（通信与信息系统专业论文）超短波跳频通信系统同步技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的沦文是我个人在导师指导下进行的研究l 作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文巾特别加以注释和致谢巾所罗列的内容以外，呛文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也小包含为获得西安电子利技大学或 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 的任何页献均已在文中作r 明确的说明并表示r 谢意。 本人签名：、篮坚型型k l 期：触f 乞z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子利技大学有关保留和使j l | _ 学位论文的舰定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允4 i 查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采门j 影印、缩日j 或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 锌j 后遵守此规定) 本人签名 导师签名 日 i j ：塑! 兰z k l , 封j ：坌生! 呈 必 捅望 本论文的项目来源是军用超短波( v h f ) 跳频电台型号研制项目。作者主要承担 了电台同步控制部分的工作。电台同步控制的平台为基于d s p 的中频数字化处理 模块。同步方案采用了同步字头法，使用t o d 作为主要同步信息实现跳频同步， 并通过勤务信息的插入实现同步保持和迟入网。此外，在外接终端时，还可进行 跳频下的数据传输。硬件平台和同步方案的先进性以及良好的跳频图案设计保证 了电台具有很好的同步性能和抗干扰性能，野外试验的结果也证明了其良好的性 能。 最终通过d s p 软件来实现跳频同步控制。软件编制基于电台功能进行模块化 设计。这种控制方式有利于信号的数字化处理，同时具有灵活、开放的优点，使 得电台在功能、性能上的改进与更新上变得非常容易。 关键词：超短波跳频中频数字化同步控制软件设计 a b s t r a c t t h es t u d yo ft h i sp a p e ri sd e r i v e df r o mm i l i t a r yp r o j e c t ：v h ff r e q u e n c yh o p p i n g r a d i o 。i nt h i sp a p e r w em a i n l yd i s c u s s e dw i t hd e v e l o p m e n to ft h es y n c h r o n i z a t i o n c o n t r o lp a r t t h ep l a t f o r mo fs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o li sai fd i g i t a lp r o c e s s i n gm o d u l e b a s e do nd s rt h em e t h o dt h a tp r e f i x e st h es y n c h r o n i z a t i o ni n f o r m a t i o nw o r d st ov o i c e i n f o r m a t i o no rd a t ai sa p p l i e di nt h es y n c h r o n i z a t i o ns c h e m e m e a n w h i l e ，w eu s et o d a sp r i m a r ys y n c h r o n i z a t i o ni n t o r m a t i o nt or e a l i z et h es y n c h r o n i z a t i o no ff r e q u e n c y h o p p i n g ，a n db yi n s e r t i n gg u a r di n f o r m a t i o nt ok e e ps y n c h r o n i z a t i o na n dm a k ed e l a y e n t r ya 、a i l a b l e m o r e o v e r ，w ec a ne n s u r et h ed a t at r a n s m i s s i o nw e l lw h e nw ec o m l e c t r a d i ot ot e r m i n a l ss u c ha sp c ，e t c t h eg o o dp e r f o r m a n c eo fh a r d w a r ep l a t f o r m ，t h e r a t i o n a l i t yo