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西北工业大学硕 卜 论文:快速跳频系统研究及几基带实现 摘要 快速跳频系统通常是指跳频速率大于5 0 0 剐 龄 秒的跳频系统。 作为扩频通信体 制中的一种重要类型，快速跳频系统因其出色的抗干扰、抗截获和抗人为阻塞能 力，在当前军事通信研究领域引起广泛关注。 本文对跳频器的设计、用于产生跳频图案的伪随机序列的设计及跳频同步技 术这三大跳频系统的关键技术进行了深入探讨和研究: 成功地采用r s 码序列作为 产生跳频图案的伪随机序列，并以对偶频带法实现了宽间隔跳频，提高了系统的 抗干扰性能; 结合r s 码自 身的特点并根据当前的技术条件， 实现了 简易有效的跳 频同步方案;设计了以先进的 d d s a d 9 5 3为核心的跳频器，并采用 d s p t ms 3 2 0 v c 5 4 1 0作为系统的中心控制单元。在此基础上，完成了一个完整的快速 跳频系统的设计方案， 并实现了 其中的基带部分， 其跳频速率达到2 0 0 0 跳/ 秒， 而 且具有比较优越的整体性能。 关键字:快速跳频r s码跳频图案跳频器同步 n 西北工业大学硕士论文:快速跳频系统研究及i t 带实现 ab s t r a c t g e n e r a l l y , f a s t f r e q u e n c y h o p p i n g ( f f h ) s y s t e m m e a n s t h e s y s t e ms h o p p i n g s p e e d i s f a s t e r t h a n 5 0 0 h / s . f f h s y s t e m i s an s p r e a d s p e c t r u m i m p o r ta n t s p r e a d - s p e c t r u m s y s t e m , w h i c h h a s e x c e l l e n t a n t i - i n t e r f e r e n c e c a p a c i t y a n d c a u s e s g r e a t a t t e n t i o n i n t h e r e s e a r c h f i e l d o f m i l i t a ry c o m m u n i c a t i o n . t h r e e e s s e n t i a l t e c h n i c a l f a c t o r s o f f f h s y s t e m a r e d e e p l y s t u d i e d i n t h e t h e s i s : f r e q u e n c y s y n t h e s i s , p s e u d o - r a n d o m h o p p i n g p a t t e rn a n d s y n c h r o n i z a t i o n . i n t h e s c h e m e o f t h e s y s t e m , r e e d - s o l o m o n c o d e i s a d o p t e d t o p r o d u c e t h e h o p p i n g p a t t e rn a n d w i d e f r e q u e n c y i n t e r v a l i s r e a l i z e d b y a s o - c a l l e d m e a n s o f s y m m e t r i c a l c h a n n e l ; e f f e c t i v e s y n c h r o n i z a t i o n i s a c h i e v e d b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f r e e d - s o l o m o n c o d e ; d d s a d 9 9 5 3 i s c h o s e n a s t h e c o r e o f f r e q u e n c y s y n t h e s i s s u b s y s t e m a n d d s p t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0 a s t h e c e n t r a l c o n t r o l u n i t . t h e b a s e b a n d p a r t o f t h e s y s t e m i s r e a l i z e d s u c c e s s f u l l y w i t h h o p p in g s p e e d a s f a s t a s 2 0 0 0 h / s a n d t h e p e r f o r m a n c e s o f t h e a c t u a l s y s t e m a r e p r e f e r a b l e . k e y w o r d : f a s t f r e q u e n c y h o p p i n g f r e q u e n c y s y n t h e s i z e r r e e d - s o l o mo n c o d e s y n c h r o n i z a t i o n h o p p i n g p a t t e r n 西北工业大学硕_ l 论文:快速跳频系统研究及其基带实现 第一章 绪论 快跳 频 系统( f a s t f r e q u e n c y h o p p in g s y s t e m ) 属 于扩 频系 统的 ( s p r e a d s p e c t r u m s y s t e m ) 一种， 是当 前军事通信中 极为 重要的 抗干扰系统。 扩频系统是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上， 这一频带比要发送的 信息带宽宽得多， 在接收端通过相关接收， 从而将信号恢复到信息带宽的一种系 统 。 采用扩频技术的典型抗干扰体制主要有跳频体制 f h ) 、直接序列扩频体制 ( d s ) 、 跳时体制 ( t h ) 、 扩跳结合的混合体制及其改进型。 直接序列扩频就是用 比信息速率高很多倍的伪随机噪声码与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频是 使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发 射 机，即 信号的 发 射时 刻 和持 续时 间 是 随 机的。 另 外， 线 性调 频 ( c h i r p ) 也 属于 扩频技术，主要用于雷达通信，也用于短波通信。 1 . 1扩频通信产生的历史和背景 世 界 上 第一 个 直 接 序列 扩频系 统 是在 美国 的 联邦 通信 实 验室 ( f t l ) 于 1 9 4 9 年 0 1 d e r o s a 和r o g o f f 完成的， 成功的 i作在n e w j e r s e y 和c a l i f o r n i a 之ir 的 通信线 路上。 理论研究紧跟其上， 1 9 5 0 年b a s o r e 首先提出把这种扩频系统称作n o ma c s ( n o i s e m o d u l a t io n a n d c o r r e l a t io n d e t e c t io n s y s t e m ) 这 个 名 称 被 使用 相当 长的 时 间。1 9 5 1年后，美国的a s c ( a r m y s i g n a l c o r p s 一陆军 通信兵) 要求 进一步研究 n o m a c s ，想把它应用于高频无线电传通信线路，以对抗敌人的干扰。1 9 5 2 年由 l i n c o l n l a b o r a t o r y 研制出p 9 d 型n o m a c s系统， 并进行了 试验。 以 后在1 9 5 3 - 1 9 5 5 年l i n c o ln l a b 研制出了f 9 c型无限电传机系统。 很快， 美国海军和空军也开始研 究他 们自 己 的 扩频系 统， 空 军 使用名称为 p h a t o m 鬼 怪， 幻 影) 和 h u s h - u p ( 遮掩) ， 海军使用名称为“ b l a d e s ( 浆叶) 。那时设备庞大， 是用电子管装的，设 备要装几间屋子，使应用受到限制。 在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才 一 使扩频系统得到广 一 泛使用。第 一 木有关扩频系统的专著是r . c . d i x o n于1 9 7 6年出版，是一木 i e e e专利，1 9 7 7 西北工业大学硕_ l 论文:快速跳频系统研究及其基带实现 第一章 绪论 快跳 频 系统( f a s t f r e q u e n c y h o p p in g s y s t e m ) 属 于扩 频系 统的 ( s p r e a d s p e c t r u m s y s t e m ) 一种， 是当 前军事通信中 极为 重要的 抗干扰系统。 扩频系统是指发送的信息被展宽到一个很宽的频带上， 这一频带比要发送的 信息带宽宽得多， 在接收端通过相关接收， 从而将信号恢复到信息带宽的一种系 统 。 采用扩频技术的典型抗干扰体制主要有跳频体制 f h ) 、直接序列扩频体制 ( d s ) 、 跳时体制 ( t h ) 、 扩跳结合的混合体制及其改进型。 直接序列扩频就是用 比信息速率高很多倍的伪随机噪声码与信号相乘来达到扩展信号的带宽。跳频是 使原信号随机的用不同载波传输发送，跳时是使用伪随机码序列来开通或关断发 射 机，即 信号的 发 射时 刻 和持 续时 间 是 随 机的。 另 外， 线 性调 频 ( c h i r p ) 也 属于 扩频技术，主要用于雷达通信，也用于短波通信。 1 . 