（電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)論文）短波相關(guān)跳頻通信系統(tǒng)研究與fpga實(shí)現(xiàn).pdf

中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 目錄 a bs t r a c t s h o r t - w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v ea l li m p o r t a n tp l a c ei nt h em i l i t a r y s t r a t e g i cc o m m u n i c a t i o n sa n dt a c t i c a lc o m m u n i c a t i o n s b e c a u s ei t sl o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s y s t e me q u i p m e n t ，l o wc o s t ，m a t u r et e c h n o l o g ya n de a s i l y d e v e l o p m e n ta n ds oo n t h i sp a p e rm a i n l ys t u d yt h ea l g o r i t h m so fs h o r t w a v e r e l e v a n t e df r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dr e a l i z i n go ft h i s s y s t e m sb a s e do nf p g a p a p e r sc o n t e n th a v et h es t u d yo fs h o r t w a v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h ei m p r o v e da l g o r i t h m so fr e l e v a n tf r e q u e n c y - h o p p i n g ， t h er e a l i s e do fs y s t e m ss e n d i n ga n dr e c e i v i n ge n d s t h ed e s i g ns i m u l a t i o n p r o v et h er i g h td e s i g no ft h es y s t e m b a s e do nt h es t u d yo ft h ea l g o r i t h m so fr e l e v a n t e df r e q u e n c y - h o p p i n g ，t h i s p a p e rp r o p o s et h ei m p r o v e da l g o r i t h m sw h i c ht h ec u r r e n tf r e q u e n c yd e c i d eb y t h el a s t - f r o n th o p f f e q u e n c y ，i n f o r m a t i o nd a t a ，a n dt h em s e q u e n c e b a s e do nt h e s t u d yo f t h ea l g o r i t h m so fr e l e v a n t e df r e q u e n c y - h o p p i n g ，t h i sp a p e r p r o p o s et h e i m p r o v e da l g o r i t h m sw h i c ht h ec u r r e n tf r e q u e n c yd e c i d eb yt h el a s t f r o n t h o p 。f f e q u e n c y ，i n f o r m a t i o nd a t a ，a n d t h e m s e q u e n c e t h i sp a p e rd e t a i l l y a n a l y s i st h ep r o c e s so f t h ei m p r o v e da l g o r i t h m s ，a n dp r o v ei t sc o r r e c tf r o mt h e t h e o r e t i c a l u s i n gt h em a t l a ba n a l y s i st h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i x e dc o n t r 0 1 p a r a m e t e r so fa l g o r i t h m ，t h ev a r yc o n t r o lp a r a m e t e r so fa l g o r i t h m ，a n dt h e i m p r o v e m e n ta l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g n e dr u l eo fs o f t w a r er a d i oa n d f e a t u r e so ft h es y s t e m ，c a r r yo u tt h ec o m p o s i t i o no ft h es h o r t w a v ei n t e r r e l a t e d f r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e mb a s e do nf p g a ，a n dp r o g r a m et h ep o s i t i v ea n d i n v e r s et r a n s f o r mm o d u l eo fi m p r o v e da l g o r i t h m ，t h eg e n e r a t e dm o d u l eo f s h o r t 。