大学毕业论文--高速跳频信号捕获方法研究(设计)

理工大学学士学位论文④通过乘以不同的非零域元，共可得到个长度为的非重复跳频序列。（2）基于m序列构造最佳跳频序列组基于m序列构造跳频序列族有3种方法。第1种方法是使用m状态序列，也就是使用不同的m序列分配给不用用户，每个用户的频率由m序列的状态确定。1987年，A.A.Shaar分析了这种分析方法的汉明相关性能，推导出任意两个级m状态序列之间的汉明相关的峰值最小为，即，并且人意两个序列和之间在一定的时延下将发生连续次重合。因此，不宜将m状态序列分配给不同用户作为跳频序列使用。第2种方法是使用抽头选取的方法。第3种方法是使用非线性化方法。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。（3）基于GWM序列构造最佳跳频序列族GMW序列的构造基于迹函数。迹函数是有限域中一个重要的映射函数，定义如下。迹函数是从有限域到的一个映射函数，即对任意，有（3.4）构造序列族，设跳频频率数目为，那么，可以使用元GMW序列来产生跳频序列族，是长度为的元GMW序列，则跳频序列由下式得到，即（3.5）式中，，为分配给用户的序列选择号码。基于上长度为的元GMW序列构造的跳频序列族具有最佳的汉明相关性能，即有（3.6）（4）宽间隔跳频序列族基于对偶频带法和m序列，构造一个新的宽间隔跳频序列族：对上使用个频率、长度为的最佳跳频序列进行宽间隔处理。具体构造方法为：在频带上有一跳频序列，设在频带上有一序列与之对应：，先按照的变化规律在频带上跳变，当遇到不满足宽间隔要求的频率时，就改跳到频带上，在上按照的变化规律继续跳变，当遇到不满足宽间隔要求的频率时，又跳回到频带上……3.4跳频频率合成器频率合成技术是将一个或若干个高稳定度和高精度的参考频率经过相应处理技术生成具有同样高稳定度和高精度的大量离散频率技术。参考频率可由高稳定的晶体振荡器产生，处理技术包括各种数字处理技术及锁相技术，从而使合成的离散频率与参考频率有严格的比例关系，而且具有同样的稳定度和准确度。应用这种技术合成频率的仪器或设备称为频率合成器或频率综合器。频率合成器是高速跳变通信系统的重要组成部分，其要求是：可供选择的跳频频率数目多，频率切换速度快，频谱纯度及频率稳定度高，可编程控制频率跳变。频率分辨力高。频率分辨力即两个相邻频率之间的最小间隔，频率合成器对频率分辨力要求因用途不同而不同，有的只需千赫级的分辨力，有的则需达到赫兹甚至毫赫兹。频谱纯度高。频谱纯度是输出信号中包含的谐波分量和其他杂散分量大小的一种度量，影响频谱纯度的主要因素是滤波器的质量、相位噪声、杂散噪声和其他寄生干扰。频率准确度高。频率准确度是指实际输出频率偏离标准工作频率的大小，频率稳定度是指在一定时间间隔内，输出频率变化的范围。频率转换时间短。频率转换时间指频率合成器从一个频率转换到另一个频率并且达到稳定状态所需要的时间，常规通信中要求频率转换时间低于几十毫秒，但对于快速跳频通信系统，频率转换时间越短越好。现阶段跳频频率的合成方法很多，主要有DS法(DirectFrequencySynthesis，直接频率合成法)、IS法(IndirectFrequencySynthesis，间接频率合成法)和DDS法(DirectDigitalSynthesis，直接数字合成法)。直接频率合成法最早出现在19世纪30年代，是最早也是最为经典的频率合成方法之一，该技术利用一个或多个高稳定度高频谱纯度的参考晶振，通过混频器、倍频器、分频器和滤波器实现对参考晶振的加减乘除运算，生成所需要的频率。优点是：频率转换速度快；带宽较宽；相位噪声性能好，适合于高速跳频。但这种方法有功耗大，体积大，成本高和难以保证频谱纯度高等缺点。近年来，由于集成电路工艺水平的提高，直接频率合成法的缺点正在逐步减小，在高速跳频和要求频率稳定度高的场合，它的重要性越来越得到体现。美国学者J.Tiemey，C.M.Rader和B.Gold于1971年首次提出以全数字技术从相位概念出发进行频率合成的方法，即直接数字频率合成(DDS)，DDS法打破了传统频率合成技术的束缚，为频率合成技术提供了一个全新的思维模式。数值频率合成器原理图如图3.3所示。图3.3数值频率合成器原理图图3.3是数字频率合成法原理图，它包括相位累加器，正弦波形存储器，数模转换器和低通滤波器四部分组成。DDS技术是采用奈奎斯特采样定律，从连续相位出发将一个正弦信号采样，量化和编码，形成伊戈尔正弦函数表，存于EPROM中，合成时，在参考时钟的的驱动下，相位累加器对频率控制字进行累加，得到相位码对波形存储器寻址，波形存储器输出相应的幅度码，这种变化的相位和幅度量化的数字信号通过D/A转换及其低通滤波器即可得到合成的相位变化的模拟信号频率。3.5频率同步控制器跳频通信系统正常工作的前提是收发双方必须实现同步，包括时间同步和频率同步，即要求跳频接收机与发射机必须在相同的时刻使用相同的频率(或相差一个固定中频)，这样就要求有频率同步控制器来保证接收机的本振频率与发射机的载波频率同步跳变。跳频同步的内容包括：跳频频率表相同，跳频序列相同，跳变的起止时刻相同，详细地说，为实现跳频同步，接收机必须获得发射机的跳频同步的信息，这些信息包括采用怎样的跳频序列，采用哪一张跳频频率表，在什么时刻哪一个频率上开始起跳，同时还要不断地校正接收机的本地时钟，使其与发射机的时钟保持一致。由于在实际的应用中，跳频序列和跳频频率表是通信双方已经预先约定好了的，因此最主要的待解决问题就是跳频同步，即频率跳变的起止时刻相同。跳频同步性能的好坏对于高速跳频通信系统性能有极大的影响。跳频同步的要求是：自动、迅速、可靠和抗干扰。3.6本章小结本章主要对跳频通信系统、高速跳频通信系统的原理及跳频系统的主要特点、跳频通信系统的组成和跳频序列的相关知识进行了简单分析，并研究了跳频序列的设计、跳频序列的理论限制、常见的跳频序列族。对高速跳频系统的组成部分跳频序列发生器、频率合成器和跳频同步器做了详细地探讨。4高速跳频信号捕获方法4.1跳频捕获的概述上一章介绍过频率同步控制器，其作用就是控制接收机的接受频率和发射机的发射频率使之能够同步，而同步又包括捕获和跟踪，高速跳频同步的不确定性来源主要有两个方面：频率的不确定性和时间的不确定性，其中频率的不确定性可以通过收发双方使用同一跳变规律来解决，时间的不确定性可以通过跳频同步捕获和同步跟踪等同步技术来削弱。捕获是指跳频系统自动搜索跳频序列的时间不定区，以获取接受机跳频序列时间，使之与发射机跳频序列的时间误差小于允许的值（至少小于1/2跳频周期）。捕获又分为初始捕获的同步识别。初始捕获是指初步使接收机跳频序列与发射机跳频序列的时间误差小于允许的值；同步识别是指初始捕获完成的基础上进一步确认接收机跳频序列与发射机跳频序列的时间误差小于允许的值，从而完成捕获。在高速跳频系统同步捕获阶段，同步捕获系统通过搜索跳频同步序列的时间不定区，以获取跳频同步信号的特定信息，来保证本地参考同步信号与接收跳频信号的码相位基本一致，当同步捕获过程结束时，用于解跳的本地参考同步信号与接收的跳频同步信号己基本达到同步，此时收发双方的跳频图案的时间误差小于一跳时间，接收机能够正常的解调信息。同步捕获过程通常分两步完成：首先通过两个跳频同步序列的相关测量，确定二者的对准程度；然后用一个合适的检测和同步捕获判决算法处理相关测量值，判断同步捕获是否完成。