1扩频通信产生的历史和背景 世 界 上 第一 个 直 接 序列 扩频系 统 是在 美国 的 联邦 通信 实 验室 ( f t l ) 于 1 9 4 9 年 0 1 d e r o s a 和r o g o f f 完成的， 成功的 i作在n e w j e r s e y 和c a l i f o r n i a 之ir 的 通信线 路上。 理论研究紧跟其上， 1 9 5 0 年b a s o r e 首先提出把这种扩频系统称作n o ma c s ( n o i s e m o d u l a t io n a n d c o r r e l a t io n d e t e c t io n s y s t e m ) 这 个 名 称 被 使用 相当 长的 时 间。1 9 5 1年后，美国的a s c ( a r m y s i g n a l c o r p s 一陆军 通信兵) 要求 进一步研究 n o m a c s ，想把它应用于高频无线电传通信线路，以对抗敌人的干扰。1 9 5 2 年由 l i n c o l n l a b o r a t o r y 研制出p 9 d 型n o m a c s系统， 并进行了 试验。 以 后在1 9 5 3 - 1 9 5 5 年l i n c o ln l a b 研制出了f 9 c型无限电传机系统。 很快， 美国海军和空军也开始研 究他 们自 己 的 扩频系 统， 空 军 使用名称为 p h a t o m 鬼 怪， 幻 影) 和 h u s h - u p ( 遮掩) ， 海军使用名称为“ b l a d e s ( 浆叶) 。那时设备庞大， 是用电子管装的，设 备要装几间屋子，使应用受到限制。 在晶体管出现后，特别是集成电路出现后，才 一 使扩频系统得到广 一 泛使用。第 一 木有关扩频系统的专著是r . c . d i x o n于1 9 7 6年出版，是一木 i e e e专利，1 9 7 7 西北工业大学硕士论文:快速跳频系统研究及其基带实现 年出 版。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位 系 统 ( g p s ) 设 备简单， 定 位精 度高， 全 球使 用。 通 信数 据转发 卫 星系 统 ( t d e s s ) ，码 分多址( c d m a ) 卫星通信系统， 特别是n a s a和军 用卫星通信系统几乎都使 用扩频 技术，码分多址移动通信系统，这些都是 d s系统。f h 系统如 s i n c g a r s ( 3 0 - 8 0 mh z ) ， 跳时一 跳频混合型如j t i d s 系统( j o i n t t a c t i c a l i n f o r m a t i o n d i s t ri b u t io n s y s t e m ) 。 我国 正式把扩频技术作为国 家主要 项目 进行研究是在7 0 年 代初。 以 后在 卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通 信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。 扩频系统的现实来源基于当代军事通信中的电子对抗。目 前，扩频通信电台 面临的威胁较大的干扰方式主要有跟踪瞄准式干扰、 波形瞄准式干扰以 及宽 频段 梳状拦阻式干扰。波形瞄准式干扰， 是干扰方能掌握欲干扰的某跳频通信的特定跳 频图案， 在干扰过程中可主动使干扰频率和信号频率同步变化， 干扰能量始终可以 无抑制地进入通信接收端。跟踪瞄准式干扰， 是通过侦察快速搜索截获到的欲干扰 的 某跳频 通信的 各个频道信号， 并实时 对这些 频道实 施 跟踪干扰。 它 不需 破译跳频 图案， 只要出 现载频便快速引导干扰， 实现相对简单， 但不能实 现1 0 0 % 的 干扰效率。 当前， 对扩频通信威胁最大的干扰方式是宽频段梳状拦阻 式干扰。 它用于信号 密集环境下对扩频通信的千扰， 也是当前能 对高速跳频通信形成威胁的 唯一有效干 扰方式; 其干扰主动， 对抗设备简单， 而若在指挥员指定的关键时刻突然主动施放拦 阻式干扰， 可导致对方各层次指挥全面瘫痪; 当无法掌握通信方实际使用频段时， 通 常采用多部干扰机频谱并列实施梳状干扰。 如通信方工作频段为3 0 - 8 8 m h z , 则用 3 0 -3 3 m h z , 3 6 -3 9 m h z ,4 2 -4 5 mh z , 4 8 -5 1 m h z . . . . 等多部干扰机实施宽带梳状 干扰。这种干扰方式可干扰全部的频段，但干扰方也付出了 很大的 代价。 这种干扰 技术的存在和发展对跳频系统在跳频速率、 跳频带宽、频段及跳频图案的复杂度 和智能化等方面的要求不断提高。 1 .2扩频通信的理论基础 扩频系统的理论基础源于s h a n n o n 定理:在高斯白 噪声一 扰条件下， 通信系统 的极限传输速率( 或称信道容量) 为 西北工业大学硕士论文:快速跳频系统研究及其基带实现 年出 版。最近的二十几年扩频技术得到越来越广泛的使用。比如美国的全球定位 系 统 ( g p s ) 设 备简单， 定 位精 度高， 全 球使 用。 通 信数 据转发 卫 星系 统 ( t d e s s ) ，码 分多址( c d m a ) 卫星通信系统， 特别是n a s a和军 用卫星通信系统几乎都使 用扩频 技术，码分多址移动通信系统，这些都是 d s系统。