fs y n c h r o n i z a t i o ns c h e m ea n dp e r f e c td e s i g no fh o p p i n gp a t t e r n sb r i n gt h e g o o ds y n c h r o n i z a t i o np e r f o r m a n c ea n da n t i - j a m m i n gp e r f o r m a n c et oo u rr a d i o t h e r e s u l t sa r ea l s oi n d i c a t e db ye x p e r i m e n t s f i n a l w er e a l i z e df r e q u e n c yh o p p i n gs y n c h r o n i z a t i o nb yd s ps o f t w a r e p r o g r a m m i n gt h ep r o g r a m sa r ea c c o m p l i s h e du s i n gt h ew a yo fm o d u l a r i z a t i o nd e s i g n b a s e do nr a d i of u n c t i o n s t h i sc o n t r o lm e t h o di sp r o p i t i o u st ot h ep r o c e s s i n go fd i g i t a l s i g n a l s ，a n d i sp o s s e s s e sa d x a n t a g e so ff l e x i b i l i t ya n do p e n n e s s ，w h i c hm a k e st h e r e n o v a t i o n sa n di m p r o 、e m e n t so f f u n o t i o n sa n dp e r f o r m a n c e so f t h er a d i of l l o r ee a s i l j y k e y w o r d ：v h f f r e q u e n c yh o p p in g i fd i g i t a iiz a t io r s y n c h r o nz a to nc o n tr 0s o f t w ar ed e sg n 第一章绪沧 第一章绪论 引言 本章主要是对跳频技术基本原理的概述，并对跳频通信的关键技术和跳频同 步控制的基本方法进行了简要的介绍。最后，介绍了本论文的项目来源，指出论 文中所要着重讨论的问题。 1 1扩展频谱技术在通信系统中的应用 1 1 1 扩展频谱技术简介 1 9 4 8 年，美国贝尔实验室( b e l ll a b s ) 的数学家香农( c e s h a n n o n ) 在贝尔 系统技术杂志上分两部分发表了他那篇著名的论文“通信的数学理论”， 从而奠定了现代信息论的基础，同时也为后来许多新技术的发展指明了方向。 扩展频谱( s p r e a ds p e c t r u m ) 技术提出与发展的最初现实动力来自于军事通信 的需要：早在上个世纪5 0 年代中期，美国军方就认识到，传统的定频通信体制在 强干扰的第三者存在的情况下，接收方很难准确地检测到发送方的信号，同时这 种体制不利于通信保密。以香农理论为依据的扩展频谱技术应运而生，在二十世 纪后期取得了长足的发展。 我们知道，信号( 一般指电或光信号) 的频域表示称作频谱。信号的频谱可以 通过对其妇域表示作变换得到，如大家熟知的连续信号的傅星叶( f o u r i e r ) 变换、 拉普拉斯( l a p l a c e ) 变换，离散信号的z 变换。也可以借助频谱分析仪获得信号的 功率谱。 所渭扩展频谱( 简称扩频) 技术指的是采用特定的技术手段将待传输的信号在 一个宽频带上进行扩展，而这一宽频带要比发送待传输信息所需的最小带宽宽得 多。这样处理后的信弓被发送出去后，接收方通过相应的处理过程获得原始信息。 这利，技术所带来的好处可以j j 信息沦的有关内容加以解释。香农在上述论文中给 出了如下定理：在高斯l 勺噪声干扰条f t 一下，通信系统的信道容量f c ) 与信号带宽 ( b ) 、仿号3 j 均功率( s ) 及嵘声功字( n ) 之问满足以下公式 。蚓吣( ，+ 熹 这应川j i ，诉我仃j ：n 蚧j li j 、s n 卜l ：b 惭f 、i i , 5 尢，i 锚传输信息的最人速率 为c 。i m 婴拊持f 司样人小的佶邀弈艟( 1 ，j 以通过州憾“il j 的带宽b 及s n 米迅 至0 ，l ! | j _ ，1 1 i 通。猝i 1 = - j 以通过带宽1 乩、刈蚺7 1 9 忆换| 1 j f 川、1 个变。如果增加频j r 宽度， 就，u 以卉较骶的信愫比的竹况h j 州”0 帕忾想速率以7 r 心小的差错概率来传输价 息。 超短波跳频通信系统同步技术研究 今天，扩频技术以其具有很强的抗干扰能力、安全保密等众多优点，除用于 军事通信领域外，也已广泛地应用于军事和民用的许多其他领域，如c d m a 通信、 测距和定位及医学领域等。 