跳频同步捕获完成后，同步系统转到同步跟踪阶段。常见的高速跳频同步捕获法有用：高速跳频滑动相关捕获法、高速跳频匹配滤波器捕获法、串—并结合同步捕获法等方法。4.2滑动相关捕获法高速跳频串行捕获法又称滑动同步相关法，从跳频信号中直接获得同步信息，其工作原理是：本地信号与输入跳频信号进行相关运算，如果在检测时间内的输出未超过门限电平，则意味着跳频序列没有同步，然后搜索控制器将控制跳频序列发生器的时钟脉冲抑制掉一个，如果在检测时间内的输出超过门限电平，则意味着跳频序列已同步，此时停止搜索，转入跟踪。高速跳频系统滑动相关捕获法原理如图4.1所示。接收机开机时，将本地跳频同步序列发生器置于某初始状态，利用所产生的跳频序列控制本地频率合成器，生成本地信号，与接收信号进行混频处理，混频信号送入中频滤波器，滤掉信号中的高频成分，中频滤波器的输出通过平方律检波器，进行能量检测，能量检测过程是在每一跳信号期间进行一次积分运算处理，若该跳期间内积分能量超出能量检测门限形，则当前跳计数器加1，后续信号经过类似检测处理后，将计数器的累计值与第二个比较器的门限值即同步捕获门限相比较，若超过同步捕获门限，则同步捕获完成；反之，则使跳频序列步一个相位，继续进行同步捕获搜索。图4.1滑动相关捕获原理图滑动相关法的算法原理是：本地信号与输入跳频信号进行相关运算，如果在检测时间内的输出未超过门限电平，则意味着跳频序列没有同步，则调整本地产生的跳频序列相位，使本地跳频序列相位步进一位，继续上述过程，直到满足捕获条件，完成捕获；如果在检测时间内的输出超过门限电平，则意味着跳频序列已经同步，此时停止搜索，系统转入跟踪状态，以进一步提高同步精度。其中，跳频序列发生器产生的码序列用于同步信息的捕获，称为同步引导码。采用滑动相关捕获的技术优点是：同步引导码可以较长，在恶劣干扰环境下具有良好的检测能力和抗干扰能力；同步引导码可以方便地进行改变，具有较强的抗侦察能力和抗假冒能力；实现比较简单。采用滑动相关捕获的技术缺点是：捕获时间较长，并且捕获时间与同步引导码长度成正比；发射的同步引导码需重复多次，给迟入网带来困难。由于滑动相关法的实现起来比较简单，故在仿真阶段重点为滑动相关法的仿真。4.3匹配滤波器捕获法并行捕获法又称匹配滤波器法，匹配滤波器同步捕获法的原理是：利用序列匹配滤波器对跳频同步序列进行匹配，接收到的跳频信号经过序列匹配滤波器后，若当前跳同步信号频率与某个匹配滤波器中心频率匹配，则经过平方律检波器后，输出一个同步相关峰值，相应延迟后通过求和累加器，如果累加结果大于门限值，表明输入信号满足序列匹配滤波器的要求，输出同步指示信号。高速跳频系统匹配滤波器捕获法如图4.2所示，图4.2中N个带通滤波器的中心频率对应频率跳变信号的各个载波频率，通过带通滤波器的信号经平方电路后送入由跳频图案（扩频码序列）控制的开关K，开关闭合时将某路平方后的信号送入积分器，积分器的积分时间为，经积分后的信号输出到延迟期，每级延迟器的延迟时间为（共有N-1级延迟器）。经过延迟的N路信号（一路未经延迟的信号可认为延迟时间为0）正好同时送往相加器，这些信号在相加器中相加后通过检测器输出。如果扩频码序列控制的开关闭合与接收信号的跳频频率变化规律一致，则相加器输出最大，实现了扩频码的同步捕获。如果开关闭合与接收信号的频率跳变的变化规律不一致，输入相加器各路信号中，有若干路没有接收到发送的信号，因而相加器输出值较小的、没有取得扩频码序列的同步，那么接收机的跳变图案改变个码元的相位，继续同步捕获。图4.2匹配滤波器捕获原理图以匹配滤波器为基础构成的跳频信号并行捕获电路，是一种能提高捕获速率并能提供抗干扰能力的有效方法。它既可以用于对跳频图案的捕获，也可以用于对前置码的捕获。图4.2中个频率的排列顺序，应与接收信号跳频图案中频率出现的先后顺序一致。跳频图案按照规律跳变，各个支路的平方律检波输出依次延迟一个。当接收信号的跳频图案中的最后一个频率进入接收机时，经过加法器后的输出最大，超过接收门限，则同步指示信号指示接收信号跳频图案最后一个频率出现的时刻，根据该信号调整本地跳频频率合成器的工作状态,即可完成跳频同步。采用并行搜索法进行同步，具有较强的实时检测能力，同步速度较快；简单序列匹配滤波器就可以提供所需的性能。但是技术实现比较复杂。本章仅作介绍。采用匹配滤波器捕获技术的优点是：具有较强的实时监测能力，同步速度快；简单的序列匹配滤波器就可提供所需的性能。采用匹配滤波器捕获技术的缺点是：技术实现比较复杂；在同样干扰环境下，监测能力劣于滑动相关捕获技术的检测能力。4.4并—串捕获技术并—串捕获技术的工作原理是：将同步引导码分成两部分，一部分有较短的序列组成，通过并行捕获系统（匹配滤波器捕获系统）进行捕获；另一部分由较长的序列组成，通过串行捕获系统（滑动相关捕获系统）进行捕获。串行捕获系统由并行捕获系统启动，这样，由并行捕获系统来完成跳频序列起始时刻的同步。高速跳频系统并—串捕获原理如图4.3所示。图4.3并—串捕获原理图并—串捕获技术的优点是：结合了串行捕获技术检测可靠性高和并行捕获技术快速捕获的优点；系统的抗干扰能力和多址组网能力增强。并—串捕获技术的缺点是：实现的复杂性明显增加；价格较昂贵。在系统的复杂度上，由原理示意图可见，匹配滤波器法需要条由混频、滤波、检波和二值判决组成的相关支路，而滑动相关法只需要一条同样的相关的支路，系统结构简单，也正因为如此，滑动相关是我们研究的重点。在抗干扰性能上，因为都是对一个跳频周期内的相关检波累加结果进行捕获判决，多以对同样的跳频序列周期长度，匹配滤波器和滑动相关如果采用同样的判决门限，则抗干扰性完全相同，都具有最高级别的抗干扰性。4.5等待搜索式自同步法除了滑动相关和匹配滤波器法以外，对跳频信号的捕获还有一种常用的方法即：等待搜索式自同步法。等待搜索式自同步法的捕获过程分为两个阶段：初始捕获和同步识别，其原理如图4.4所示。图4.4等待搜索自同步法原理图1.初始捕获跳频通信系统收发端的跳频具有相同结构和相同跳频图案，只有接受跳频集与发送跳频集中的相应频率，相差一个固定中频。等待搜索式自同步的工作原理是：将一组PN码，控制频率合成器输出某一个固定频率，以等待搜索发送端跳频信号中的对应频率，当搜索到时，两者在相关器中相关，产生固定中频，经包络检波和限幅等处理后，得到一同步捕获检测信号当它大于同步捕获门限电平时，则释放时钟脉冲，触发PN码产生器，使本地频率合成器从开始，按跳频图案输出跳频信号，这一过程，称初始同步，如果接受到的跳频信号与不对应，则，PN码产生器保持原输出状态不变，频率合成器输出频率停留在上继续等待。在实际跳频信道中，存在着自然和人为干扰及其他系统的跳频信号，当某一个干扰频率与本地等待频率有足够的相关输出时会形成虚警同步，影响正常同步的建立；当干扰信号干扰了有效跳频信号时，将造成捡漏，也影响正常同步的建立。2.同步识别为减少虚警现象，一次相关检测到的信号不能算捕获成功，而规定几个连续的chip（切普，跳频信号中每个频率占用的时间，也称频隙）中，都是实现，才算捕获成功，这时才启动PN器，使频率合成器输出本地跳频信号，这一过程称为同步识别。初始捕获和同步识别成功后，接受跳频器输出的跳频信号与发送端跳频信号同步跳变，实现了频率同步，但这时收发端对应的起止时刻不一定完全一致，即频隙的相位还没达到同步，还需不断的调整PN码的相位，以使收发端相应频隙起始时刻完全一致，达到相位同步，这一过程称为同步跟踪。