f h 系统如 s i n c g a r s ( 3 0 - 8 0 mh z ) ， 跳时一 跳频混合型如j t i d s 系统( j o i n t t a c t i c a l i n f o r m a t i o n d i s t ri b u t io n s y s t e m ) 。 我国 正式把扩频技术作为国 家主要 项目 进行研究是在7 0 年 代初。 以 后在 卫星通信，数据传输，定位，授时系统中都有使用。今后，在卫星通信，移动通 信系统，定位系统等领域将会得到进一步广泛使用。 扩频系统的现实来源基于当代军事通信中的电子对抗。目 前，扩频通信电台 面临的威胁较大的干扰方式主要有跟踪瞄准式干扰、 波形瞄准式干扰以 及宽 频段 梳状拦阻式干扰。波形瞄准式干扰， 是干扰方能掌握欲干扰的某跳频通信的特定跳 频图案， 在干扰过程中可主动使干扰频率和信号频率同步变化， 干扰能量始终可以 无抑制地进入通信接收端。跟踪瞄准式干扰， 是通过侦察快速搜索截获到的欲干扰 的 某跳频 通信的 各个频道信号， 并实时 对这些 频道实 施 跟踪干扰。 它 不需 破译跳频 图案， 只要出 现载频便快速引导干扰， 实现相对简单， 但不能实 现1 0 0 % 的 干扰效率。 当前， 对扩频通信威胁最大的干扰方式是宽频段梳状拦阻 式干扰。 它用于信号 密集环境下对扩频通信的千扰， 也是当前能 对高速跳频通信形成威胁的 唯一有效干 扰方式; 其干扰主动， 对抗设备简单， 而若在指挥员指定的关键时刻突然主动施放拦 阻式干扰， 可导致对方各层次指挥全面瘫痪; 当无法掌握通信方实际使用频段时， 通 常采用多部干扰机频谱并列实施梳状干扰。 如通信方工作频段为3 0 - 8 8 m h z , 则用 3 0 -3 3 m h z , 3 6 -3 9 m h z ,4 2 -4 5 mh z , 4 8 -5 1 m h z . . . . 等多部干扰机实施宽带梳状 干扰。这种干扰方式可干扰全部的频段，但干扰方也付出了 很大的 代价。 这种干扰 技术的存在和发展对跳频系统在跳频速率、 跳频带宽、频段及跳频图案的复杂度 和智能化等方面的要求不断提高。 1 .2扩频通信的理论基础 扩频系统的理论基础源于s h a n n o n 定理:在高斯白 噪声一 扰条件下， 通信系统 的极限传输速率( 或称信道容量) 为 西北工业大学硕十论文:快速跳频系统研究及其幕带实现 c= b l o g ( 1 + 式中b -一信号带宽: s 一信号平均功率; n 一噪声功率。 由s h a n n o n 公式可以看出: 1 .要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的 方法可以 通过增加传输带宽b，或增加信噪比s / n来实现。由工式可知， b与c成 正比，而c与s / n呈对数关系，因此，增加b2增加s / n更有效。 2信道容量c为常数时， 带宽b与信噪比s / n可以互换。即可以通过增 加带宽b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，降低信号 的带宽。如果增加频带宽度，就可以 在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以 任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪音湮没的情况下，只要相应地增 加信号带宽，也能保持可靠地通信。这一公式指明了采用扩展频谱信号进行通信 的优越性，即用扩展频谱的方法以换取信噪比上的好处。 香农又指出，在高斯噪声的干扰下，在平均功率的信道上，实现有效和可靠 通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。伪噪声码具有和白噪声相类似的 统计特性，也就是说它逼近与高斯信道要求的最佳信号形式。所以用伪随机码扩 展待传基带信号频谱的扩展频谱通信系统，优于常规通信体制。 早在5 0 年代， 哈尔凯维奇就从理论上证明: 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应该是具有白噪声统计特性的信号形式， 扩频函数( 伪 码) 逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的能力。 总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍甚至1 0 0 0 倍以 上的宽带来传输信息，就是为 了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频 通信的基本思想和理论依据。 1 . 3 扩频通信的特点 基于以上的理论基础和现实背景， 形成了当代最具有代表性的通信抗干扰体制 扩展频谱系统。 西北工业大学硕十论文:快速跳频系统研究及其幕带实现 c= b l o g ( 1 + 式中b -一信号带宽: s 一信号平均功率; n 一噪声功率。 由s h a n n o n 公式可以看出: 1 .要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。