1 1 2 扩频通信的基本工作方式 扩频通信系统是最具代表| _ 牛的扩频技术应用，其基本组成框图如图1 1 所 疗： 一股在发送端采用伪随机码进行扩频，伪随机码或称伪噪声( p s e u d on o i s e ， p n ) 码，用于扩频时一般具有很长的码周期，码长足够长时编码的概率分布趋近 于正态分布。 信息输入三苫 b l b 2r 一 锅萄卜叫扩频广_ 1 信道 一丁一 扩频伪随机码i 苎兰兰 图1 1扩频通信系统组成框图 反映扩展频谱通信特性的重要参数是扩频增益g ( s p r e a d i n gg a i n ) ，其定义为 频谱扩展前的信号带宽b i 弓频谱扩展后的信号带宽b 2 之比，即 g ：生 ( 式1 2 ) ， 甘i 可以证明，扩频增益g 等于接收端解扩前后的信噪比之比，即 g ：黑警 ( 式1 3 ) 。 = 一 i 风i jjo ( s ) 。 、 在扩频通信r 、，接收机作解扩解调厉，只提取伪随机编码相关处理后带宽为b 的信号成分，而排除掉扩展到宽频带b 2 。p 的外部干扰、噪声和其他用户通信的影 响。扩频增益g 准确地反映了扩频通信的这种能力。 按对待传输信号频带进行扩展的不同技术于段划分，扩频通信有以下几种基 小工作方式： ( 】) 直接序歹u 扩频( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t i l _ l n ) 这种方式门j 具有很高码速率的伪随机扩频码在发端扩展信号的频谱，而在收 端j f j 相同的扩频码序列把展宽的扩频信号还原为原始的信息。 一种简单的扩频方式是用p n 码对已调载波进行扪干二相移相键控( b p s k ) ， 而b p s k 信号功率谱中连续谱的频谱宽度取决于具有p n 码码元宽度的矩形脉冲 第一章绪论 的频谱宽度，当以高速p n 码序列剥已调信号进行b p s k 调制时，由于码元宽度 很窄，调制后的信号带宽就被展宽了。接收端可以用与发端同步的本地p n 码序 列对收到的扩频信号再进行次二相移相键控就可以恢复出原始已调信号，从频 谱的观点来看，就是将有用信号的能量重新集中起来而得到最大输出。而对于窄 带干扰信号，在解扩过程中其频谱却被扩展了，相应地，干扰信号的谱密度被大 大降低，最后经窄带滤波干扰信号的功率被大大减弱了。 ( 2 ) 跳变频率扩频( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 在这种扩频方式下，p n 码序列不直接参与调制，而是用它来控制可变频的 频率合成器在不同的时间段产生不同的载波频率用于调制。跳频通信系统的原理 框图如图1 2 所示。 图1 2 跳频通信系统原理框图 序列 发送端的频率合成器产生的频率按伪随机码不断地、随机地改变，并与已调信号 相混频得到跳频信号；接收端用o i 发送端相同的伪随机码控制本地频率合成器产 生与发送端同步变化的频率，和收到的跳频信号干h 混频( 称此过程为解跳1 后，得 到固定频率的中频信号，再进行解姻得到信息序列。而对于窄带干扰信号，由于 不知道眺频系统的频率跳变规件，经接收机接收( 混频) 后，不能进入中频频带， 也就无法形成干扰。在频率跳变的速率足够快、随机n 足够好时即使是跟踪式二1 1 扰也难以发挥作用。 ( 3 ) 跳变时间扩频【r i m ef l o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m ) 这种方式f ，用编码序列束控制发剁时刻和持续时问的长短。在保证系统严 格定叫忖睛况f ，, i h i 川孙芷少吲分多【：】l 系统之川| j1 扰。似从抑制j f 扰的角度看， 跳时力，得8 挺少，川为存行i n l 、频率的连续载波就u 以有效地阻塞通信。实 际应f j 州多与其他方式混合使川。 ( 4 ) 线性凋频扩频( c h i r pm o d u l a t i o ns p r e a ds p e c t r u m l 超短波跳频通信系统同步技术研究 线性调频脉冲信号的特点足射频脉冲信号在每一个脉冲周期内频率按某种已 知方式变化。线性调频方式扩频可在不使用编码的情况下，得到比绝对需要带宽 更宽的带宽，从而获得处理增益。 实际的扩频通信系统，采用前两种方式的较多，而线性调频方式主要用于雷 达系统。在采用单一工作方式不能达到所希望的性能时，往往采用两种或两种以 上的混合形式，如d s f h ，d s 1 h ，f i f t h 及d s f i i t i i 等。 1 2 跳频通信的参数、特点与发展 1 2 1 描述跳频通信的重要参数 待发送已调信号经跳频方式扩频后，频率在较宽的范围内伪随机地跳变。就 射频频谱而言，在某一特定的时段，跳频信号是窄带的，但从整个发送( 或接收) 时间看，跳频信号是在个较宽的频带内跳变，频谱是宽带的。跳频技术主要用 于战术无线通信，以传输数字话音为主，也可传输数据。民用通信如g s m 、蓝牙 ( b l u e t o o t h ) 系统q j 也有应用。本文主要t 寸论跳频技术在战术超短波通信上的应用， 所以所提到的跳频通信系统指的就是跳频电台。