w a v e s i g n a l ，a n d t h e f r e q u e n c y d o m a i nt r a n s f o r ma n df r e q u e n c y r e c o g n i t i o nm o d u l e f o rt h ee x i s t i n gf l a wo fa s y n c h r o n o u sd e m o d u l a t i o n ，t h i s p a p e rp r o p o s ea ni n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o ns c h e m eb a s e do nt i m ed o m a i n c h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s s h o r t w a v e ，c o r r e l a t i o na l g o r i t h m ，f r e q u e n c yh o p p i n g ( h f ) ， s o f t w a r er a d i o ，f i e l d p r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y n 中南大學(xué)碩士學(xué)何論文 第一章緒論 1 1 課題研究背景 第一章緒論 國際無線電咨詢委員會(huì)對(duì)短波的劃分是指波長在1 0 m l o o m ，頻率為3 m h z - 3 0 m h z 的電磁波。短波通信是指利用短波完成的無線電通信，也稱高頻通信。短波作為人類最 早開發(fā)利用的無線電頻段，同時(shí)它也是歷史最為悠久的現(xiàn)代通信手段之一。短波于1 9 2 1 年被發(fā)現(xiàn)于意大利羅馬的一次意外的事故中，當(dāng)時(shí)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)利用它可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離 通信，從此短波通信得到了飛速發(fā)展，迅速成為世界各國中、遠(yuǎn)程通信的主要手段，因 此政府、軍事、外交、氣象、商業(yè)等部門都廣泛采用了短波技術(shù)來完成傳送電話、電報(bào)、 傳真、低速數(shù)據(jù)和語音廣播、圖像等信息的任務(wù)。傳統(tǒng)的長波、中波通信在人們?yōu)榱嗽?加系統(tǒng)容量和業(yè)務(wù)種類，不斷開發(fā)超短波、微波等更高的無線電頻段的時(shí)候，失去了原 先的優(yōu)勢(shì)，如今它們只能在某些特定的場(chǎng)合得到很少的應(yīng)用。然而由于開發(fā)的方便、設(shè) 備簡(jiǎn)單、成本低，特別是具備遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)點(diǎn)，使短波通信技術(shù)始終在通信領(lǐng)域中占 有不可或缺的一席之地【1 11 2 。 短波頻段的傳播方式主要有兩種：一是地波傳播；二是天波傳播。地波傳播的衰耗 隨著工作的頻率的增長而增大，在地面條件同等的條件之下，頻率越高，衰耗越大。天 氣對(duì)地波的傳播影響較小，因此比較穩(wěn)定，它的信道參數(shù)基本不隨時(shí)間的變化而變化， 所以稱為恒參信道t 引。與地波傳播的損耗相比天波傳播的損耗要小得多，在地面與電離 層之間的多次反射后，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的地方，但是電離層變化和多徑傳播嚴(yán)重影響著天 波的傳播，使其極不穩(wěn)定，將這種信道稱為變參信道。天波傳播是短波信道較之其他無 線通信信道最重要的特點(diǎn)。天波不但可以用于遠(yuǎn)距離通信，也可以用于近距離通信?？?以利用高仰角投射的天波來為地形復(fù)雜，短波地波或視距微波受到阻擋而無法到達(dá)的地 區(qū)實(shí)現(xiàn)通信1 4 j 【5 l 。 與其他先進(jìn)的通信技術(shù)如同軸電纜、光纜相比、衛(wèi)星通信、地面微波，短波通信有 著許多優(yōu)點(diǎn)，不需要建立中繼站短波通信就可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的通信，因此它的建設(shè)和維 護(hù)費(fèi)用很低，建設(shè)周期很短；設(shè)備實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，也可以進(jìn)行定點(diǎn)或固定的通信。它也可以 背負(fù)或裝入艦船、車輛、飛行器中完成可移動(dòng)性的通信；電路的調(diào)度容易，臨時(shí)的組網(wǎng) 十分方便和迅速，使用靈活性很強(qiáng)；面對(duì)自然災(zāi)害或戰(zhàn)爭(zhēng)有很強(qiáng)的抗摧毀能力強(qiáng)。