增加信道容量的 方法可以 通过增加传输带宽b，或增加信噪比s / n来实现。由工式可知， b与c成 正比，而c与s / n呈对数关系，因此，增加b2增加s / n更有效。 2信道容量c为常数时， 带宽b与信噪比s / n可以互换。即可以通过增 加带宽b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，降低信号 的带宽。如果增加频带宽度，就可以 在较低的信噪比的情况下用相同的信息率以 任意小的差错概率来传输信息。甚至在信号被噪音湮没的情况下，只要相应地增 加信号带宽，也能保持可靠地通信。这一公式指明了采用扩展频谱信号进行通信 的优越性，即用扩展频谱的方法以换取信噪比上的好处。 香农又指出，在高斯噪声的干扰下，在平均功率的信道上，实现有效和可靠 通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。伪噪声码具有和白噪声相类似的 统计特性，也就是说它逼近与高斯信道要求的最佳信号形式。所以用伪随机码扩 展待传基带信号频谱的扩展频谱通信系统，优于常规通信体制。 早在5 0 年代， 哈尔凯维奇就从理论上证明: 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应该是具有白噪声统计特性的信号形式， 扩频函数( 伪 码) 逼近白噪声的统计特性，因而扩频通信又具有抗多径干扰的能力。 总之，我们用信息带宽的1 0 0 倍甚至1 0 0 0 倍以 上的宽带来传输信息，就是为 了提高通信的抗干扰能力，即在强干扰条件下保证可靠安全的通信。这就是扩频 通信的基本思想和理论依据。 1 . 3 扩频通信的特点 基于以上的理论基础和现实背景， 形成了当代最具有代表性的通信抗干扰体制 扩展频谱系统。 西北工业大学硕士论文:快速跳频系统研究及其基带实现 一种典型的扩展频谱系统如图 1 - 1 所示: 信源 信 道 信息 输 出 图1 - 1典型扩展频谱系统框图 它主要由原始信息， 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。 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。 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。 图1 - z 为扩频系统的数学模型。 扩频系统可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 展到一 很宽的 频带b 上去， 发 射的 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i ( t ) ， 送 入 解扩器的 输入端。 对解扩器而言， 其解扩过程正好是扩频过程的逆过程， 从而有: 对 信 号s s 的 处 理， 还原 出s ( t ) ， 即s - s s s s ( t) = s ( t ) ， 而 对 噪 声n ( t) 和 干 扰 信 号.1 ( t) , 有s - s n ( t ) = s s n ( t ) 和s - is ( t) = s s ( t ) ， 即 将n ( t) 和7 ( t) 扩 展。 这 样， 在s ( t) 的 频 带 f ,f b 内 ，s ( t) 可以 全部 通 过， 而s s n ( t) 和s o ( t) l 只 有当 其 功 率 在【 f x ,f b 内 时 才能 通 过。 f f b 图1 一2扩频通信系 统数学模型 相对于b来讲要小 得多， 所以， 、 噪声和千 扰得到很大 程度的抑制，提.氰 了系 西北工业大学硕 卜 论文:快速跳频系统研究及其摧带实现 统的输出信噪比或信干比。 由于扩频系统具有信号频谱宽、波形复杂、安全隐蔽等显著特点， 大大增加了 截获、监测、测向定位和干扰的难度，具有极强的抗干扰、抗窃听能力，已成为 一 种重要的通信方式，伴随着新器件的开发，正获得日新月异的迅猛发展。 在三种基本的扩频技术中跳频系统因其鲜明的技术特点和较高的技术难度， 引起各国研究者更加广泛的关注。因而，跳频技术的发展和更新是相当迅速的， 鉴于这种背景尤其是当前国内通信发展的需要，本文将对这一课题展开深入研究。 本文的主要内容如下: 文中介绍了 跳频系统的相关原理，并对其主要技术进行了深入分析和研究。 对产生跳频图案的r s 伪随机序列进行了深入探讨，并设计了基于r s 码的跳频图 案和同步方案。 给出一个完整的快速跳频系统的设计方案，成功实现了其基带部分的全部功 能，对其软件和硬件设计上的主要部分进行了比较详细的分析与阐述。 西北工业大学硕十 论文:快速跳频系统研究及其基带实现 第二章 跳频系统的相关理论 2 . 1跳频系统 跳频系统是指载波受一伪随机码的控制， 不断地、随机地跳变， 可看成载波按 照一定 规律变化的多 频频 移键控 ( m f s k ) a 2 . 1 . 1 系统组成 跳频 系 统的 组 成如图2 - 1 所示。 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关解调，因而调制方式多用f s k . a s k等可 进行非相干解调的调制方式。本设计中采用ms k . 高放混频中兹 解调 频率合成器 p n码产生器同步系统 图2 - 1跳频系统组成框图 在接收端，接收到的信号与 干扰经高放和滤波后送至混频器。 接收机的本振 信号也是一频率跳变信号，两个合成器的频率跳变规律是相同的，但对应的频率 有一频差为f 正好为接收机的中频。 只要收发双发的伪随机码同步， 就可使收发 双方的频率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，就司 一 得到一不变的中频信 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 西北工业大学硕十 论文:快速跳频系统研究及其基带实现 第二章 跳频系统的相关理论 2 . 1跳频系统 跳频系统是指载波受一伪随机码的控制， 不断地、随机地跳变， 可看成载波按 照一定 规律变化的多 频频 移键控 ( m f s k ) a 2 . 1 . 1 系统组成 跳频 系 统的 组 成如图2 - 1 所示。 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关解调，因而调制方式多用f s k . a s k等可 进行非相干解调的调制方式。本设计中采用ms k . 高放混频中兹 解调 频率合成器 p n码产生器同步系统 图2 - 1跳频系统组成框图 在接收端，接收到的信号与 干扰经高放和滤波后送至混频器。 接收机的本振 信号也是一频率跳变信号，两个合成器的频率跳变规律是相同的，但对应的频率 有一频差为f 正好为接收机的中频。 只要收发双发的伪随机码同步， 就可使收发 双方的频率合成器产生的跳变频率同步，经混频器后，就司 一 得到一不变的中频信 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 西北工业大学硕上论文:快速跳频系统研究及其基带实现 不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成千扰，这样就达到了抗干 扰的目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角色，只要收发双方同步，就 可将频率跳变信号转换成为一固定频率 ( 中频 f l )的信号口 2 . 1 . 2 信号分析 在跳频系统中，利用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频 率中 进行选择的移频键控。 我们熟悉的二元移频键控2 f s k只有两个频率f l , f 2 分 别代表传号和空号。而跳频系统则要求提供几百个、甚至上万个频率。 从时一 频域来看， 多频率的移频键控信号由时频矩阵组成， 每个频率持续时i司 为t , 并按跳频指令的规定在时频矩阵内跳变。如图2 - 2 所示。 黝 娜 m m m 翻 一 娜 m 图2 - 2时频域上的跳频图案示意图 图2 - 3 是 跳 频系 统的 数 学 模 型 设s i ( t ) 为 发 送的 跳 频 信号 s , ( t ) = m ( t ) c o s ( . o + n 。, ) t + 中 。 ( 1 ) 西北工业大学硕上论文:快速跳频系统研究及其基带实现 不能进入混频器后面的中频通道，不能对跳频系统形成千扰，这样就达到了抗干 扰的目的。在这里，混频器实际上担当了解跳器的角色，只要收发双方同步，就 可将频率跳变信号转换成为一固定频率 ( 中频 f l )的信号口 2 . 1 . 2 信号分析 在跳频系统中，利用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频 率中 进行选择的移频键控。 我们熟悉的二元移频键控2 f s k只有两个频率f l , f 2 分 别代表传号和空号。而跳频系统则要求提供几百个、甚至上万个频率。 从时一 频域来看， 多频率的移频键控信号由时频矩阵组成， 每个频率持续时i司 为t , 并按跳频指令的规定在时频矩阵内跳变。如图2 - 2 所示。 黝 娜 m m m 翻 一 娜 m 图2 - 2时频域上的跳频图案示意图 图2 - 3 是 跳 频系 统的 数 学 模 型 设s i ( t ) 为 发 送的 跳 频 信号 s , ( t ) = m ( t ) c o s ( . o + n 。, ) t + 中 。 ( 1 ) 西北t业火学硕上 论文:快速跳频系统研究及其摧带实现 其中:n = 0 , 1 , 2 , . . . ,n - 1 ; 噪声n ( t ) c o s ( w o + n w a ) t + 巾 。 c o s ( co r + n (o % ) t + d ) rl 图2 - 3跳频系统的数学模型 c o s ( c j o + n ( 0 e ) t + 中 。 为 输出 的f h 信 号( 令 振幅a = 1 ) ; 。 为f h合成器跳变间隔， 每 跳持续时间为t ， 一 般取 。 e = 2 p / t ; m ( t ) 是 待 传 数 字 信 息 流 ; f 。 为初相。 