跳频电台按所传输基带信号的类 型可划分为模拟跳频电台和数字跳频电台，数字跳频电台用来传送数字话音和数 据，本文讨论的是数字跳频电台。 描述跳频通信有如下的重要概念和参数： f 1 ) 跳频方式的扩频增益：由( 式1 2 ) 可得 g f h = ( 式1 ，4 ) ， 其中n 是整个跳频用频段内的可用载波数或频道数。 例如：我围下片j 的超短波( v i i f ) 频段为3 0 m i i z 8 7 9 7 5 m h z w l 扩展) ，在此频段 _ l ：每单个跳频波道允许带宽为2 5 k h z ，容易得到n = 2 3 2 0 ，即在此频段上全频段 跳频可狱得1 0 l o g n - 3 3 6 d b 的扩频增益。 f 2 ) 跳频速率：是指跳频时载波频率跳变的速率，通常 l j4 每秒跳变的次数束 表示，即位为跳秒，记作h o p s s ( d 简记为h s ) 。囡内一股 i j t 9 l - 速快慢把跳频分为 胝、中、快速跳频，这是个绝别数值跳速的 ! ：c 念。例_ f c j i ，将跳速约在1 0 0 5 5 0 h o p s s 之m 的( 【h 有定义为l o o 1 0 0 0 h o p s s 的) 跳频1 u 台称为中速跳频台；而 吲外文献卜一般将跳频划分为伙跳频( f f ii ) 和| _ 陧跳频( s f h ) ，讨者指的是一个基带 符号庄多跳上传送，而后，占魁指一跳传一个或多个符号，这足一个相对数值的概 念。现在已j = | l 的国内外v i i f ! f 1 1i u 台人多数足s f h 。跳速足与跳频系统抗干扰 能力有关f l q 的一个重要参数。 f 3 ) 跳频周期：是跳速的倒数，即每次从替换频率到频率稳定并用来传送信 息所持续的总时间，亦称作跳频间隔，用t h 表示，单位是秒( s ) 。如跳速为2 0 0 h s 第一章绪论 的系统，跳频周期t l 、= 5 m s 。 ( 4 ) 跳频图案：是指跳频通信系统巾载波频率随时间作伪随机跳跳变的规 律。由如上跳频方式的介绍可知，跳频图案由控制频率跳变的伪随机码( 跳频码1 决定。为安全保密起见，跳频码序列的周期一般不短于十年。 ( 5 ) 跳频带宽：指频率跳变的范围。如v h f 的3 0 8 7 9 7 5 m h z 频段全频 段跳频时，跳频带宽为2 3 2 0 x 0 0 2 5 = 5 8 m h z 。 ( 6 ) 跳频频率集：跳频电台工作时，载频频点的集合，又称为跳频频率表。 上述频段全频段共含有2 3 2 0 个频率点，实际运用中可采用全频段或分频段跳频， 每个跳频频率集可能含有几十到上百个频率点，这样可预制的跳频频率表的个数 是非常多的。图1 3 作为示例给i ：l ：l 了一个跳频系统( 频率集含八个频点) 跳频图案 的时频矩阵图。 _ _ 1 图1 3 跳频i 刘案时频矩阵示例 t 图一 j 跳频序列的编码周期为7 ，频率跳变周期为7 t 。 ( 7 ) r l o d ( t i m eo f d a ) ，) ：足跳频 巳台的时问参数。尢电台显示器上显示为年、 月、f7 、时、分、秒： 一电台内部般以跳频剧f j j 为，p f 一汁时。跳频电台常以此 参数作为产生跳频码序列的输入参数。 ( 8 ) 跳频同步：指l 兆频电仃收、发坝方达到跳频图案、跳频频率集、跳频速 ：季及跳变时刻( 棚位) 的。敛。这，i 刖：1 义i 方解跳所必需的儿个条件。一股e u 发方发送 额外的同步f 占息，i f 女方通过川：p 挖制机制达到跳频州步。、1 1 然，在传送数宁信息叫， 还应做剑帧同步和位步。 ( 9 ) 跳频系统的同步寸n j j ：是指从发方丌始发送同步信息到收发达到跳频刚 门 昌 巧 “ 跑 m 旦一 塑望婆竖塑望熊墨堑旦垄垫查堑塞 一 步并建立通信所需要的时间。 另外需要指出的是，跳频系统按基带信息的调制方式不同可分为相干跳频系 统和非相干跳频系统，但由于很难做到在跳变情况下使频率合成器的相位保持相 r 以及桐二f 调制信号在解跳后，因收方本地频合产生的载波与发方载波之间存 在着很难避免的相位差造成恢复出的已调信号存在相位调制的问题，在f h 系统 中，数据调制一股采用移频键控s k ) 方式。 一般说来，希望跳频带宽要宽，跳频的频率数要多，跳频速率要快，跳频编 码的周期要长，跳频同步时间要短。这些跳频技术指标与跳频电台的抗干扰性能 有着直接的关系：跳频带宽愈霓，抗部分频带干扰( 宽带干扰) 的能力越强；跳频 频率表的频率数目越多，抗单频、多频及梳状干扰的能力越强；跳速越快，抗跟 踪式于扰的能力就越强；跳频编码的周期愈长，跳频图案的延续时间也就越艮， 有益于提高电台的抗截获能力；跳频同步时间越短、同步信启、越隐蔽，将影响跳 频系统的硕存程度。 ! 与然，一个跳频系统的各_ 贞技术指标应依照使用的目的、要求以及性价比等 方面综合考虑来作出最佳的选择。 1 2 2 跳频通信的主要特点 跳频系统是瞬时窄带系统，每一跳频问隔内瞬时所占的信道带宽是窄带频 谱，依照跳频图案随时问的变化，这些瞬时窄带频谱在一个很宽的频带内跳变， 形成一个跳频带宽，从而在宏观上实现了频谱扩展。