完成了初始捕获同步识别和同步跟踪，才算建立和实现了调频同步，系统进入锁定跟踪状态。4.6快速出局式捕获法快速出局式捕获法先在M个频隙内根据相关结果做出出局判决。若判决标准表明显著的未同步，则将当前本地跳频序列的状态快速出局，经相位滑动后再重新开始本地跳频与接收信号的相关、累积和出局判决；否则，同滑动相关法，对一个周期内的相关结果进行捕获成功与否的判决。快速出局式捕获法系统框图如图4.5所示。图4.5快速出局式捕获法原理图4.7本章小结本章主要对高速跳频信号的五种捕获方法即滑动相关捕获法，匹配滤波器捕获法，并—串捕获方法，等待搜索自同步法，快速出局式捕获法的捕获过程和具体的捕获原理进行了深入的探讨，并绘制了各种捕获方法的原理示意图。5高速跳频信号捕获方法的仿真分析5.1MATLAB的简介近年来MATLAB作为一套高性能的数值计算和可视化数学软件，已经广泛地应用于自动控制、数值和符号计算、工程与科学绘图、数字信号处理、通信系统设计与仿真以及财务与金融工程各个领域，可谓MATLAB无处不在。MATLAB这个词是由MATrix和LABoratory这两个词的前3个字母组合而成，顾名思义，就是矩阵实验室（matrixlaboratory），它是由MathWorks公司于1984年推出的一套高性能的数值计算和可视化数学软件，被誉为“巨人肩上的工具”。最重要的是，由于使用MATLAB进行编程运算与人进行科学计算的表达方式完全一致，所以不像其他高级语言（如Basic、Fortran和C等）那样难于掌握，用MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题，因此它又被称为演算纸式科学计算语言。MATLAB主要用于方便矩阵的存取，其基本元素是无需定义维数的矩阵。MATLAB问世以来，就以数值计算称雄。MATLAB进行数值计算的基本单位是复数数组（或称矩阵），这时的MATLAB高度“向量化”。经过20年的扩充和完善，MATLAB现已发展成为线性代数课程的标准工具。由于它不需要定义数组的维数，并且它提供了矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数，使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时，显得大为快捷、高效、方便，这是其他高级语言所不能比拟的。MATLAB的典型的应用包括以下几个方面。数学和计算算术发展模型；模拟仿真和原型；数据分析、开发和可视化；科学和工程学；应用发展包括图形用户界面设计。MATLAB系统主要由以下几个部分构成。MATLAB编程程序语言。包括矩阵描述方法、控制流动陈述、函数等，主要特点是面向目标编程（POP）。MATLAB工作环境。这个集成化的平台为用户进行各种各样的操作提供了便利。MATLAB绘图系统。用户通过MATLAB可以绘制二维、三维等图形，还可以进行图像处理、动画片制作等。另外，MATLAB允许用户自己建造完整的图形用户界面（GUI)。MATLAB的库函数。数学和分析的功能在MATLAB工具箱中被组织成8个文件夹。应用程序接口（API）。MATLAB允许用户通过应用程序接口，编写C、Fortran语言与MATLAB交互程序。MATLAB的基本功能如下：数学运算功能。数学运算是MATLAB产品家族的基础，它包括矩阵运算和数值分析法等。2D和3D图形显示功能。它可以实现相应的数值可视化的工作。交互式的高级编程语言—M语言编程功能。利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。工具箱函数功能。利用M语言开发的MATLAB专业工具箱函数，可提供用户直接使用。这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。目前MATLAB产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据获取、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数学图像处理、金融财务分析及生物遗产工程等专业领域。编译功能。MATLAB可以通过编译器（Compiler），讲MATLABM语言编写的函数文件编译生成函数库、可执行文件COM组件等。这样就可以扩展MATLAB的功能，使MATLAB能够同其他高级编程语言进行混合应用，取长补短，以提高程序的运行效率，丰富开发的手段。Simulink仿真功能。Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模。Simulink提供了利用鼠标拖拽的方法建立系统框图模型的图形界面，而Simulink还提供了丰富的功能块及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不用书写一行代码来完成整个动态系统的建模工作。Stateflow交互式设计功能。它基于有限状态机的理论，可以用来对复杂的时间驱动系统进行建模和仿真。Stateflow与Simulink和MATLAB紧密集成，可以将Stateflow创建的复杂控制逻辑有效地结合到Simulink的模型中。自动代码生成功能。在MATLAB产品族中，自动化的代码生成工具主要有Real-Timeworkshop（RTW）和StateflowCoder，这两种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效优化的程序代码。利用RTW生成的代码简捷、可靠、易读。目前RTW支持生成标准的C语言代码，并且具备了生成其他语言代码的能力。在世界各国的大学里，诸如应用代数、数理统计、自动控制、数字信号处理、模拟与数字通信、时间序列分析、动态系统仿真等课程的教科书都把MATLAB作为其内容。在国际学术界，MATLAB已经被确认为准确、可靠的计算机标准软件。5.2跳频序列的建立在进行捕获方法的仿真前首先要建立一个跳频序列。跳频序列的设计受跳频系统所使用的同步方法的制约，而跳频序列的性能也影响到捕获和保持时间等同步性能。在使用自同步法实现同步时，通常要求跳频序列是非重复的。这样，当收信机捕获到某一频隙时，立即可得知发信机当时的状态并能同步地跳变到后一个时隙。本文中所采用的串行搜索捕获法，等待搜索式自同步法都是由接收端从接收跳频信号中直接提取同步信息，都属于自同步法。在这里我们建立一个有8个频点的单跳跳频信号，每300位扩频码对应一个频点。设置跳频参数：A=40；%发射信号振幅Vt=16000Hops/S；%实际调速tt=0.0000625s；%每跳持续时间vm=48000000Hops/S；%扩频码的码速fs=1.5e9*4；%采样频率tm=1/vm；%传输一个码元所需时间产生跳频信号后要对其进行离散化，经过采样后，形成含有八个跳频点的本地信号，其功率谱密度图形如图5.1所示。图5.1跳频信号的功率谱密度图每一跳本地信号波形的频率都不相同，例如第一跳信号的频率为HZ，其波形如图5.2所示。图5.2第一跳本地的时域图对八跳信号中的前三条信号进行放大，则放大后的前三跳信号的功率谱密度图形如图5.3所示。