s i ( t ) 在 信 道 中 与 其 他 地 址 信 号s ; ( t ) , 噪 声n ( t ) 以 及 干 扰j ( t ) 组 合 后 进 入 接 收 机的 信 号s ,( t ) 为 s i( t ) = s t ( t) + e j = 2 s j( t) + n ( t ) + j ( t) ( 2 ) 其中 : s i ( t ) 为 发 射端的 有 用信 号; s , ( t ) 是 其 它 地 址 信 号( j = 2 , 一 ，k ) ; s ;( t ) 进 入 接 收 机 与 本 地 信 号c o s ( c r + n c ,) 0 ) t + 中 : 相 乘 后 得 s p ( t) = s l ( t) + e k j= 2 s ,( t ) + n ( t ) + j ( t) c o s ( 。 ;+ n 。 o ) t + (b j ( 3 ) 式中:。 为本地频率合 成器的中 心频 率， 与.0 差一 个中 频 ( t . 假设收发两端跳频图案己同步，把式 ( 1 )代入式 ( 3 )得 s p ( t ) = 1 / 2 m ( t ) c o s ( 。 ， t + (d ;) + c o s ( 。 。 + 。 。+ 2 n 。0 ) t + ( 。 + r ) + e k j= 2 s j( t ) + n ( t) + j ( t ) c o s ( 。 r+ n 。 o ) t + ( , 西北j 一 业大学硕 卜 论文:快速跳频系统研究及其基带实现 式中:( . ) i = wi w o 是中频; 中: 是本地跳频信号的初相; 中 i= 中 : 一 小 n 。 式 ( 3 ) 中， n t = t = ( n + 1 ) t的 每次跳变使混频器输出 一个固 定中 频， 经中 频滤 波器滤除其合频分量就得到有用信号分量为: s 1 2 ( t ) = 1 / 2 m ( t ) c o s ( 。 it + d) 。)( 4 ) 再把式中的信号送入解调器中，即可解调出信息 m ( t ) 。而其它地址跳频信号、 干 扰信号、噪声经混频器相乘后大部分落在中频带通滤波器的通带之外，自 然就不 会对有用信号的解调发生影响。 对 噪 声 分 量， 由 于n ( t ) 为 高 斯白 噪 声， 经 混 频 后， 噪 声 分 量 与 一 般的 非 跳 频 系统一样，没有变化，也就是说，跳频系统对白噪声无处理增益。 对 于 干 扰 分 量j ( t ) ， 由 于 不 知 道 跳 频 频 率 的 变 化 规 律， 即 不能 得 到 跳 频 系 统 的信息。经混频后，被搬移到中频频带以外，不能进入解调器，也就不能形成干 扰， 从 而 达到 了 抗 干 扰的目 的 。 .r ( 0 要 有 效 地 干 扰 跳 频 信 号5 , ( t ) , 必 须 与st(t) 的 频 率始终相同，否则是无能为力的。 s ; ( 0 是由 其 它网 产 生的 其 它 地 址 跳 频 信 号， 不 同 网 有 不同 的 跳 频图 案。 在 组 网时，已考虑到了不同网之间的相互干扰问题，即应使其频率跳变是正交的，互 不重叠。不同网的信号由于频率跳变的规律不同，故不能形成干扰。 跳频系统的频率合成器产生的频率的频谱图和跳频系统的射频信号的频谱图 如图所示。理想的频率合成器产生的频谱图为离散的、等间隔的、等幅的线谱， 占 用 的 频 带b = f n - f , ， 每 个 频 率 之 间 的 间 隔 为 f 。 某 一 时 刻的 频 率 是n 个 频率 中 的一个，山伪随机码确定，如图2 - 4 。图2 - 5 为跳频信号的频谱图，在某一时刻， 跳频系统是窄带的，从整个时间看，信号在整个频带内跳变，是宽带的。 西北下 业大学硕 卜 论文:快速跳频系统研究及j c 捷带实现 t时刻频率 f , f 2 f f 4. ， .f ;. . 加 图2 - 4频率合成器频谱图 f , f 2 f 3 f 4 .f ; . “ .坛 图2 - 5跳频信号频谱图 跳频系统的抗干扰机理:发送端的载频受伪随机码的控制，不断地随机地改 变，躲避干扰。在接收端，用与发端相同的伪随机码控制本地频率合成器产生的 频率，使之与发端的载频同步跳变，混频后使之进入中频频带内;对于干扰信号， 由于不知道跳频系统的载频变化规律，经接收机接收，不能进入中频频带内，也 就不能形成干扰。这样，跳频系统就达到了抗干扰的日的。 下面讨论描述跳频系统抗干扰性能的指标处理增益。 设在一频带b w内，等间隔分为n个频道，即可用频率数为n ,频率间隔为 af ，如图所示，信息带宽为 b 闪v创 1一n 厂|1 形式的码，称为第类广 义伪随机码。 少 匕 自相关系数具有 西北工业大学硕 l 论义:快速跳频系统研究及几 基带实现 否则可能得到错误的结论。 构造跳频序列的方法很多， 包括: 基于m序列构造跳频序列族， 基于r s 码构造跳 频序列族，基于素数序列族构造跳频 序列族 ( l c c 码 ) ，基于b e n t 序列构造 跳频 序列 族， 基于g m w序列构造跳频序列 族， 基于p 元 伪随 机序列构造跳频序列族， 基于 混沌映 射序列构造跳频序列族， 宽间隔跳频序列族等。具体见2 . 2 节。 2 . 2用作跳频图案的伪随机码 2 .2 . 1 基本概念及构造原理 伪随机码用于产生跳频序列，控制载波频率随时间的变化规律。伪随机码的 编码类型、 码序列长 度、跳频速率等在很大程度上决定了 扩频系统的性能 如抗 干扰能力，多址能力，码捕获时间。