这就决定了跳频通信具有如 下主要特点： ( 1 )易于与目前的窄带通信系统兼容； ( 2 )具有扩展频谱的抗_ 厂扰能力； ( 3 )具有一定的保密能力； 载波频率的快速跳变，使得敌方难以截获信息。 ( 4 ) 具有码分多址和频带共享的组刚通信能力； 利用跳频图案的不同，町以在一个宽的频带内容纳多个跳频通信系统同时工 作，达到频牢资源的共享，从而可以提高频潜的有效利川率。通过选择相互正交 或准正交f f , 1 髟l 频图案可以组建不同的跳频网。 ( 5 ) 具有频率分集能力，存移动通信的多径、衰落信道条件下，具有一定 的抗多径、抗衰落能力。 1 2 3 跳频通信的发展趋势 跳频技术在军事通信领域的应用主要集中在短波( h f ) 、超短波f v h f ) 的战术 通信上。经过近五十年的发展，跳频电台已由最初的采用模拟同步方式的模拟跳 第一章绪论 频电台，发展为采用数字到步方式的数字跳频电台，传输信号的数字化给跳频同 步控制带来了很大的方便。 跳速的提高和与其他扩频方式的结合是跳频通信发展的必然趋势，目前国外 在v h f 频段已装备了跳速达上百跳的电台，如美国的s i n c g a r s 约大于1 0 0 h s ， 法国的p r 4 g 大于3 0 0 h s 。国内也有几种跳速达n j l 百跳秒的电台产品。国内 已有人提出f 一代v h f f h 电台跳速要高于1 0 0 0 1 v s 。另外，对抗跟踪式干扰和 宽带梳状阻塞式干扰，增加跳频频点数、扩大跳频带宽是有好处的。国外已有将 v h f3 0 - - 8 8 m h z 扩大到3 0 1 0 8 m h z 的电台，如英国的p a n t h e r 2 0 0 0 一v 1 4 。 随着d s p 技术的发展和软件无线电( s o f t w a r er a d i o ) 概念的提出，跳频技 术的实现进一步趋向于数字化和软件化。 二十世纪八、九十年代以后，也出现了一些跳频的新技术，如差分跳频 f d f t ) 、异步跳频、自适应跳频等。美国s a n d e r s 公司研制的相关跳频的增强型扩 谱( c o r r e l a t e dh o p p i n ge n h a n c e ds p r e a ds p e c t r u m ，c h e s s ) 短波电台，其跳速达 5 0 0 0 h s ，就采用了差分跳频技术，这种电台可实现高速跳频基础上的高速数据 传输，数传速率可达1 9 2 k b i t s s 。该技术的基本原理是：当前时刻的频率值由当 前时刻的信息符号和上跳的频率通过一定的函数映射关系决定。这样通过射频 频率的相关性来代表数据信息，就省去了普通跳频电台中的调制、解调过程，且 在接收端用f f t 检测算法识别有效跳后，便可完成数据检测，避免了对高速跳频 电台来说十分困难的跳频同步问题= 另外，国内已有使用自适应选频技术的产品 ( h f 频段) 问世。白适应选频技术融探测与通信为体，采用收发双方j 靠呼应技 术、线路质量分析( l q a ) 技术和自动线路建立( a l e ) 技术。在未进行数据通 信期间，l q a 可利用探测信号进行信道参数的估算；在传送数据信息期间，可直 接利用数据通信的信号波形对信道参数进行估算。使短波通信频率随信道条件变 化而自适应地改变，确保通信始终在高质量的信道上进行。这一技术应用于跳频 系统时主要包括两方面的内容，即跳频频率表的自适应建立和正常跳颓通信时跳 频图案的自适应修改，从而使得系统能自适应地发现干扰并改变载波频率，真正 地变“被动式”的抗二 i 扰为“主动式”的躲避干扰。 1 3 跳频通信的关键技术 实现跳频通信要解决= 个关键问题：频率合成、跳频图案设计及地址编码、 同步控制。本文着重j ：跳频同步控制技术的研究。这甲先对这三项关键技术作筋 要的介绍。 1 3 1 频率合成技术 利用一个或少量的标准频率( 一般山高稳晶体提供) 为标准，导出大量稳定的 超短波跳颊通信系统同步技术研究 输频率的技术就称为频率合成技术，用 二产生这些频率的设备称作频率合成器 f f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 。跳频用频率合成器在原理上与普通频率合成器是一样的。 基本指标有： 频率范罔：指频率合成器最低输出频率到最高输出频率之问的范围； 频率分辨率：指荆i 邻两个输出频率之间的间隔。不同用途的频率合成器 的频率分辨率要求相著很大。如v h f 跳频1 u 台常见的分辨率要求为 2 5 k i l z 、1 25 k i i z 或5 k h z ；h f 单边带电台的分辨率常见为l o o h z 。 频率转换时问：指频率合成器从某一工作频率转换到另一工作频率并达 到稳疋所需要的时问。 频率稳定度：指在一定的时间范围内，合成器输 频率变化的程度。我 罔军用标准要求v h f 跳频电台的频率稳定度优于- i - 5 1 0 一；h f 电台 优十1 1 0 。 频谱纯度：指频率合成器产生的频率的纯净程度。影响这指标的因素 丰要f 两个干h 化噪声平u 奇牛调制f 又称杂散) 。时者是频率瞬时稳定 度的频域表示，表现为t 潜线两侧的连续噪声谱；后者表现为一些离散 谱。 