正交波形编码技术、话音 激活技术等) ； ( 7 ) 具有测距能力； 本课题采用了跳频扩频方式。 2 2 4 扩频通信系统的性能指标 扩频通信系统有几个重要的性能指标： ( 1 ) 处理增益n4 i ：在扩频通信系统中，一般把扩频信号带宽即射频带宽w 与频 谱扩展前的信息带宽b 之比称为处理增益g 。，即： g 。= w b( 2 8 ) ( 2 ) 频带效率：传输的码率与数字信号所占的频带之比，称为频带效率，其单 位为b i t h z 。频带效率与信源编码无关，只决定于信息调制的形式，它表明信息 调制的密度，也称为调制信息密度。 ( 3 ) 干扰容限：定义为通信系统尚能工作时，接收机允许输入的最大扰信比。 干扰容限往往比处理增益更确切地表征了系统的抗干扰能力。 2 3 跳频通信 跳频技术是将传统的窄带调制信号的载波频率在一个伪随机序列控制下进行 离散跳变，从而实现频谱扩展的扩频方式。跳频技术以其优良的抗干扰性能和多 址组网能力在军事无线电抗千扰通信、民用移动通信、现代雷达和声纳等电子系 统中获得广泛应用。 2 3 1 跳频系统的组成 跳频系统的组成框图如图2 4 所示。在发送端，用信息码序列去调制频率合成 器产生的载波，频率合成器产生的载波受跳频图案的控制，使输出的频率在信道 里按一定规律跳变。在接收端，需要产生一个与发送端跳频图案一致的但频率差 一个中频的本地参考信号与接收到的跳频信号进行混频，产生一个频率固定的中 频信号，中频信号再经过中频滤波、解调后，便可恢复出发端信息。 2 3 2 跳频系统的信号分析 设信源产生的信号是双极性数字信号，则可以表示为n 5 儿1 6 3 ： 口( ，) = 口。g 。( f 一刀瓦) ( 2 9 ) l o 硕士学位论文 图2 4 跳频通信系统原理示慝图 由频率合成器产生的频率为，z 石，灰，六z ，即z 是在时间 ( f 1 ) 瓦r k 2 ，则认为捕获成功， 如果l c ，则不可能实现无误传输。这一结论为信道编码指出了方向， 在近几十年的技术发展中，人们不断地寻求并找到了复杂度合理且易于工程实现 的编译码方法，如从分组码、代数码、r s 码、卷积码，到现在的t u r b o 码和l d p c 码等，所达到的性能和香农限之间的距离正不断地缩小。 在无线信道中主要存在两种性质的错误：一类是随机性错误，即错误出现的 位置是随机分布的，各个码元是否发生错误是互相独立的，错误通常不是成片地 出现。这种情况一般是由信道的加性随机噪声引起的；另一类是突发性错误，即 错误是一连串出现的，在一个突发错误持续时间内，开头和末尾的码元总是错的， 中间的某些码元可能错也可能对，但错误的码元数相对较多。这种情况主要表现 在移动通信中信号在某一段时间内发生了衰落或是在某些频点上受到了电磁干扰 等。通过纠错编码理论我们知道，对于随机性错误，可采用循环码、b c h 码以及卷 积码等；而对于突发性错误，可采用r e e d s o l o m o n ( r s ) 码及交织技术等。 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 根据香农理论，纠错编码的基本思想就是在待传的信息序列上附加有限长的 监督码元，形成新的待传信息序列。这些有限长的监督码元以某种确定的规律与 信息码元相关联。接收端根据这种关联性来检验信息码元与监督码元之间的关系， 如果信号经过无线信道产生了错误，则这种关联性被破坏，错误就可能被发现并 纠正，从而还原出正确的发送端信息。这个过程被称为信道的编码和译码。 本设计主要考虑战术无线环境中的应用，其受到电磁干扰的可能性大大增加， 无线通信中极易产生突发性大面积错误，因此我们确定采用r s 编码h 们h 引。编码 采用r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 的缩短码形式r s ( 4 8 ，3 2 ) 实现差错控制。码字取自的有限 域g f ( 2 8 ) ，其本原多项式为历，( 石) = 工8 + j 4 + z 3 + 彳2 + 1 ，码长n = 4 8 ，信息位长 2 r l 度k = 3 2 ，校验位长度n k = 16 ，编码效率6 6 7 ，生成多项式g ( j ) = 丌( j 一口| 0 ) ， 五 = 1 2 0 ，纠错能力8 个符号随机错误。 ( 2 ) 交织与解交织 绝大多数分组码和卷积码有纠错能力的限制，很难纠正连续性错误。交织是 一种对抗突发性连续错误的方法，它可以把突发错误分散，降低信道编码需要纠 正的连续错误比特数。交织就是按一定规律把发送序列打乱，在接收端则按相应 的规律把接收序列还原为发端序列的顺序，这样就可以把连续突发错误比特分散， 从而减少了信道解码器需要纠正的连续错误比特数。 ( 3 ) 数据处理过程 在快跳开始前，从信源以9 6 0 0 b i t s 的速率接收数据，每3 2 字节分为一组送 至r s 编码模块进行r s 编码，编码采用r s ( 2 5 5 ，2 3 9 ) 的缩短码形式r s ( 4 8 ，3 2 ) 实现差错控制。累计接收三组r s 编码数据后送往交织组帧模块，交织后的数据包 为1 4 4 字节( 共1 1 5 2 b i t ) ，交织组帧后在1 4 4 字节前加入8 个字节的g 0 1 d 序列作 为整包的同步头。至此，整包数据为1 5 2 字节，共1 2 1 6 比特。打包后的数据送给 跳频组帧模块，该模块将数据拆分后重新组帧，帧长3 2 比特。头尾分别加入l 比 特“1 ”作为保护时间，中间为7 位巴克码帧头和16 比特数据( 1 6 比特数据为前 一模块数据拆分后加入的) 及7 比特同步信息，帧格式如图3 8 所示，组帧后的 数据放入缓冲区等待跳频时钟产生，由跳频时钟上升沿作为激励将一帧数据送往 差分编码模块和后续的上变频单元。 保护时间帧同步头数据同步信息保护时间 ( 1 b i t “1 ”)7 位巴克码1 6 b i t7 b i t( 1 b i t “1 ，) 图3 8 数据跳帧格式 接收过程与上述过程相反，接收机通过检测跳频帧同步头( 7 位巴克码) 取出 3 2 硕士学付论文 同步信息更新本地t o d 低7 位，以实时校正收、发跳的相位，自动消除路径时延对 同步的影响，并可利用这些连续同步信息，进行同步维持、比特同步调整。同时 取出解差分编码后的有用数据，数据串行送入一个缓冲区后以并行的方式导入另 一个缓冲区，该缓冲区在高速时钟下再以串行方式送出。此时，通过检测高速数 据流中的g 0 1d 序列帧同步头来确定整包数据的起始位置，然后将g 0 1d 序列同步头 后的1 4 4 字节数据送往解交织模块进行处理，解交织模块与交织模块结构完全一 致。处理后的数据每4 8 字节为一组，依次进行r s 解码。去掉冗余码的数据再以 9 6 0 0 b it s 的速率送往信源，至此接收处理过程完成。 跳频数据、勤务同步数据的关系如下：以9 6 k b i t s 的用户速率传送9 6 字节 数据需要l o o 毫秒时间，经过r s 编码与交织等处理后，整包数据变为l5 2 字节。 传送1 5 2 字节数据，使用1 0 0 0 跳秒的跳速，7 6 个数据跳全部发送完毕。剩余的 2 4 毫秒时间内插入4 个频点的勤务同步跳，共2 4 跳，作为勤务同步和迟入网同步。 3 7 本章小结 根据跳频要求，本章对跳频方案进行了详细设计，设计了跳频帧结构。从理 论上对本方案的跳频同步性能进行了分析，证实本方案的可行性。同时对基带数 据处理过程进行了详细的论述为下一章基带处理和跳频控制模块设计及f p g a 实现 做了充足的准备。 3 3 跳频同步技术研究与基带帧结构设计 第4 章基带处理和跳频控制模块设计及f p g a 实现 本章主要说明基带处理和跳频控制模块设计及f p g a 实现，基带处理和跳频控 制模块承担的主要任务为实现跳频时序控制、跳频同步控制、基带数据组帧解帧、 信息编解码、交织与解交织等，本章将分别对其进行论述。首先对f p g a 的开发环 境及开发流程做一个简单介绍h 3 “1 。 4 。1 可编程器件及开发手段 随着微电子技术的进步和电子设计自动化的发展，可编程逻辑器件以其灵活 性、可在线编程、动态改变器件的逻辑功能等特性而日益受到系统设计者的亲睐。 它的应用大大提高了系统的集成度，增强了系统的抗干扰性和工作的稳定性。本 节介绍了大规模可编程逻辑器件的开发应用技术以及本文所应用到的硬件平台。 4 1 1f p g a 技术 f p g a 是具有可编程互联门的阵列，其逻辑功能可以进行重定义。f p g