（电路与系统专业论文）跳频通信测向及脉冲压缩技术研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

ab s t r a c t i n t h i s p a p e r , t h e p u r p o s e i s t o f i n d t h e d i r e c t i o n o f t h e f r e q u e n c y h o p p i n g c o m m u n i c a t i o n s i g n a l a n d t o i m p l e m e n t t h e r a d a r p u l s e c o m p r e s s i n g i n e n g i n e e r in g . t h i s p a p e r r e c o u n t s s i m p l y t h e t h e o r y o f t h e f r e q u e n c y h o p p i n g , t h e c o m p o s i n g o f t h e f r e q u e n c y h o p p i n g s y s t e m a n d a n a l y z e s i t s s i g n a l . i n t h e s a m e t i m e , t h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e w i d e a p p l i c a t i o n o f t h e f r e q u e n c y h o p p i n g c o m m u n i c a t i o n . i t s u m m a r i z e s a n d c o m p a r e s t h e t h e o ry , t r a i t a n d t h e u s e d r a n g e o f e a c h d i r e c t i o n f i n d i n g s y s t e m a b o u t w i r e le s s . a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e w i r e l e s s w a v e a n d i t s e ff e c t t o w i r e l e s s d i r e c t i o n f i n d i n g , w e p u t f o r w a r d t h e d i r e c t i o n f i n d i n g t e c h n iq u e s t o f r e q u e n c y h o p p i n g s i g n a l . w e i n t r o d u c e t h e t h e o ry o f e a c h s p a t i a l s p e c t r u m e s t i m a t e， w h i c h i s s u i t s t o f r e q u e n c y h o p p i n g d i r e c t i o n f i n d i n g ; s i m u l a t e t h e s p a t i a l s p e c t r u m e s t i m a t e a l g o r i t h m s a n d c o m p a r e t h e i r p e r f o r m a n c e s . t h e q u e s t i o n o f p a s s a g e m i s m a t c h i s a n a l y z e d , w h i c h s h o w s e a c h s p a t i a l s p e c t r u m e s t i m a t e a l g o r i t h m h a s g o o d t o l e r a n c e t o p a s s a g e m i s m a t c h . t h e e x c e e d p e r f o r m a n c e m e c h a n i s m o f s p a t i a l s p e c t r u m e s t i m a t e a l g o r i t h m t o d ir e c t i o n f i n d in g i s a n a l y z e d . a c c o r d i n g t o t h e c y c l ic c h a r a c t e r i s t ic o f fr e q u e n c y h o p p in g s i颤 a l , w e a d v a n c e a f r e q u e n c y h o p p in g s i g n a l d ir e c t i o n f in d