短波 通信設(shè)備的體積小，且容易隱蔽，很容易實(shí)現(xiàn)工作頻率的改變來躲避敵人的干擾或竊聽， 破壞后的這種系統(tǒng)容易恢復(fù)。這些都是短波通信系統(tǒng)至今仍然被廣泛應(yīng)用于國際通信、 救災(zāi)救援、民用通信以及軍事通信等領(lǐng)域的重要原因【6 】 7 1i s 】。 中南人學(xué)碩十學(xué)位論文第一章緒論 1 。2 課題研究目的與意義 短波通信存在三個(gè)明顯的缺點(diǎn)一是可供使用的頻段窄、通信的容量小；二是短波的 天波信道是變參信道，信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性差；三是大氣和工業(yè)無線電的噪聲干擾嚴(yán)重。 由于這些問題的存在，不但限制了短波通信技術(shù)的發(fā)展而且也不能很好的滿足人們不斷 增長的對(duì)數(shù)據(jù)通信，特別是高速的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的需求。當(dāng)2 0 世紀(jì)6 0 年代的衛(wèi)星通信 興起的時(shí)候，衛(wèi)星通信具有市場(chǎng)發(fā)展的潛力大，由于使用了數(shù)據(jù)包分發(fā)技術(shù)來提高傳輸 的速度、發(fā)展需求大、具有先進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、能提供i p 視頻流的多點(diǎn)傳送、數(shù)據(jù)的傳 輸性能穩(wěn)定信道穩(wěn)定、可靠性高、通信的質(zhì)量好、且通信的容量大等優(yōu)點(diǎn)，使短波通信 遭受到很嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星通信逐漸代替許多原運(yùn)用短波通信技術(shù)的某些業(yè)務(wù)；使得對(duì) 短波通信技術(shù)的投入銳減，因此短波通信技術(shù)的地位也大為下降。甚至到了7 0 年代后 期，有人開始懷疑短波通信存在的價(jià)值【9 j 。 但是，實(shí)踐證明衛(wèi)星通信的初期建設(shè)費(fèi)用十分高、靈活性卻很有限、在大型的建筑 內(nèi)或山體等物體遮蓋住設(shè)備本身的時(shí)候通信的信號(hào)變無或閃爍不定。曾經(jīng)設(shè)想為取代短 波通信的衛(wèi)星通信，并不能滿足所有的情況下的用戶的需求。事實(shí)上也并不是所有的用 戶都需要這種寬帶線路。更重要的是在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，衛(wèi)星這種通信系統(tǒng)很容易遭到敵方電 磁導(dǎo)彈的攻擊，衛(wèi)星信道是不可能抵御住敵方的電磁干擾的【0 】 h i 。與此相比，短波通 信的成本不但很低，而且容易實(shí)現(xiàn)，它還有電離層這個(gè)天然的不易被“摧毀“的中繼系 統(tǒng)。衛(wèi)星的中繼系統(tǒng)戰(zhàn)時(shí)很可能發(fā)生故障或被摧毀，而電離層這種天然的中繼系統(tǒng)，除 非高空爆炸的原子彈才可能使它中斷工作，更何況高空爆炸的原子彈僅僅是對(duì)有限的電 離層區(qū)域的短暫時(shí)間的影響。 事實(shí)上，從2 0 世紀(jì)7 0 年代末期，8 0 年代初期開始，短波通信技術(shù)又重新開始受 到重視。許多國家加緊對(duì)短波通信技術(shù)的研究與開發(fā)，許多性能優(yōu)良的新型設(shè)備和系統(tǒng) 不停地推出。美軍在1 9 8 0 年修改的綜合戰(zhàn)術(shù)通信計(jì)劃中，將短波通信列為一線的指揮 控制通信的重要手段之一；第二年，美軍又開始實(shí)施了遍及三軍的短波通信的改進(jìn)計(jì)劃； 在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，短波通信設(shè)備被廣泛的應(yīng)用于美軍和法軍等部隊(duì)中，并取得十分突出效 果。近些年來，其他國家的軍隊(duì)，也相繼把短波通信列為重要的通信手段之一，短波通 信又重新煥發(fā)出了青春【1 2 jf 1 3 j 【1 4 】。 1 3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 隨著人類社會(huì)向信息化的不斷演進(jìn)的過程中，通信裝備發(fā)展的必然趨勢(shì)是向著通信 數(shù)字化、通信業(yè)務(wù)綜合化、通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，通信系統(tǒng)建設(shè)的基本要求是使系 統(tǒng)的具有優(yōu)良的兼容性、網(wǎng)絡(luò)互通性、高可靠性、有效性以及強(qiáng)抗毀性【1 5 】。 2 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 3 1 短波通信發(fā)展趨勢(shì) 短波通信作為現(xiàn)代信息系統(tǒng)的主要的技術(shù)手段，一方面實(shí)現(xiàn)由模擬的向數(shù)字的、臺(tái) 站的向網(wǎng)系的、模擬的低速跳頻向數(shù)字的高速跳頻抗干擾體制的轉(zhuǎn)變是裝備體制發(fā)展的 必然。