其性能对跳频系统的性能有重大影响。定义 如下: 凡自 相关系数具有 间峨 j=0;j=0; a 矛 = 1 , 附习奋 1一n p a t i j l n 台 月 n 形式的码，称为狭义伪随机码。 凡自 相关系数具有 a 卜1 , p a o ) = a .a 。 =e(1 闪v创 1一n 厂|1 形式的码，称为第类广 义伪随机码。 少 匕 自相关系数具有 西北工业大学硕 l 论义:快速跳频系统研究及几 基带实现 否则可能得到错误的结论。 构造跳频序列的方法很多， 包括: 基于m序列构造跳频序列族， 基于r s 码构造跳 频序列族，基于素数序列族构造跳频 序列族 ( l c c 码 ) ，基于b e n t 序列构造 跳频 序列 族， 基于g m w序列构造跳频序列 族， 基于p 元 伪随 机序列构造跳频序列族， 基于 混沌映 射序列构造跳频序列族， 宽间隔跳频序列族等。具体见2 . 2 节。 2 . 2用作跳频图案的伪随机码 2 .2 . 1 基本概念及构造原理 伪随机码用于产生跳频序列，控制载波频率随时间的变化规律。伪随机码的 编码类型、 码序列长 度、跳频速率等在很大程度上决定了 扩频系统的性能 如抗 干扰能力，多址能力，码捕获时间。其性能对跳频系统的性能有重大影响。定义 如下: 凡自 相关系数具有 间峨 j=0;j=0; a 矛 = 1 , 附习奋 1一n p a t i j l n 台 月 n 形式的码，称为狭义伪随机码。 凡自 相关系数具有 a 卜1 , p a o ) = a .a 。 =e(1 闪v创 1一n 厂|1 形式的码，称为第类广 义伪随机码。 少 匕 自相关系数具有 西北t业大学硕 七 论文:快速跳频系统研究及其摧带实现 p a o ) -0 1 护 0 ; 形式的码，称为第二类广义伪随机码。 凡相关系数满足三种定义之一的码，统称为伪随机码。 作为扩频函数的伪随机信号，应具有下列特点: ( 1 )伪随机信号必须具有尖锐的自 相关函数，而互相关函数应接近于零。 ( 2 )有足够长的码周期，以 确保抗侦破、抗干扰的要求。 ( 3 )有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求。 ( 4 )工程上易于产生、加工、复制和控制。 文献 3 指出， 任意两序列相关值的下限只与频隙数目 有关，无论选择多好的 跳频序列族，其干扰概率的下限是确定的。因而为了保证通信质量，必须有足够 多的频隙数。应该选择最佳或接近最佳的跳频序列族控制跳频，这样可使任意两 个序列之间的干扰达到最小。 2 .2 .2 研究进展及分类 以 下是目 前理论上研究可用作跳频图案的伪随机序列的研究进展3 1 , 1基于 m 序列构造跳频序列族 关于 m序列的数学研究早在 1 9 5 0年代中期就开始了。用 m序列作为跳频 序列来控制频率合成器以实现跳频通信，则始于 1 9 7 0年代。 基于 m序列构造跳频序列族有三种方法。第一种方法是使用 m状态序列， 也就是使用不同的 m序列分配给不同用户，每个用户的频率由 m序列的状态确 定。第二种方法是使用抽头法。值得指出的是，目 前还存在一些错误的认识，认 为 m 序列作为跳频序列族的汉明相关性能很差。其实，基于 m序列构造的跳频 序列族具有最佳的汉明相关性能。 第三种方法是使用非线性方法。在单个 m序列 发生器上加非线性前馈逻辑，或者用几个 m序列发生器进行非线性组合，再通过 抽头选取，从而得到高度非线性的跳频序列。这是实际跳频电台中经常采用的方 法。 目前国内应用较多的g o l d码也是在m 序列的基础上衍生而来的。 2基于 r s码构造跳频序列族 西北t业大学硕 七 论文:快速跳频系统研究及其摧带实现 p a o ) -0 1 护 0 ; 形式的码，称为第二类广义伪随机码。 凡相关系数满足三种定义之一的码，统称为伪随机码。 作为扩频函数的伪随机信号，应具有下列特点: ( 1 )伪随机信号必须具有尖锐的自 相关函数，而互相关函数应接近于零。 ( 2 )有足够长的码周期，以 确保抗侦破、抗干扰的要求。 ( 3 )有足够多的独立地址数，以实现码分多址的要求。 ( 4 )工程上易于产生、加工、复制和控制。 文献 3 指出， 任意两序列相关值的下限只与频隙数目 有关，无论选择多好的 跳频序列族，其干扰概率的下限是确定的。因而为了保证通信质量，必须有足够 多的频隙数。应该选择最佳或接近最佳的跳频序列族控制跳频，这样可使任意两 个序列之间的干扰达到最小。 2 .2 .2 研究进展及分类 以 下是目 前理论上研究可用作跳频图案的伪随机序列的研究进展3 1 , 1基于 m 序列构造跳频序列族 关于 m序列的数学研究早在 1 9 5 0年代中期就开始了。用 m序列作为跳频 序列来控制频率合成器以实现跳频通信，则始于 1 9 7 0年代。 基于 m序列构造跳频序列族有三种方法。第一种方法是使用 m状态序列， 也就是使用不同的 m序列分配给不同用户，每个用户的频率由 m序列的状态确 定。第二种方法是使用抽头法。值得指出的是，目 前还存在一些错误的认识，认 为 m 序列作为跳频序列族的汉明相关性能很差。其实，基于 m序列构造的跳频 序列族具有最佳的汉明相关性能。 第三种方法是使用非线性方法。在单个 m序列 发生器上加非线性前馈逻辑