在跳频通信中，跳频速率和跳频频点的总数是两个基本参数，它们决定了跳 频频率合成器要满足一些特殊的指标要求。首先，跳频i u 台要求频率合成器在从 个频率跳变到另一个频率后，要能很快达到频率稳定。一个跳频周期由两部分 时问组成，一是频率转换时问( 信道切换时| 1 u j l ，一是驻留时问，后者指跳颜系统 在各个信道频率上发送或接收信息的时问。一个跳频周期内的时问关系如图1 4 所示。频率转换时间内发射信号应该阻塞，以提高频谱纯度，消除杂乱频谱对电 磁环境的污染。1 5 【l 塞脉冲的宽度应保证传递每一跳第一个比特的发射信号幅值不 小于稳态l 黼值的9 0 。对v h f 跳频r u 台，频率转换时俐应不大于跳频周期的 1 5 ，般在跳频周期的l o 以下。这项指标直接关系到跳频信号每一跳数据 格式的设计，罹然频率切换时问内是1 ；能发送有用数据的。另外，跳频用频率合 成器要求输出的频率序列世不连续变化且随机跳变的，这就要求频率切换时问与 扎| 邻跳叟频二 i 的跨度基木无天。 按照实现方法4 i 同，频率合成器可分为直接式和问接式的。i j 者是将标准频 二钲源输 的爹专频率经浞频、清频、分频得到不同的频：红；而后者则是用参考频 率通过锁棚川：( p l l ) 控制f i 1 一个可变的振荡器来获得小吲的输频率。赢接式数 宁频率i i 成群f d d s ) 是一种新的频率合成器件，它采用仝数字技术，具有分辨率 高、频率转换州m 陕、相位噪声低等优点，还具有很强的渊制功能和其它功能。 当前跳频频率台成器的最佳方案是d d s # p l l ，采州这种结构，可以有宽的输m 带宽、1 f 常高的频率分辨率。ps 级的频率转换时间，低的相位噪声刺杂敞。 第一章绪论 l h t s - w k t d 霄 注：t 抽为跳频驻留时间；t s - 为信道切换时间 t f 为功率下降时间；t r 为功率上升时间 t d e 为功率无输出时间；t h 为跳频周期 t s - ：t f + r d e + t r ：t h = t s - + t d w 图1 4跳频周期内的时间关系 1 3 2跳频序列的设计 跳频编码序列的作用有两个：第一，控制频率跳变以实现频谱扩展；第二， 跳频组网时，采用不同的跳频序列作为地址码，发端根据收端的地址码选择通信 对象。 由同生成方式得到的组跳频序列的集合称为一个跳频序列族。产生跳频 码序可0 的装置被称为跳频码发 i 器。频率合成器以跳频码发生器的输出作为输入 进行频率跳变，形成跳频图案，所以跳频序列的性能对跳频通信系统的性能有着 决定性的影响，如果跳频序列设计得不好，就达0 ：到抗干扰和保密的目的。 跳频地址编码理论是寻求和设计具有理想忤能的跳频序列( 族) 的理论。所谓 具有理想性能的跳频序列( 族) 应具有咀f 特点： 跳频序列应具有较好的随机性和较大的线性复杂度，以使敌方不能利用以 前传送的频率信息来预测当前和以后的频率： 每个跳频序列都可以使用跳频频率集中的所有频率，以实现最大的处理 增益： 山跳频序列决定的跳频图案罩，频率集中各频点的出现次数应基本相同： 一个跳频序列族巾的任意一个跳频序列与其、f 移j t - # 0 的频点重合次数应 尽可能少，其中任意两仓跳频序列在小于序列周期的所有时延下发生频 点重合的次数也应尽可能少； 跳频序列族和同一族中跳频序列的数量都应尽可能多； 易j 二实现。 跳频序列f 族) 的设计通常基于m 序列、r s 码、m 序列及b e n t 序列等。 超短波跳频通信系统同步技术研究 1 3 3 同步控制技术 为了实现跳频电台之间的正常通信，收发双方必须在同一时间同步地跳变到 同一频率上。由于频率的伪随机跳变，也就存在着频率和时间的刁i 确定性。时间 的不确定降通过收发双方达成跳速和跳频起止时刻的一致来实现，当然对于数字 跳频系统还要实现码元同步：频率的不确定性通过收发双方达成跳频图案和跳频 频率表的一致来实现。跳频同步的过程实际上就是逐步消除这些不确定性的过程。 需要着重指出的是，在一次跳频通信期间，跳频同步是一个持续的过程，它包括 开始的同步建立过程，还包括通信过程中的同步保持环节，之所以存在后一环节 是因为收发时钟的偏差和多普勒频移等因素是客观存在的。 为了实现收、发双方的跳频同步，收方首先必须获得发方有关跳频同步的信 息。目前的同步控制技术大都是以系统的时间信息( t o d ) 作为发方发送的同步信 息，因为跳速、跳变时刻木身就是某种时间概念，而跳频图案，可以通过将时问 信息作为跳频码发生器的输入之一来使两者建立相应的关系，这样收方通过t o d 的接收达到校止本地时钟、使之与发方时钟致的目的，进而实现跳频同步。 数字跳频系统的同步基本方法一有以下几种： 通用参考时钟法 在一个跳频通信网内，设置一个中心站，用来播发高精度的时问信息，所有 网内用户依照此标准时钟来控制跳频。 i 司步字头法 又称前置同步法。发方将带有时间信息的同步字头置于跳频信号的最前端， 收方根据同步字头的特点，可以从接收到的跳频信号中将它们识别出来，作 为调整本地时钟之用。这种方法下，同步信息般也是跳频发送的，接收机 的常态是对同步头频率进行扫描搜索。图1 5 给出了慢速( 指绝对跳变速率) 跳频电台采用此方法同步时常见的同步信息数据帧的帧格式。 