另一方面為改造短波的通信信道和終端設(shè)備不斷地融入電子、信息技術(shù)領(lǐng)域里的 新器件、新工藝、新技術(shù)，來增強(qiáng)信息傳輸?shù)目煽啃院陀行裕惶嵘萍技夹g(shù)的水平， 增強(qiáng)系統(tǒng)和設(shè)備的自動(dòng)化、智能化以及綜合業(yè)務(wù)的能力?，F(xiàn)階段短波通信系統(tǒng)正由第二 代通信裝備向第三代通信裝備的過度。 數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是第三代短波通信的主要技術(shù)特征，其主體或關(guān)鍵技術(shù)主要有；第 三代自動(dòng)鏈路的建立技術(shù)( 3 g a l e ) 、短波組網(wǎng)通信技術(shù)、新型高速短波跳頻技術(shù)等。 3 g - a l e 在技術(shù)上與2 g a l e 的顯著區(qū)別是系統(tǒng)可工作在同步方式，它以第三代短波通 信的標(biāo)準(zhǔn)( 如m i l s t d 1 8 8 1 4 1 b ) 為基礎(chǔ)。在改善自動(dòng)鏈路溝通性能方面取得了重大 的進(jìn)展，主要是因?yàn)樗捎昧笋v留組的結(jié)構(gòu)、呼叫信道的同步搜索、載波監(jiān)聽的訪問協(xié) 議以及8 p s k 的突發(fā)波形傳輸?shù)认冗M(jìn)技術(shù)。3 g a l e 可有效地支持大型通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù) 以百計(jì)的臺(tái)站組成的突發(fā)信息的傳輸( 最多可以容納1 9 2 0 個(gè)站點(diǎn)) ，從而大大提高了電 路的溝通速度，改善高頻網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)容量、自動(dòng)連接以及數(shù)據(jù)流通量等性能，增強(qiáng)了系 統(tǒng)的自適應(yīng)能力【1 6 】【1 7 1 【1 8 】。 現(xiàn)代短波通信系統(tǒng)的重要特征是組網(wǎng)通信技術(shù)和自適應(yīng)技術(shù)。隨著不斷提高的對(duì)短 波通信網(wǎng)的傳輸?shù)乃俣?、網(wǎng)絡(luò)的容量、抗干擾的能力的要求，世界各國相繼開始第三代 數(shù)字化短波通信系統(tǒng)網(wǎng)的研究工作。現(xiàn)階段，國外正在向h f 的全自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用化 而努力。h f 網(wǎng)是一種建立在第三代短波通信基礎(chǔ)上的遠(yuǎn)程的綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)，它可以 作為各級(jí)指揮系統(tǒng)的重要手段，可將軍用的t c p i p 網(wǎng)絡(luò)和軍用的程控電話網(wǎng)覆蓋范圍 拓展到戰(zhàn)場(chǎng)的縱深地，通過短波信道將各移動(dòng)平臺(tái)上的綜合業(yè)務(wù)安全無縫地與軍用的數(shù) 據(jù)網(wǎng)、軍用的電話網(wǎng)和軍用的t c p i p 網(wǎng)絡(luò)相連接。3 g a l e 技術(shù)新一代的短波組網(wǎng)通 信技術(shù)的基礎(chǔ)，它包括自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)控制、h f 管理、以及h f 網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)等【1 9 1 。 無線電通信的電子防御的主要手段是采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。短波的抗干擾主要選擇就 是跳頻技術(shù)。提高跳頻速率是一種增強(qiáng)短波通信的抗干擾性能、抗多徑效應(yīng)、抗衰落能 力的有效途徑。除此之外，寬帶跳頻能夠有效地增加通信的信號(hào)的隱蔽性與抗干擾性。 由于實(shí)時(shí)頻率的自適應(yīng)跳頻采用頻譜分析的處理技術(shù)與跳頻信號(hào)的處理技術(shù)相結(jié)合的 方法，在跳頻通信的過程中通過實(shí)時(shí)頻率自適應(yīng)算法自動(dòng)的探測(cè)和刪除干擾頻點(diǎn)，使其 在無干擾的或者弱干擾的頻率點(diǎn)上進(jìn)行頻率跳變，從而有效克服阻塞性的干擾和多點(diǎn)的 頻點(diǎn)干擾，達(dá)到改善通信系統(tǒng)的質(zhì)量，稱為未來短波通信電臺(tái)的通信抗干擾的優(yōu)選技術(shù) 體制。其中，實(shí)現(xiàn)短波寬帶高速的跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù)是：快速的響應(yīng)信道技術(shù)、快速 的跳頻同步技術(shù)、快速的信道測(cè)量技術(shù)、快速的頻率合成技術(shù)以及寬帶的功放、寬帶天 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 線、寬帶的調(diào)諧技術(shù)以及寬帶的接收技術(shù)等f 2 0 1 2 1 】【2 2 1 。 1 3 2 跳頻技術(shù)研究現(xiàn)狀 跳頻通信作為擴(kuò)頻通信的一個(gè)重要分支，是伴隨著在軍事通信中的應(yīng)用發(fā)展而不斷 發(fā)展起來的。