in g t e c h n i q u e b a s e d o n c y c l o s t a t i o n a r y e s t i m a t e a l g o r i t h m a n d a n a l y z e i t s c a p a b i l i t i e . i n t h e l a s t , t h i s p a p e r s t u d i e s t h e l i n e a r f r e q u e n c y m o d u l a t i o n ( l f m) s i g n a l u s e d a d s p - t s 1 0 1 s t o i m p l e m e n t t h e r a d a r p u l s e c o m p r e s s i n g i n e n g i n e e r i n g . k e y w o r d : f r e q u e n c y h o p p i n g d i r e c t i o n f i n d i n g s p a t i a l s p e c t r u m p u l s e c o m p r e s s i n g y5 8 3 7 3 4 创新性声明 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，沦 文中不 包含其他人己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 1的任何贡献均己 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，本人承担一切相关责任。 本人签名: 二 到 一 墓 止 即 日期 z f 0 t / . $ 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 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电 子科技大学。 本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 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。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名 导师签名 二 .，- st - - - 史 4 4, 日 期1 0 呀 / 、 s 日 期a -动 . i s 绪论 绪论 一、研究背景与意义 在现代高科技信息战中，信息的传输起着越来越重要的作用，信息流量越来 越大， 通信信号的种类、密度、流量急剧上升。通信对抗部队对敌方电台方位和 位置的 侦察， 可以为通信部队提供重要的战术情报，是通信对抗干扰所需发射功 率和方向的重要依据。军事情报部门结合其它战术特征及其它部门 提供的相关情 报，通过分析可以判断敌方目 标信号的属性、网络电台的网络组成、威胁等级， 进而判断敌方部队的配置、调防与军事企图，获得重要的军事情报。在电子战中， 无线电测向也是电子支援措施和信号情报措施最重要、最有效的技术手段。 跳频系统从六十年代后期开始，发展非常迅速，首先在军事方面得到了广泛 应用。 已 研制出 很多 适合战术通信的 跳频电台， 如美国的s i n c g a r s - v , r f一 3 0 9 0 , 英国的s c im it a r - h ,分i m i t a r - v , j a g u a r - v ，以 色列的v h f - 8 8 系列等。 这 些电台在实际的使用中，都表现出了 较高的抗干扰性能及其它的优良 性能。 跳频通信的发展历程可概括为: 4 0 年代末理论先导， 6 0 年代研制攻关， 7 0 年 代末产品问世，8 0 年代逐步推广， 9 0 年代广泛应用， 2 1 世纪飞速发展。 目 前， 跳频技术主要用于军事通信， 如战术跳频电台、抗干扰等，但也正在 迅速的向民用通信渗透，如移动通信、数据传输、计算机无线数据传输等。由于 跳频通信跳频速度快， 跳频带宽大、频率集数量大、 跳频码的重复周期长等特点， 所以要想以高概率将其截获是很困难的，而要对其进行测向、 干扰就更加困 难。 因而世界各国越来越重视对跳频通信对抗 ( 侦察、测向、千扰)技术的研究。 p l e s s e y 是 英国s i m e n s 一 p l e s s e y 公司1 9 9 0年研 制的 超分 辨 测向 演示系统， 其 目的是研究与验证空间谱估计方法对多经信号和跳频信号的测向能力。系统性能 表明， 空间 谱估计测向已 取得了以 下进展: ( 1 ) 解决了v h f 频段空间 谱估计测向 天 线阵的设计调试问 题。 阵元互祸校正及通道失配校正 等关键技术已 经突破; ( 2 ) 空 间 谱估计 测向 确实 具 有o d b 时 进行测向 的能力; ( 3 ) 实 现了 天线阵 波束宽 度1 / 2 的 超分 辨 测向 ; ( 4 ) 单次 快照 ( 采样时间 趋于0 ) 也 可有 效 测向。 