图5.3前三跳跳频信号功率谱密度图5.3滑动相关法的仿真设计滑动相关法的同步捕获部分主要包括六个功能模块：混频器：完成接收机本地信号与接收跳频信号混频处理，通过混频完成两信号的相关。检波器：在任意时刻，对本地信号与接收到的跳频信号某一频率相关的结果进行检波处理。积分清零器：为了克服干扰的影响，检波器的输出在每一个切普时间内积分，为判决电路提供准确的样值。判决电路取样后就立即将积分器清零，以便进行下一个切普的积分。PN序列发生器：根据系统要求产生与发信端相同的伪随机序列，从而控制频率合成器的跳频，本文仿真中是RS跳频序列发生器。频率合成器：受PN序列发生器控制产生本地跳频信号。同步判定器：判定接收的跳频信号是否与本地跳频序列一致。有两个功能，第一是完成对每一跳的积分清零器输出值与预先设定能量门限电平的比较，判定这一跳是否捕获上。第二是检测跳频序列一个周期中捕获上的次数，如果判定值大于预设的同步判定门限值，则认为已成功捕获。滑动相关法的流程如图5.5所示。图5.4滑动相关捕获法流程图滑动相关法的仿真过程为：首先将接收端的跳频序列发生器置于某初始状态，利用所产生的跳频序列控制本地频率合成器，生成本地信号。然后扫描加有噪声的接收跳频信号，并与本地信号进行混频处理。混频器的输出送入中频滤波器，滤掉混频后信号的高频成分。中频滤波器的输出送入检波器进行能量检测。对能量检测的结果是在每一跳上进行一次积分处理，如果积分结果大于预先设定的能量检测门限电平，可以判定当前跳捕获上。当达到跳频序列一个周期的检测长度，进行同步判定，若成功捕获的跳频点数超过预先设定的同步判定门限值，则可以判定跳频捕获已经完成，停止搜索。反之，则使跳频序列的步进一个相位，并继续进行搜索。在进行滑动相关捕获时，接信号含有5dB高斯白噪声，含有噪声的接收信号如图5.5所示。图5.5接收信号时域图对接收到的含有375000个点的接收信号先进行降频，每隔五个点取一次，降频后有75000个点。对接收信号进行降频处理能够有效的减少接收端的应用负荷，降低硬件资源消耗。对信号进行降频处理后的时域信号如图5.6所示。降频之后接收端所要处理的点数明显减小。图5.6降频之后的时域图用滑动相关法进行同步捕获时，接受端需要一个由与发送端相同扩频码来产生一个本地滑动数据，同样每跳信号对应300个扩频码，并对其进行BPSK调制。经过BPSK调制，每个扩频码对应250个采样点，码元变换处产生相位变换。则经过BPSK调制后的本地信号如图5.7所示。在进行滑动相关阶段，本地信号每次只滑动一个码元。在一个周期内，将本地信号与接收到的信号进行相关运算，并且将运算值与阈值作比较。如果相关后的值大于阈值，则捕获成功；反之，则捕获失败。失败后继续将本地信号滑动一个码元，再次与接收到的信号进行相关运算并和阈值作比较，如果大于阈值则表示捕获成功进入跟踪阶段，如果失败则继续滑动直到捕获成功为止。在捕获过程中要与规定的阈值作比较，若捕获成功则会出现一个明显的相关峰值，设接收信号与本地信号初始偏移为37500采样点（跳时间）。在无噪声的情况下滑动相关后产生峰值如图5.8所示。图5.7经过BPSK调制后的本地信号图5.8无噪声滑动相关后的峰值图当对接收信号加入不同程度高斯白噪声是，利用滑动相关捕获方法是，会产生不一样的结果同时测试了滑动相关捕获法的抗干扰能力当加入-20dB信噪比的高斯白噪声背景下，对接收信号利用滑动相关同步法进行捕获处理，捕获依旧成功。仿真结果表明，滑动相关捕获法的抗噪声性能优越。仿真结果如图5.9所示。图5.9-20dB信噪比条件下的捕获图当加入-40dB信噪比的高斯白噪声背景下，对接收信号利用滑动相关同步法进行捕获处理，此时捕获失败。仿真结果如图5.10所示。图5.10捕获失败图结果表明，当加入不同程度的高斯白噪声干扰时，捕获会出现不一样的效果，滑动箱管捕获方法的抗干扰能力虽然很强，但是当干扰程度慢慢变强时，就会出现捕获失败的现象。5.4等待搜索自同步法的仿真设计等待搜索式同步的电路结构与串行搜索捕获方案类似，不同的是接收端在同步捕获之前没有跳频动作，而是静止在某一个频率上。其各个模块的功能与串行搜索捕获法相同。仿真时，首先使接收机跳频序列发生器置于某一状态，此时所产生的本地信号频率就静止等待在相应的频率点上。然后扫描加有噪声的接收跳频信号，对本地信号和接收的跳频信号进行混频处理，完成两信号的混频运算，利用中频滤波器滤波后，利用检波器进行能量判决。若检波器的输出大于能量门限电平，则判定为初始捕获完成，释放一个时钟脉冲，触发跳频序列发生器，开始同步识别过程。若检波器的输出未超过能量门限电平，则本地信号频率保持在原来状态。初始捕获成功后，如果在跳频序列一个周期中，能量检测结果大于预先设定能量门限值的次数超过同步判定门限值，则判定为捕获成功。等待搜索自同步法的流程如图5.11所示。图5.11等待搜索自同步法捕获流程图接收信号以第一跳数据为例，载波频率为Hz。在无噪声的条件下，首先将接收信号和本地信号进行混频，混频信号如图5.12所示。图5.12混频信号时域图经过带通滤波后只有相差固定中频时，信号通过能量检测才能大于能量阈值。中频信号如图5.13所示。图5.13中频信号时域图利用等待搜索自同步法进行捕获时混频滤波后，产生固定中频则会在能量检测时会产生一个峰值，并且这个峰值会大于门限阈值，在无噪声的条件下对中频信号采用循环相关进行能量检波。仿真结果如图5.14所示。图5.14等待搜索自同步法的峰值图图5.14的仿真结果表明，在进行初始捕获时，当本地信号与接收到的信号相差固定中频时，它们进行混频滤波能量检波并与门限电平比较后，会出现一个峰值即初始捕获成功。当接收信号与本地信号并未相差一个中频，假设接收信号为载频为HZ的第六跳信号，此时混频滤波结果如图5.15所示。图5.15未相差中频的混频信号时域图在无噪声的条件下采用循环相关进行能量检波。仿真结果如图5.16所示。图5.16捕获失败图图5.16的仿真结果表明，在初始捕获阶段，当本地信号与接收到的信号并未相差固定中频时，它们进行混频滤波能量检波并与门限电平比较后，就不会出现一个峰值即捕获失败。一旦第一跳初始捕获成功后，释放一个时钟脉冲，触发跳频序列发生器，即本地信号频率开始跳变，转入同步识别过程。同步识别在本质上与初始捕获并无太大区别，依旧进行混频滤波，利用检波器进行能量检波且与门限电平进行比较，只有几个连续的chip（切普，跳频信号中每个频率占用的时间，也称频隙）中，都是实现，才算捕获成功。5.5本章小结本章利用软件MATLAB7.0对前面几章的捕获理论在计算机中进行了仿真实现。首先产生了一个含有八个频点的跳频序列，分别对滑动相关捕获法和等待搜索自同步法进行仿真，这两种捕获方法的成功都受到能量门限电平的影响，但滑动相关法只有当收发两端的扩频码同步而且噪声干扰没有足够大时后才能产生一个大于门限电平的值这样才能捕获成功。而等待搜索自同步法则需要进行初始捕获和同步识别，本地信号和接收信号必须相差固定中频才算是初始捕获成功，进入同步识别阶段，同步识别阶段成功了才算是捕获成功。结论本文主要对高速跳频通信系统的捕获技术及其相关理论进行了研究，其中包括高速跳频通信系统的原理以及其研究现状和发展趋势、高速跳频通信系统的模型、高速跳频信号的捕获方法等。同步问题一直是跳频通信系统中的难点和热点问题。如今跳频正朝着更高跳速的方向发展。