由于短波通信固有的問題，與短波通信在軍事通信領(lǐng)域存在特殊的意義之 間存在著十分突出的矛盾，而解決這些矛盾的主要手段之一便是跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，再有就 是跳頻技術(shù)優(yōu)秀的抗干擾性能。因此，短波跳頻通信技術(shù)在現(xiàn)代軍事通信領(lǐng)域中得到了 迅速的發(fā)展和十分廣泛的應(yīng)用。當(dāng)?shù)谝徊刻l電臺(tái)于2 0 世紀(jì)7 0 年代末問世以后，就預(yù) 示著跳頻技術(shù)的發(fā)展勢(shì)頭將銳不可擋。世界各國的軍隊(duì)在8 0 年代初期就普遍裝備了跳 頻電臺(tái)。這也是跳頻電臺(tái)的發(fā)展速度最快的十年，8 0 年代v h f 頻段的無線電通信發(fā)展 的主要特征便是跳頻電臺(tái)的廣泛使用。到了2 0 世紀(jì)9 0 年代，跳頻通信更是如虎添翼， 在軍用的跳頻通信技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟了，跳頻通信的應(yīng)用領(lǐng)域開始拓寬到民用通信領(lǐng)域 2 3 】。通信業(yè)內(nèi)人士指出，對(duì)抗無線電干擾的有效手段便是跳頻通信，被譽(yù)為無線電通 信的“殺手锏”。正是由于跳頻通信如此的神奇，所以自它問世至今的短短3 0 年間，倍 受世界各國，特別是幾大軍事強(qiáng)國的青睞1 2 4 1 。 跳頻通信技術(shù)的發(fā)展歷程可概括地為：5 0 年代末的理論研究，6 0 年代的研制攻關(guān)， 7 0 年代末的產(chǎn)品問世，8 0 年代的逐步推廣，9 0 年代的廣泛應(yīng)用，2 1 世紀(jì)的快速發(fā)展。 總之，跳頻通信是由電子對(duì)抗而首先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的，同時(shí)也在民用的通信應(yīng)用也越 來越受到人們的密切關(guān)注l 馴。 美國的相關(guān)跳頻增強(qiáng)型無線電臺(tái)簡(jiǎn)稱c h e s s 電臺(tái)，有時(shí)也將它稱為差分跳頻或相 關(guān)跳頻電臺(tái)，該系統(tǒng)以先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及高速的d s p 芯片為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的，它 代表了新一代的短波擴(kuò)頻技術(shù)。c h e s s 系統(tǒng)的跳速為5 0 0 0 h o p s ，其中的2 0 0 跳用于 信道的探測(cè)，4 8 0 0 跳用于數(shù)據(jù)的傳輸，每跳傳輸?shù)臄?shù)據(jù)l b i t 到4 b i t ，數(shù)據(jù)的傳輸速率 為4 8 k s 到1 9 2 k s 。c h e s s 增加跳頻圖案中的冗余度，以4 8 0 0 b s 的速率傳輸數(shù)據(jù)時(shí)， 系統(tǒng)的誤碼率為1x1 0 一。跳頻頻帶的帶寬為2 5 6 m h z ，跳頻的頻點(diǎn)數(shù)為5 1 2 個(gè)，跳頻 的最小頻率的間隔為5 k h z 。美國的國防信息系統(tǒng)局( d i s a ) 鑒定，c h e s s 系統(tǒng)通過 利用相關(guān)快速跳頻技術(shù)獲得了理想的性能，具有無干擾的擴(kuò)頻、頻譜的復(fù)用、減少多徑 的衰落影響以及降低干擾等特性，是目前最先進(jìn)的寬帶快速跳頻的通信系統(tǒng)【2 6 1 。 短波高速跳頻信號(hào)由一系列的單頻脈沖信號(hào)構(gòu)成，可由頻率合成器產(chǎn)生，跳頻圖案 則由相關(guān)跳頻控制算法按照需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的。這種系統(tǒng)全面基于現(xiàn)代的數(shù)字 信號(hào)處理技術(shù)，收端的輸入信號(hào)經(jīng)下變頻和a d 采樣后變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過同步和異 步解跳以及相關(guān)跳頻逆算法后可將該數(shù)字信號(hào)還原成為發(fā)端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，該過程集 載波的解跳、信號(hào)的解調(diào)以及糾錯(cuò)于一體。相關(guān)跳頻算法是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，系統(tǒng)也正 是利用頻點(diǎn)間的相關(guān)性來傳輸信息的【2 7 】。 4 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 由于軍事和政治上的原因，國外公開發(fā)表的關(guān)于相關(guān)跳頻的核心技術(shù)的論文極少。 目前只能夠得到幾篇會(huì)議論文。但是這些文章也沒有披露相關(guān)跳頻系統(tǒng)的技術(shù)細(xì)節(jié)，只 是簡(jiǎn)單的介紹了相關(guān)跳頻的基本模型以及相關(guān)跳頻系統(tǒng)的幀格式和性能參數(shù)。