在国 内， 空间 谱估 计测向在超短波方面已 研究出了样机， 尚未推广应用。 在国外，目 前美国a n a r e n , l u c a s z a t a , t c i 和w- j 等公司，都已研制出了空间谱估计系统。俄罗斯在空间 谱估计系统方面的研制工作也很迅速。 脉冲压缩解决了雷达作用距离与分辨率之间的茅盾，是雷达系统中较为成熟 和经常采用的技术。 本文研究线性调频信号采用a d s p - t s 1 0 1 s 实现雷达脉冲压缩 的工程实现技术。 跳频通信测向及脉冲压缩技术研究 二、本文主要工作及内 容安排 本文对各种无线电测向体制进行了分析和比较，根据跳频通信信号的特点， 提出适宜跳频通信测向的空间谱估计算法和周期平稳估计算法。同时设计了某雷 达信号处理机的脉冲压缩系统。 第一章概述了跳频系统的组成，对跳频信号进行了分析，简述了跳频系统的 特点，并对跳频通信技术的广泛应用进行了介绍。 _ 第二章简述了无线电测向的一般知识和测向系统的应用， 并对各种测向体制 原理进行了概述、比 较。对无线电波各波段的特点进行简介，分析了无线电波对 测向的影响。 第三章给出基于空间谱估计算法的跳频通信测向，对各种空间谱估计算法的 原理进行简述，建立各种算法的模型，并进行计算机仿真。对空间谱估计算法在 工程实现中的通道失配问题、目 标源的平稳性及空间谱估计测向超性能机理进行 了分析。 第四章根据跳频信号具有周期性的特征，给出基于周期平稳估计的跳频通信 测向，并进行了计算机仿真，对其性能进行了分析。 第五章对雷达脉冲压缩技术在工程上的实现进行了讨论。分析了线性调频信 号，介绍了a d s p - t s 1 0 1 s ， 给出了脉压的硬件框图、算法框图和实验结果。 第一章 跳频原理及其应用 第一章 跳频原理及其应用 1 . 1跳频简述 所谓跳频， 就是用一定码序列进行选择的多频频移键控( m f s k ) 。 也就是用扩 频码序列去 进行 频移 键控调制， 使载 波频率不断地、 随 机地跳变 1 2 3 4 。 简单的 频移键控如2 f s k， 只有两个频率， 分别代表传号和空号。 而跳频系统则有几百个、 几千个、上万个，甚至2 2 0 个离散的或随机的频率可供选择。 1 . 1 . 1跳频系统的组成 跳 频 系 统 的 组 成 如图1 . 1 所示 i 。 用 信 源产生 的 信 息 流a ( t ) 去 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频受伪随机码的控制，按一定 规律跳变。跳频系统的解调多采用非相干解调，因而调制方式都用f s k . p s k等 可进行非相干解调的调制方式。 高放 混频 曰 令1中放解调 频率合成器 p n 码 发 生 器卜 州 同 步 系 统 图1 . 1 跳频系统组成框图 在接收端，接收到的信号与干扰经高放滤波后送至混频器。接收机的本振信 号也是一频率跳变信号， 跳变规律受接收端的伪随机码的控制，而接收端产生的 伪随机码与发送端的相同，控制频率变化的规律是相同的，两个频率合成器产生 的 频率 相对应， 但对 应的 频率有一频差为石， 正好为 接收 机的中 频。 只要收发双 方的伪随机码同步，就可使收发双方的跳频源频率合成器产生的跳变频率同 步，经混频器后，就可得到一固定不变的中频信号， 然后对此中频信号进行解调， 就可恢复出发送的信息。而对干扰信号而言，由于不知道跳频频率的变化规律， 与本地的频率合成器产生的频率不相关，因此，不能进入混频器后面的中频通道， 不能对跳频系统形成干扰， 这样就达到了 抗干扰的目 的。 跳频通信测向及脉冲压缩技术研究 . 1 .2跳频系统的信号分析 设 信 源 产生的 信号a ( t ) 为 双 极 性数 字 信号 m a ( t ) = 艺a$. 一 n t ) ( 1 一 1 ) 式中:a 。为信息码， 取值+1 或一t o % a ( t ) 0 _t t 其它 ( 1 - 2 ) t为信息 码元宽度。 调制采用p s k调制，由 频率合成器产生的频率为厂， f 。 lf ; , f , . . ., f , l ( 1 - 3 ) 即 f 在( : - 1 ) t , t r a ， 为 快速跳频: 反 之，r , 2 * t , 的 原则 选取， t d 为 码元宽 度， t , 为 抽 样间隔。 信号2 为1 6 元q a s k 信号， 载波 频率为1 0 k ， 数 字传 输率几为l k ， 仿 真频率人为1 0 0 k 。 信号3 为 信号2 完全相干信号， 参数和信号2 相同。 图3 .4为信号1 和信号2 的入射角分别为一 2 0 0 和2 0 0 时在信噪比为5 d b 和1 o d b，快拍数为3 2时的仿真结果。图3 . 5 为信号 1 和 信号2 的入射角分别为一 2 0 0 和2 0 0 时在信噪比为5 d b 和l o d b，快拍数为1 时的仿 真结果。图3 .6 为信号1 、 信号2 和 信号3 的 入射角分别为一 2 0 0 . 2 0 “ 和4 0 0 在信 噪比为5 d b 和i o d b，快拍数为3 2 时的仿真结果。 