厂1 r 一1 换频 位同步帧l a 步t o d 图1 5 同步信息数据帧格式 自同步法 依靠商接从接收到的跳频信号中提取有关同步信息来实现同步。 在实践中同步字头法已被较多地采用。 本论文的项目来源是军方超短波数字化中速跳频电台的型号项目，学校是技 术协作合同的乙方。项目合同指出的技术研究开发内容包括六大部分：面板操作 控制、刺频信号处理、中频信号数字化处理及跳频控制和同步系统设计、频率合 第一章绪论 成部件设计、结构设计、电源部分。乙方承担的主要设计研制。i i 作包括巾频信号 数字化处理及跳频控制和频率合成器。作者在导师的指导下参加了前一项工作。 合同中对该项工作的基本要求为：兼容定、跳频，呵通数字话音( 包括明话和密话1 ， 也可进行数据传输；跳频同步方式应采用t o d 的初始同步和连续同步相结合的 方式；具备迟入网功能( 迟入网是指未能通过初始同步入网的电台，通过接收主发 台在通信过程中插入的用于同步的信息勤务信息来实现同步1 。相关指标要满 足国军标要求。 作者在项目研制开发过程中所做的主要工作是：参与了跳频同步方案的制定 和硬件调试，用d s p 汇编语言编制软件实现了电台的跳频同步控制，并以此为基 础实现了以下重要功能：跳频数字话音通信功能、数据传输跳频物理层通道的提 供以及迟入网功能。目前该项目样机已进行过野外抗干扰试验，抗干扰性能良好， 功能、指标基本满足国军标要求，顺利地通过了甲方验收，正在准备产品鉴定。 第二章超短波数字化调频通信系统介绍 第二章超短波数字化跳频通信系统介绍 引言 本章将要介绍超短波通信的特点和超短波数字化跳频通信系统的组成与功 能，并对系统的信号处理过程作着重介绍。 2 1超短波通信的主要特点 超短波频段指的是频率范围在3 0 m h z 3 0 0 m h z 之间的频率范围，又称为甚 高频( v h f ) 频段。由于对应波长范围是l m 1 0 m ，所以也被称为米波( m e t r i cw a v e l 波段。 我们知道，电波的主要传播方式有：地表和地下传播、天波传播、空间波传 播、散射传播及外层空间传播。超短波频段的电波主要采用空间波传播和散射传 播的方式进行传播，以空间波传播为主。 散射传播是指由于大气对流层存在有不规则的气流，或电离层电子密度的不 均匀性，当天线辐射出去的电波，投射到这些不均匀体的时候，类似于光的散射 和反射现象，电波发生散射或反射，使一部分能量传播到接收点。超短波频段内 的电离层散射通信和流星余迹通信中电波的传播就采用了散射传播的方式。 空间波传播指的是在发射以及接收天线架设得较高时，在视线范围内，电磁 波直接从发射天线传播到接收天线，另外还可以经地面反射而到达接收天线。接 收天线处的场强是直接波和反射波的合成场强。直接波不受地面影响，地面反射 波要经过地面的反射，因此要受到反射点地质地形的影响。空问波在大气的底层 传播，传播的距离受到地球曲率的影响，收、发天线之间的最大距离被限制在视 线范围内，所以这种传播方式又被称为视距传播。一般地说，视线距离可以达到 5 0 k i n 左右。空问波除了受地面的影响以外，还受到低空大气层即对流层的影响。 移动通信中，电波主要以空间波的形式传播。 超短波( 和微波) 视距传播的基本模式是收发点问的直射波传播。由于这一 传播特性，超短波通信一般被较多地用j 二本地范围的区域性通讯。这样带来了一 个优点，不同地区就可以实现频率复用，提高了频率的利用率：同时这个频带由 于频率较高，频率上的自然噪声较小：该频段的频带较宽，可以采用占用带宽较 宽的f m 调制方式，使得通讯效果较好；还有，因频率高，天线可以做得较小。 根据这个频段的传播特性，如果提高收发点的高度，司以人大地提高通讯的覆盖 范田，利用这特点可以采取在制高点上安装转发器的方法来达到提高通讯范围 的目的。 军用超短波电台的电波传播方式主要是视距传播。所谓视距指的在发收天线 间的路径完全没有阻挡，从而使地面绕射现象可以忽略不计的距离。由于大气折 超短波跳颁通信系统同步技术研究 射导致电波射线弯曲，可能使视线距离发生变化。这里讨沦的是无线电视距而不 是几何视距。有如下公式【2 2 j ： d 。= , 2 a 。( 南，+ 自：)( 式2 1 ) ， 口。= k a( 式2 2 ) 。 其中，a 是地球半径，a = 6 3 7 0 k m ，a e 是等效地球半径，k 为等效参数，h l 和h 2 是 发收天线的高度，d 。是无线电视距。当接收点距发射点距离r d 。时，即为视距 传播。在标准人气情况f ，k = 4 3 ，两天线高度分别为2 0 m 、8 m 时，按此计算， d 。= 3 0 k m 。 虽然超短波是视距传播，传输迟延较短，但对于巾高速凋频，这一传输迟延 是不可忽略的。如对于3 0 k i n 的传输距离，单向的传输迟延为1x1 0 。4 s ，即1 0 0 l - t s ，当基带数据速率为2 0 k b p s 时，延迟时问相当两个信息码元宽度。由于跳频 同步是收方列收到的发送信号进行同步，所以当跳频同步以后，收发电台的跳频 转换时刻实际上相差了传输迟延的时间。 