近年來， 國內(nèi)的雜志陸續(xù)發(fā)表了一些關(guān)于研究相關(guān)跳頻系統(tǒng)的文章，他們研究的重點(diǎn)就是相關(guān)跳 頻算法的設(shè)計(jì)，其中最典型的是姚富貴等人在文獻(xiàn) 4 2 i z 面提出的一種簡(jiǎn)單的相關(guān)跳頻 算法設(shè)計(jì)方案，在本文的后面分析中將其稱為方案一。但是由于方案一的設(shè)計(jì)方案不具 備普片性，且產(chǎn)生的跳頻圖案的二維等分布性能和隨機(jī)性能較差，由陳勇等人在文獻(xiàn)f 4 3 】 上提出一種更廣泛性的相關(guān)跳頻設(shè)計(jì)方案，該方案在本文的后面分析中將其稱為方案 二，它通過參數(shù)的選擇來改變跳頻圖案的隨機(jī)性能，但是對(duì)于二維等分布性能的改善效 果的改善卻是不明顯的。 對(duì)于系統(tǒng)的性能有著重要影響的是高速跳頻系統(tǒng)的接收機(jī)的信號(hào)檢測(cè)算法。目前提 出的檢測(cè)算法有直接利用函數(shù)g 的可逆性進(jìn)行解相關(guān)算法、多跳信號(hào)聯(lián)合檢測(cè)算法等。 目前，公認(rèn)的高速跳頻系統(tǒng)的最佳接收機(jī)是用最大似然序列的檢測(cè)算法進(jìn)行高速跳頻信 號(hào)的檢測(cè)，一些文獻(xiàn)對(duì)此做了詳細(xì)分析【2 引。短波高速跳頻系統(tǒng)的抗干擾算法是另一個(gè) 研究重點(diǎn)，也是難點(diǎn)，現(xiàn)在對(duì)于抗干擾算法研究的文章較少，有文獻(xiàn)提出的自適應(yīng)濾波 算法，也有的文獻(xiàn)提出變換域的處理算法是可以借型2 9 1 ，但仍需要進(jìn)一步研究。 總之，短波相關(guān)跳頻系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于采用數(shù)字化的軟件無線電的架構(gòu)， 傳輸?shù)乃俾矢?，抗跟蹤的能力?qiáng)，抗衰落的性能好，有常規(guī)跳頻無法比擬的優(yōu)勢(shì)【3 們。 1 4 本文的主要內(nèi)容 論文主要圍繞短波相關(guān)跳頻技術(shù)的研究與f p g a 實(shí)現(xiàn)展開，主要研究了相關(guān)跳頻 算法、短波跳頻信號(hào)合成、頻域變換與頻率識(shí)別等，提出了相關(guān)跳頻算法的改進(jìn)設(shè)計(jì)方 案、基于時(shí)域特性的干擾抑制方案，并進(jìn)行了理論分析和仿真，證明改進(jìn)方案的正確性。 全文共分為五章，各章主要內(nèi)容如下： 第一章緒論，介紹課題研究的意義和背景，并說明了論文的主要工作。 第二章對(duì)短波跳頻通信技術(shù)的研究。介紹常用短波跳頻技術(shù)的基本原理、系統(tǒng)特點(diǎn) 以及技術(shù)指標(biāo)等。 第三章對(duì)相關(guān)跳頻算法的研究和改進(jìn)?？偨Y(jié)了相關(guān)跳頻算法設(shè)計(jì)的基本原則和常用 方法，提出基于m 序列的相關(guān)跳頻改進(jìn)算法設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)分析改進(jìn)方案，并結(jié)合其 數(shù)學(xué)模型，從理論上證明其正確性，同時(shí)利用m a t l a b 分析比較了三種方案的性能，仿 真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了改進(jìn)方案的正確性。 第四章對(duì)短波相關(guān)跳頻系統(tǒng)的f p g a 實(shí)現(xiàn)。根據(jù)軟件無線電設(shè)計(jì)思想和本系統(tǒng)的 特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)發(fā)射端和接收端總體框架，在i s e 下編程實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)關(guān)鍵模塊：相關(guān) 跳頻改進(jìn)算法的正逆變換、短波跳頻相關(guān)信號(hào)合成、頻域變換與頻率識(shí)別等模塊。并 中南火學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 對(duì)異步解跳技術(shù)提出了改進(jìn)措施，通過m a t l a b 仿真，證明了改進(jìn)措施的可行性和正確 性。 第五章對(duì)完成的工作進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)后續(xù)研究工作提出了一些想法和建議。 6 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章短波跳頻通信技術(shù)研究 第二章短波跳頻通信技術(shù)研究 跳頻擴(kuò)頻( f h s s ，f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a d i n gs p e c t r u m ) 是指系統(tǒng)在收發(fā)兩端協(xié) 調(diào)一致的條件下，定時(shí)改變載波的頻率而完成的通信，將跳頻圖案定義為載波頻率變化 的規(guī)律。由于是偽隨機(jī)碼控制系統(tǒng)工作頻率的變化，故此跳頻通信具備超強(qiáng)的抗監(jiān)聽、 抗截獲以及抗干擾性能。從2 0 世紀(jì)8 0 年代以來，短波跳頻技術(shù)獲得了很大的發(fā)展，先 后經(jīng)歷了常規(guī)跳頻、高速跳頻兩個(gè)重要發(fā)展階段1 3 。 