跳速的提高使每跳驻留时间很短，在如此短的时间内要做到系统同步，将是一件困难的事，而在传输数据信息时，还要考虑到位同步和帧同步问题，使得同步变得更复杂。因此研究跳频同步具有极大的现实意义。跳频同步分为跳频捕获(粗同步)和跳频跟踪(细同步)两个阶段，本文围绕高速跳频捕获问题进行研究。完成如下工作:1研究了滑动相关捕获法、匹配滤波器捕获法及等待搜索式自同步法的原理。2基于MATLAB仿真实现了高速跳频系统的滑动相关捕获法、等待搜索式自同步法两种捕获算法。跳频同步技术是跳频通信系统的关键技术，保密性很强，作者只是对同步捕获问题进行了初步研究。由于本人技术水平有限，有许多方面的问题考虑的不周全，因此本文还有许多其他需要改进的地方。以下方面的工作有待在今后的工作中继续研究。1本文中仅考虑了单用户的同步捕获，在多用户、组网情况下的同步问题研究是今后工作的一个重要方向。2本文研究中仅针对同步捕获部分进行，在今后的工作中可以同时考虑进行同步跟踪，在整个跳频通信系统中进行同步研究。3其他信道条件下的跳频同步研究。致谢时光荏苒，岁月如梭。我已经在美丽的度过了四个年头。四年，这是我人生中非常重要的四年，我有幸能够接触到这些不仅传授我知识、学问，而且从更高层次指导我的人生与价值追求的良师。他们使我坚定了人生的方向，获得了追求的动力，留下了大学生活的美好回忆。在此，我真诚地向我尊敬的老师们和母校表达我深深的谢意。本毕设和论文的工作是在教授的悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度、宽广渊博的专业学识、对事业孜孜追求的献身精神以及待人宽厚、平易近人的为人风格使我受益匪浅。从老师身上，我不仅学到了许多知识，更重要的是学到了精益求精、学无止境的治学精神。冯老师在指导我的论文的过程中，始终践行着“授人以鱼，不如授之以渔”的原则。在此，请允许我向尊敬的冯老师表示真挚的谢意！

感谢学长在毕业设计和论文写作过程中一直给予的关心和帮助。在这篇论文的写作过程中，孟凡玮学长不辞辛劳，多次与我对论文中许多核心问题作深入细致地探讨，给我提出切实可行的指导性建议。感谢和我一起生活了四年的朋友，是你们在我失意时给我鼓励，在我失落时给我支持，感谢你们和我一路走来，让我在人生这一驿站中倍感温暖！感谢我的父母在生活上对我的关心和照顾。我能够顺利完成学业与他们无微不至的关怀是分不开的。最后，再次感谢为我们默默地无私奉献自己的各位老师，老师们辛苦了！

衷心祝愿母校的明天更加美好！参考文献樊昌信，曹丽娜．通信原理(第六版)．北京：国防工业出版社．2010．185-230．范影乐，杨胜天，李轶等．Matlab仿真应用详解．北京：人民邮电出版社，2001．75-82．梅文华，王淑波，邱永红等．跳频通信．北京：国防工业出版社，2005．曾兴雯，刘乃安，孙献璞．扩展频谱通信及其多址技术.西安：西安电子科技大学出版社，2004．姚富强．通信抗干扰工程与实践．电子工业出版社．2008，12．田日才．扩频通信．北京：清华大学出版社，2007．陈永舂编著．从Matlab/Simulink模型到代码实现．北京：清华大学出版社，2002．蒋定顺，金力军．高速跳频通信系统同步技术研究．电子科技大学学报，2005，34(1)：48-52．郝威，杨露菁．跳频技术的发展及其干扰对策．舰船电子对抗，2004，27(4)：7-12．朱卫国，白皓宽．宽带跳频信号捕获分析技术．国外电子测量技术，2010．吕金龙，陈树新．高速快跳扩频信号的快速捕获技术研究．2010，04．蒋鸿宇，叶江峰，肖仕伟，张健．一种超宽带高速跳频信号实时非合作接收机．信息与电子工程，2012，04．附录A英文原文Fastacquisitionschemewithexcellentanti-jammingperformanceAbstractModernfrequencyhoppingsystemsgenerallyusetheslidingcorrelationschemeandthematchedfilterschemewhichhavethebestanti-jammingperformance.However,theslidingcorrelationschemeconvergestooslowlywhilethematchedfilterschemeoccupiestoomuchhardware.Animprovedacquisitionschemewasdevelopedwhichreducestheacquisitiontime,hasexcellentanti-jammingabilityandlimitsthesystemcomplexity.Theimprovedschemenotonlykeepsthebestanti-jammingperformancebutalsohasasimplestructurecomparabletotheclassicalslidingcorrelationacquisitionwithanacquisitionspeedalmostasfastastheclassicalmatchedfilteracquisition.Keywords:frequency-hoppedcommunication;synchronization;acquisition;fast-outHoppingcommunicationtechnologyoriginatedinthehigh-securitymilitarycommunicationsandhighnoiseimmunityrequirements,asinGSM,HomeRF,Bluetoothandothercivilianmobilecommunicationwidelyused,andpeople'sdailylifeiscloselyrelated.Quicklyandaccuratelytoachievesynchronizationhoppingfrequencyhoppingcommunicationsystemisnecessaryfornormalworkconditions.Theso-calledfrequencyhoppingsynchronizationistomakethesendingandreceivingendsofthefrequencyhoppinglawexactly,includingthesamefrequencyandphasecoherent.Stronganti-jammingfrequency-hoppingcommunicationisanimportantreasonforwidespreaduse,frequencyhoppingsynchronizationfrequencyhoppingcommunicationtechnologiesasoneofthekeyfamily,musthaveastrongimmunityinordertohavepracticalvalueandsustainabledevelopmentvitality.Meanwhile,real-timecommunicationiscritical,especiallyinmilitarycommunications,sohoppingsynchronizationsetuptimeasshortaspossible.Hoppingsynchronizationoftwostages:synchronizationacquisitionandsynchronizationtracking.Thesynchronizationacquisition,the1/2frequencyaccuracyofthegapwidthofRoughsynchronization;synchronizationtrackingperformfurtheraccuratetimesynchronizationandphaselock.Synchronizationacquisitionmoduleperformancelargelydeterminesthesynchronizationsystemperformancefromthe1950shoppingcommunicationtechnologiesemergesofar,peoplehavebeenconductingextensiveresearchonresearchresultsarealsoverysignificant.Accordingtothereceiversynchronizationinformationfromthesendertoobtaindifferentmethods,frequencyhoppingsynchronizationmethodcanbedividedintoseparatechannels,frontsynctiplawandself-synchronizationmethod.Sincenoadditionalsynchronizationmethodasadditionalinformation,istechnicallymorechallenging,butbymanyresearchers.Currentlybasedontherelevantlawsaremainlyself-synchronizingmatchedfiltermethod,theslidingcorrelationmethod,waitforthesearchmethod,displacementwaitforSearchmethod,fastscanningmethod.Whichmatchedfilteringmethodandtheslidingcorrelationmethodhasthehighestlevelofanti-jammingperformance,displacementwaitSearchFranceandfastscanningmethodimmunityispoor,theworstanti-jammingperformancewaitforthesearchmethod.Firstly,thestrongestanti-jammingperformancematchedfiltermethodandtheslidingcorrelationmethodforperformanceanalysisandcomparison,andonthisbasisproposeanimprovedalgorithm,theimprovedalgorithmhasstronganti-interference,rapidcaptureandsimplestructureandeasytoimplementfeaturessuchas.1Aclassicalmethod1.1MatchedfiltermethodMatchingfiltersystemblockdiagramshowninFigure1a.LethoppingsequencecycleoflengthL,thenthereceiverhasLcorrespondingtothefrequencyhoppingsystem.Jumpnoddingbandpassmatchedfilter,thefilter'scenterfrequencycontrolcenterbyalocalsearchreal-timecontrol.Theoutputsignalofthematchedfilterdetection,theaccumulationisdelayed,thefinaljudgmentoftheaccumulationresult.IncurrentslotistheL-slots,ifthematchedfiltercenterfrequencyinthelasttimeslotsjusttosatisfyLi-thtimeslotoriginatingthetransmissionfrequencyandthereceivingfiltertothecenterofthei-thfrequencyofelevencorrespondstotheaccumulatedvaluewillexceedapresetdecisionthreshold,synchronouscapturesuccess;otherwise,continuetosearchforthecentralcontrolofthematchedfiltercenterfrequency,forcapture.Figure1aMatchedfiltermethodFigure1bSlidingcorrelationmethodIfthecenterofthematchedfilterfrequencyisfixed,thecentralcontrolbysearchingfortheswitch-offofeachbranch,andthedetectionoutputofthedelayslotnumbertocompletethesynchronization.1.2SlidingcorrelationmethodprincipleShowninFigure1b,thelocalfrequencysynthesizeroutputfrequencyoriginatingidenticalfrequencyhoppingwhenthereafterbythemixerIFoutput,aftertheoutputafterenvelopedetectionvalueisrelativelylarge,theenvelopedetectoraccordingtotheoutputcurrentfrequencyslotjudgmentnoddingfrequencytransceiversidejumpisthesame,thesameas"1",arenotthesameas"0".Finally,ahoppingsequencecycleverdicttoaccumulatestatistics,controlofthesearchresultsbasedonstatisticalcountinginstruction.Iftheoutputofthecounterexceedsapredeterminedthresholdvalueisconsideredsuccessfulcaptureintotrackingstatus;iflessthanthethreshold,thenthatlocalfrequencysynthesizerfrequencyhoppinglawisinconsistentwiththesender.Bythesearchcommandtothelocalphaseshifthoppingsequence,thephaseshiftisusually1/2frequencyslot,thenacorrelationoperationhoppingcycleuntilcaptureissuccessful.1.3PerformancecomparisonThecomplexityofthestructureofthesystem,andfromFigure1,thematchedfiltermethodrequiresLmadefromthemixing,filtering,detectionandfinalizationjudgmentofthecompositionoftherelevantbranch,andtheslidingcorrelationmethodisonlyrelatedtoasamebranchsystemstructuresimple,itisalsothecase,slidingcorrelationmethodhasbeenwidelyused.Intheanti-jammingperformance,sincetheyareallonahoppingcycleaccumulationresultscapturethecorrelationdetectionjudgment,sothesamehoppingsequencecyclelength,matchedfilteringmethodandtheslidingcorrelationmethodifweadoptthesamedecisionthreshold,thentheanti-interferenceidentical,havethehighestlevelofinterference.Lethoppingsequencecyclelengthis,thefrequencyhoppingslot(chip)lengthoftime,thematchedfilteringmethodandtheslidingcorrelationmethodundertheconditionsofnointerferenceexpectedacquisitiontimeiscalculatedasfollows.Matchedfilteringmethodinthek-thfrequencyslottocompletethesynchronizationcaptureprobabilitiesare:（1）Capturingtimeexpectations:（2）Slidingcorrelationmethodinthek-thfrequencyslottocompletethesynchronizationcaptureprobabilitiesare:（3）Capturingtimeexpectations:（4）Slidingcorrelationmethodinthek-thfrequencyslottocompletethesynchronizationcaptureprobabilityisseenfromtheaboveresultsfromtheexpectedcapturetimespeaking,matchedfilteringmethodis,slidingcorrelationmethod,matchedfilteringmethodsuperior.2Improvedmethodsandperformanceanalysis2.1QuickoutsstylecapturemethodThealgorithmfirstwithintheM-band-gapresultsmadeoutinaccordancewithrelevantjudgments.Ifthedecisionwasastandardtableunsynchronized,thecurrentstateoflocalfastouthoppingsequence,aphase-slipandthenre-startthelocalcorrelationwiththereceivedsignalfrequencyhopping,accumulationandoutjudgment;otherwise,withtheslidingcorrelationmethod,thecorrelationresultswithinacyclejudgmentcapturesuccess.ActfasttocaptureoutgoingtypesystemblockdiagramshowninFigure2.Figure2Quickoutsstylecaptureassaysystemdiagram2.2PerformanceAnalysis2.2.1SystemcomplexityActquicklycapturedbytheoutgoingtypesystemblockdiagramshowsthatthemethodisverysimplesystemstructure.Comparedwiththeslidingcorrelationmethod,inadditiontosearchcontrolcenterhasincreasedthecomplexityofthecontrollogic,theonlyadditionofadecisionmoduleout.2.2CapturetimeexpectationsInnointerferenceexists,fastout-stylecapturemethodtocapturethek-thfrequencyslotprobabilityofsuccessis:（5）WhereinMisoutparameter.Expectedtimeofcapturingtimeis:（6）Bytheformula(6)canbeseen,thereisnointerferencewhenthecapturetimealgorithmslidingcorrelationmethodisfarlessthanexpected.WhenM=1,thatisbasedoncaptureofafrequencyorphase-outofthecurrentsentenceandthecapturetimematchedfiltermethodexpectedtocapturethesametimeexpectedtoachievethedesiredminimumvalueoftherelevantcapturetime.2.2.3ImmunityImmunitymainlyforerrorcapturerateanddraincatchrates,andquickout-stylecapturemethodisbasedontheideaofquickexitout,comparedwiththeslidingcorrelationmethod,withoutincreasingthecaptureratebymistake,sojuststudytheleakagecapturerate.Hereforacontinuoussingle-frequencyinterference,whilethereissingle-frequencyinterference,andthisinterferenceprobabilitydistributioninthecaseoftheL-bandgapstudy.Assumingafrequencyslot,thereisatargetsignalamplitudeitsco-channelinterferenceamplitude,andphaseanglebetweenin[0,]uniformdistribution,thentheandthesynthesissignalamplitudeexpressionis:（7）Aftertherelevantsetcanbedetectedbythejudgmentthresholdlevelis,thenif,resultinginmissedfrequency,atthistimeare:（8）Eachfrequencyslotinterferenceoccursprobabilityof,sothattheprobabilityofmissedeachfrequencygapis:（9）Ifahoppingcyclethanthebandgapismissed,theleakagewillcausethesystemtocapture,thesystemcapturestheprobabilityofleakage:（10）Where:representsthenumberofcombinations;representstheth.Quickexitslideslidingcorrelationmethodwiththeclassicalmethodcomparedtothejudgmentmaybemistakenbytheoutgoingleakoutandcausecapture,therebyintroducingasmallprobabilityofundetectedincrements.Ruleouttheconsecutiveuncaught,thisincrementislessthanthetotalnumberofundetectedfrequencyslot,andthenumberofconsecutivemissedfrequencyslotisgreaterthanorequalprobabilityrelated.Foreaseofanalysis,therangeislimitedto.Continuousfrequencyslotundetectedandonly,thetotalnumberislessthanfrequencyslotundetectedprobability:（11）Continuousfrequencyslotundetectedandonly,thetotalnumberislessthanfrequencyslotundetectedprobability:（12）Eveniftherehappenstobenolessthanthesuccessivefrequencyinterferencethatismissed,alsoneedthesefrequenciesfallintherulingoutintervaltocausethesystemtocaptureleakage,so?Onlythepresenceofsuccessivemissed,thesystemcapturestheprobabilityofleakageis;Onlythepresenceofconsecutivemissedthesystemcapturestheprobabilityofleakageis.Slidingoutquicklycapturemethodthantheclassicslidingcorrelationmethodtocapturetheleakagecaptureprobabilityincrementis（13）Where:representsthenumberofconsecutivemissedfrequencyslot;representsthetotalnumberofundetectedfrequencyslot.3Computersimulations3.1ImprovedmethodsandperformancecomparedtoclassicalmethodsIntheabsenceofinterferenceconditions,removeBureauparameter,frequency-hoppingsequencelengthfrom8to256caseswhenthevalueofthesimulation,matchedfilteringmethod,theslidingcorrelationmethodandthemethodofthreekindsofslidingoutquicklycapturemethodthecapturetimeexpectedcontrastcurve.Slidingoutquicklyslidingcorrelationmethodwiththeclassicalmethod,itsavesalotofcapturetime,whenthe,thedesiredacquisitiontimeisapproximately20%oftheclassicslidingmethod.4ParametervalueisselectedoutQuickexitparametertoselectthetimeofthecaptureexpectationsandimmunitytwofactorstoconsider.istoosmallwillleadpoorimmunity,istoolargewillleadtoimprovedresults(capturedinshorteningthetime)isnotobvious.Eveninrelativelypoorcommunicationenvironments,forexample,30%oftheinterferencefrequencyistheprobabilityofmisseddetectionandfrequencyupto10%ofcases,takingcanbeguaranteedwithoutincreasingtheleakageofthebasicpremiseoftheprobabilityofcapturesavealotofcapturetime.Afterseveralsimulationexperiments,whentakenoutparameteraround,youcanensurethatthesystemhasthehighestle