2 2 数字化跳频通信系统的组成 2 2 1 软件无线电的基本概念 ( 1 ) 基本思想 1 9 9 2 年5 月，美国m i l t r e 公司的j e om i t o l a 首次提出了软件无线电( s o f t r a d i o ) 的概念，其中心思想足：构造一个具有丌放性、标准化、模块化的通用硬 件平台，将各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信 协议等用软件来完成，并使宽带a d d 和d a 转换器尽可能靠近天线，以研制出具 有高度灵活性、开放性的新一代无线通信系统。 这一思想一经提出，就引起了包括军事通信、个人移动通信、微电子及计算 机等电子领域的巨大关注和广泛兴趣，在最近几年取得了引人注目的进展，如1 美 同军方易通话f s r a e k e a s y ) 计划，致力于开发适应联合作战的三军统多频段、多 模式软件无线电电台( m b m m r l 。 f 2 ) 基本结构 软件无线电主要由天线、射频前端、宽带a d d 和d a 转换器、通用和专用数 字信号处理器以及各种软件组成。其结构框图如图2 1 所示【i “。从软件无线电 的技术实现来看，决定性的步骤是将宽带的a d d 和d a 转换器尽可能靠近天线， 而之后的整个处理都可以用数字芯片特别是通过软件来完成；另外，无论硬件、 软件都应具有开放性，硬仆的开放性足通过采用总线结构来实现的，软件的开放 眭要求是可以不断更新或升级。但是，由于r 前a d 转换器取样速率和d s p 处 理速度的局限，理想的软件无线电结构难以实现，较多采用的是一种中频数字化 第二章超短波数字化调频通信系统介绍 话音 图像 数据 传真 普a d 、 i s p 理软件h 一只：翟1 啭换器 图2 1软件无线电结构框图 的系统结构，这种结构主要是基于宽带中频带通采样结构来实现软件无线电的功 能，从而使模拟电路的设计得以简化，对a d 和d a 转换器及后续数字化处n f f , j 要求不高，具有较好的波形适应性和信号带宽适应性，且结构具有扩展性。图2 2 示出了中频数字化接收机的部分框图。 带篇器| h 帅。五琵h 基赫理 斟2 2 中频数字化接收机的部分结构 在进行巾频数字化处理时，核心的部分是数字i 匕、f 变频器。数字上变频器 ( d u c ) f i ( j 作用是使基带处理后的发送信号的数据率能与中频d a 变换器的采样率 相匹配，同时可完成基带信弓的调制：数字下变频器( d d c ) 则是用来完成由中频 d 到d s p 处理的采样率转换，同时可完成信号解调。在原理二它们与模拟上下 变频器是一样的，只不过在信号的处理上采用数字方式，如内插、抽取等。 2 2 2数字化跳频通信系统组成 ( 1 1 系统构成 本文所讨论的数字跳频电台由如下几部分构成： 天线； 电源； 信道机，包括发射时的滤波、功放等利接收时的混频、滤波等： 跳频频率合成器： 跳频码发生器： 定跳频控制、处理模块，以d s p 为核心完成定、跳频工作时所有中频 以下的处理与控制： 密钥枪，用来向电台注入密钏，密钥决定跳频图案； 主控单片机，用于人机接口，通过与d s p 之间的通信，通知d s p 实现 面板操作的功能，显示必要的电台状态信息。 超短波跳频通信系统同步技术研究 用于数据传输时，采用p c 机完成链路层以上的控制。 ( 2 1 数字化控制、处理模块的组成框图 本文讨论的主要内容是建立在上述“定跳频控制、处理模块”上的。该模 块在数字化平台上通过d s p 软什编程实现信号处理和流程控制( 包括状态切换、 川步控制等) 。如图2 3 所示。图中除镀示丁该模块的洋细组成外，还给出了它 与系统其它主要组成部分的接口关系。 天 线 厂 a 1 n 1 。一 注： 功率阻塞脉冲 本振信号 图2 3数亨化控制、处理模块组成框图 其中，还需要说明的是： 时钟模块向各部分提供时钟，由高稳晶体和分频电路组成。 k 瞳 筇二_ ，章超短波数字化调棚通信系统介绍 发送时，跳频数字两音由模拟话音输a ( a i ，) 经数字编码得到，定频话音 山模拟话音输入( a 。1 经采样后送给d s p 处主里；接收h 寸，在跳频情况下模 拟话音输出( a 。) 由解跳、解调并作码元判决后生成的数字话音流经解码 得剑，定频情况下d s p 输出的数字采样序列经d a 变换后输出模拟话音。 定、跳状态的切换由d s p 根据面板的指令来进行控制。d s p 通过片上串 口l j 窄硝a d a 接口。 电悯谐码是由d s p 送给信道机的，用丁控制收发信机的调谐状态。 p t t ，即按i v 讲i 舌( p u s ht ot a l k ) 。外部p t t 是实际的p t t 开关，一般， 按下为发送状态，松行为接收：状态，d s p 识别状态来进行收发控制；送 给信道机和频率合成器的p t t 信号足d s p 判明外部p t t 后，提供给这 两个模块的，以使它们进入相应的状态。 实时时钟用于向d s p 提供跳频叫必需的吲唰信息( t o d ) 。 另外需要指 的是，系统设计的要求是可通明话或密话。发密话时，在编码 或a d 之后要进行加密由加密模块实现；收密话时，在解码或d a 荫要解密 由解密模块实现。图中术j ；示山。 2 2 3功能捕述 跳频通信系统的主要功能描述见h2 4 所示。 泣：本论义仃高参i ，宄成n 能已ni k l - 1 j 带填充的框劁农1 刊i 米，其中献色