2 1 短波常規(guī)跳頻技術(shù) 短波常規(guī)跳頻通信是在短波通信中使用的最早，型號(hào)與產(chǎn)品最多的一種抗干擾技 術(shù)制式，亦即中低速跳頻通信。它的關(guān)鍵思想是由一個(gè)偽隨機(jī)序列控制傳統(tǒng)的窄帶調(diào)制 信號(hào)載波的頻率進(jìn)行離散的跳變，從而達(dá)到頻譜的擴(kuò)展的擴(kuò)頻方式。 2 1 1 系統(tǒng)基本原理 常規(guī)跳頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2 1 所示。經(jīng)信道編碼和調(diào)制后的信息，進(jìn)入載波調(diào)制， 載波由偽隨機(jī)序列控制頻翠合成器生成的，其值隨偽隨機(jī)序列值的改變而改變，因此， 載波調(diào)制又稱為跳頻調(diào)制?！疤l圖案 是指發(fā)射機(jī)載波跳變的規(guī)律，如圖2 2 所示， 圖中縱軸為頻率，橫軸是時(shí)間，時(shí)頻域是指時(shí)間與頻率組成的平面?？蓪⑦@個(gè)時(shí)頻域視 為一個(gè)棋盤，棋盤格子由橫軸上的時(shí)間段與縱軸上的頻率組成的，它說明了系統(tǒng)在什么 時(shí)間采用什么頻率完成通信，不同頻率對(duì)應(yīng)著不同的時(shí)間，一個(gè)跳頻圖案就是在時(shí)頻域 這個(gè)“棋盤”上的一種布置的方案。將頻率跳變的時(shí)間間隔t h 的倒數(shù)稱為跳頻速率， 簡(jiǎn)稱跳速，用r h 表示1 3 2 】f 3 3 1 。 圖2 1 跳頻通信系統(tǒng)組成框圖 7 中南人學(xué)碩士學(xué)位論文第二章短波跳頻通信技術(shù)研究 圖2 - 2 跳頻圖案 s 發(fā)射機(jī)跳頻圖案 圖2 3 跳頻通信示意圖 系統(tǒng)的收端，將收到的干擾信號(hào)和有效信號(hào)經(jīng)濾波后送至混頻器，收端的本振信號(hào) 同樣為頻率跳變的信號(hào)，收端p n 碼控制其改變的規(guī)律，收發(fā)兩端的p n 碼是相同的， 兩端的頻率合成器產(chǎn)生的頻率相互對(duì)應(yīng)的，兩者的頻率只差一個(gè)中頻值。只要收發(fā)兩方 的p n 碼同步時(shí)，就能夠保證它們的頻率合成器產(chǎn)生的跳變的頻率同步( 即收發(fā)兩端的 跳頻圖案的變化的規(guī)律相同) ，跳頻系統(tǒng)的通信過程如圖2 3 所示，其中t 為時(shí)間，s 為空間，f 為頻率。信號(hào)經(jīng)跳頻解跳后，可得到一個(gè)固定的不變的中頻信號(hào)，將這個(gè)中 頻信號(hào)濾波解調(diào)后，就可以恢復(fù)發(fā)送的信息。對(duì)于干擾信號(hào)而言，由于跳頻頻率的變化 規(guī)律是不知道的，且與本地的頻率合成器產(chǎn)生的頻率不相關(guān)的，因此，不能進(jìn)入混頻器 后的中頻通道，不能對(duì)跳頻系統(tǒng)形成干擾，從而達(dá)到抗干擾的目的【3 3 j 。 常規(guī)跳頻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型如圖2 4 所示。發(fā)送端，輸入的信息碼序列進(jìn)行基帶調(diào)制 得到頻帶的寬度為b m 的調(diào)制信號(hào)m ( o 。頻率合成器由獨(dú)立產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼序列作為跳 頻序列去控制，從而使輸出的頻率以不同的跳頻圖案或指令隨機(jī)的跳變。跳頻信號(hào)s ( d 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 短波跳頻通信技術(shù)研究 由調(diào)制信號(hào)肌( 力對(duì)隨機(jī)載頻進(jìn)行調(diào)制而產(chǎn)生的，可表示為： s i ( t ) = m ( t ) c o s ( c o o + 玎) f + ( 2 一1 ) 式( 2 一1 ) 中a 為跳頻頻率的間隔，c o o + n 。為在n t h t q 2 時(shí)，則有： 州( m 。d ，+ + w 聊) 木 d ( 3 - 1 1 ) ：= ( g ：研) m 。d 多ir 乞l ，+ i 啊( 研) + + 吃：( 肌) n 牛2 2 r m ，o m o d n 考慮到實(shí)際情況以及取模運(yùn)算的緣故，辦l 仰) + + h q 沏) 取值應(yīng)該在集合 0 ，19 o 9 2 l 1 ) 中才有實(shí)際意義。( q l m ) m o d n , , 2 7 和( q z m ) m o d n 2 7 的值總是跳頻集合的第一 個(gè)頻率子集 o ，1 ，n h 2 r - ) 里面，如果辦l ( m ) + + h a l ( m ) 確l ( 聊) + + h q 2 ( m ) ，則通過q l 和q 2 跳變后，系統(tǒng)狀態(tài)停留在不同子集上面，式( 3 - 11 ) 成立。如 j i l l ( 聊) + + h q i 沏) = 辦l ( 朋) + + h q 2 ( m ) ，為證明上式，只需證明： ( 留，m ) m o d ，( g ：m ) m o d ， ( 3 1 2 ) 本文通過反正法，證明式( 3 1 2 ) 即可，假設(shè)式( 3 1 2 ) 等號(hào)左右兩邊相等，設(shè) ( g 。