iv 一 二夕口-1 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 过一二 - - 一 1 - 一 】 - - 一 !- 一 一 _ _ _ 一 _ ! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 一 1一二 - 一 ! - - - - 一厂一 一_ _ _ ! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 互一 二_ _ 一 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 二 - - 一 - - - - - - 一 - - 一 一 断 一 _ ; _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 健一蒙 二 - - - - - - - 一 - 一 ) - - 一 - - 一 1 一 一 健 - - 一 - 一 一 尹自 j ， 足 t d二八. .) ( a ) 信噪比为5 d b的测向结果 1 _立 尹 自j 组 匕 d二 r 二 卜|rli卜|卜l|卜l甲 5污污于钾四 量 ( b ) 信噪比为i o d b的 测向结果 图3 .4 信号1 和信号2 在不同信噪比 下的测向结果 第三章 基于空间谱估计算法的跳频通信测向 2 7 扫钾 州14 品 二 -山-. . j- - -. - 2 0口zod o砧 口口 0 ， 冲口口趁( d.口r 二 ( a ) 信噪比为5 d b的测向 结t, o5 j -f t 即钟 性闷占石 二 渔 0 ，自j 口 r 02 口 匕 d.口犷 二) 伪 ) 信噪比为i o d b的测向 结果 图3 . 5 信号1 和信号2 在不同 信噪比下的测向结果 嚣 : g : 决0 ，口 目尼c e. a. 口.) a ) 信噪比为s d b的测向结果 q石 ，t l 钾污钾 里担 h a h + u z i( 3 - 3 3 ) 第三章 基于空间谱估计算法的跳频通信测向 这里，s是源相关矩阵。 空间平滑的阵列协方差矩阵为子空间相关矩阵的采样平均 元 一 上m7 .r s m kk-, ( 3 - 3 4 ) 阅呀-一-一-一，-，-一-一 子阵列m 图3 . 7均匀阵列分成儿个子阵列 上述子阵列分法叫前向空间平滑技术。也可以将均匀阵列从最后向最前分成 几个子阵列，叫后向空间平滑技术。 3 .4 .2 计算机仿真结果 信号1 、 信号2 和信号3 的参数和mu s i c方法仿真参数相同。图3 .8 为前向 空间平滑方法在信噪比分别为5 d b 和l o d b ， 快拍数为3 2 时的测向结果。图3 .9 为 前后向空间平滑方法在信噪比分别为5 d b 和l o d b， 快拍数为3 2 时的 测向 结果。 仿 真中的子阵列数为6 0 l _ _ _ _ _ _ 乱 ao -so - p ， 最小 特征值为 噪声 方差。 ， 的估计。 ( 4 ) 利 用。 z 计 算 c _ = r 。 一 。 1 和 c , = r ,y 一 。 z 。 ( 5 ) 求 矩 阵 束 护 二 ， c , , 的 广 义 特 征 值 分 解 ， 得 到 位 于 单 位 圆 上 的 p 个 广 义 特 征 值 e 少 “ p ， 它们直 接给出 谐 波频率或由 式w ， 二2 1 r 丝 s in 9 确 定 波 达 方 向 又 ( 其 中d 为阵元间距，几为电波波长) 。 第三章 基于空间谱估计算法的跳频通信测向 3 . 5 . 2计算机仿真结果 信号 1 i 和信号2 、 信号2 和信号3 的参数和m u s i c方法仿真参数相同。 图3 . 1 0 为信号 在信噪比分别为5 d b 和i o d b， 快拍数为3 2 时的测向结果。 图3 . 1 1 为信 号 1 、信号2 和信号3 在信噪比分别为5 d b和i o d b，快拍数为3 2时的测向结果。 ( a ) 信噪比 为5 d b的测向结果 蛋 ( b ) 信噪比为l o d b的测向结果 图3 . 1 0 信号 1 和信号2 在不同信噪比下的测向结果 跪 一一方 一 甘丫刃荔. 布 甘 . ( a ) 信噪比为5 d b的 测向 结果 一 耀 毯面 乞一二 益犷一一谁七 二 能犷 一 一. 节- 而 右花 右 尸 一 一 飞右能=an o a 6 ，翻卫生 ( b ) 信噪比为i o d b的测向 结果 图3 . ”信号1 、信号2 和信号3 在不同信噪比卜 的测向 结果 在上 面的 仿真结 果中， 图3 . 1 0 ( a ) 的 测向 结果为一 1 8 .4 8 0 和1 8 .7 2 , ( b ) 的 测向 结 跳频通信测向及脉冲压缩技术研究 果为一 1 9 .5 1 0 和1 9 .3 4 0 。 图3 . 1 1 ( a ) 的 测向 结果为一 1 8 .9 1 0 , 1 8 .5 6 0 和3 7 .2 3 0 , ( b ) 的 测 向结果为一 1 9 . 5 8 0 , 1 9 . 5 2 0 和3 8 . 3 6 0 。 从上面的测向结果可看出， e s