m ) m o d ，= ( g ：m ) m o d ，= 刀 ( 3 1 3 ) 那么應(yīng)該有： g l 聊= n + i 木似r 7 ， ( 3 1 4 ) q 2 m = n + j 棗似， 式( 3 - 1 4 ) 中的力，i ，j 均為正數(shù)，將式( 3 1 4 ) 中上下兩式相減得： ( q l - q 2 ) 聊= ( i - ) 毒似， ( 3 1 5 ) 對(duì)于相同的m 序列，存在而l 沏) + + l ( 聊) = 辦l 沏) + + 辦口2 ( m ) 說明h q 2 ( m ) + + h q l ( m ) 全為0 ，而對(duì)于小于1 0 階的m 序列全0 的長度不能超過9 ，即q 1 q 2 9 。對(duì)于常規(guī)的 相關(guān)跳頻系統(tǒng)的頻點(diǎn)數(shù)n 大于6 4 ，b p h = 2 時(shí)，r = 4 ，n 2 7 是大于9 的，根據(jù)己知條件 m 與互質(zhì)可知m 與n 2 7 也互質(zhì)，m 和n 2 7 的最小公倍數(shù)為r a n 2 7 。式( 3 1 5 ) 跟此結(jié) 2 1 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章相關(guān)跳頻算法設(shè)計(jì) 論互相矛盾，所以式( 3 1 2 ) 成立，從而式( 3 11 ) 也成立。當(dāng)a 為其他值時(shí)候證明方法也 是相似的。 假如取q = o ，1 ，n l ，那么對(duì)應(yīng)的頻率轉(zhuǎn)移函數(shù) ( q m ) m o d n 2 r + h l ( m ) + + 沏) n 勉q m o d n 也將互不相同。由于跳頻系統(tǒng)的頻點(diǎn)取值范圍是從0 到1 的正整數(shù)，因 此初始狀態(tài)為o ，在有限步內(nèi)，系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)移到跳頻頻率集合里面的任意頻點(diǎn)上。如 果初始值為其他值時(shí)，用相同的方法可得同樣的結(jié)論。所以式( 3 8 ) 構(gòu)造的馬爾科夫鏈 是不可約的，且該系統(tǒng)的g 函數(shù)會(huì)利用到頻率集里面的任意一個(gè)頻點(diǎn)。 根據(jù)定理：有限狀態(tài)的非周期不可約的馬爾科夫鏈存在平穩(wěn)分布【4 4 1 。 根據(jù)性質(zhì)1 的分析和上述定理能夠知道，由式( 3 8 ) 構(gòu)建的相關(guān)跳頻g 函數(shù)的狀態(tài) 跳變過程是一個(gè)不可約的馬爾科夫鏈。因?yàn)樗蒼 個(gè)頻點(diǎn)構(gòu)成，且信息符號(hào)是隨機(jī)的， 因此一定存在平穩(wěn)分布，即g 函數(shù)的轉(zhuǎn)移概率矩陣滿足，f 聊p 一叫存在。它的平穩(wěn) 分布 刀，) 可以通過轉(zhuǎn)移概率矩陣求出： i 乃= 互弓 f 塘。 i = o ，1 ，2 ，一1 ) ( 3 一1 6 ) ly 萬= 1 一。葉b ?！苯?、7 【笥。 性質(zhì)2 ：式( 3 8 ) 構(gòu)建的相關(guān)跳頻g 函數(shù)對(duì)應(yīng)的馬爾科夫鏈存在平穩(wěn)分布，且各項(xiàng) 都收斂為l ，即相關(guān)跳頻系統(tǒng)可以平均利用每個(gè)頻點(diǎn)。 證明：假設(shè)式( 3 8 ) 構(gòu)建的g 函數(shù)對(duì)應(yīng)的馬爾科夫鏈的平穩(wěn)分布 哆，) 中含有至少 某一項(xiàng)或多項(xiàng)的值大于其他項(xiàng)的值。令最大值對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)組成集合為s l ，很明顯s l 為非空集合，其他頻點(diǎn)組成的集合為& ，則& 也為非空集合。 由于系統(tǒng)式不可約的馬爾科夫鏈，則不存在子閉集，因此必定存在集合中某個(gè) 元素f 一步跳變到集合s l 中某個(gè)元素k 的路徑?，F(xiàn)以h p b = i 為例，假如信源符號(hào)0 出現(xiàn)的概率為p ( 0 ) ，符號(hào)l 出現(xiàn)的概率為以o = l - p ( o ) 。再假設(shè)另一個(gè)一步跳變到集合 & 中元素k 的元素，下面可分兩步證明： ( 1 ) 元素，屬于集合s l 不妨令符號(hào)0 驅(qū)使& 中的狀態(tài)f 一步跳變到s l 中的狀態(tài)k ，符號(hào)1 驅(qū)使島中狀態(tài) ，一步跳變到s l 中的狀態(tài)k 。那么根據(jù)式( 3 1 6 ) 有： 以= x s p ( o ) 4 - 7 ，p ( 1 ) ( 3 17 ) 而由假設(shè)能夠知道 f k 和萬， 刀七，就有： 巧p ( 0 ) + 7 p ( 1 ) 瓦p ( o ) + n k p ( 1 ) = 以 ( 3 1 8 ) 顯而易見上述兩式矛盾。 ( 2 ) 元素，屬于集合& 不妨令符號(hào)o 驅(qū)使& 中的狀態(tài)f 一步跳變待s l 中的狀態(tài)k ，符號(hào)l 驅(qū)使中的狀 中南大學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章相關(guān)跳頻算法設(shè)計(jì) 態(tài)_ ，一步跳變到s l 中的k 。根據(jù)式( 3 1 6 ) 有： = 乃p ( 0 ) + 乃p ( 1 ) ( 3 - 1 9 ) 同理由假能夠知道刀f 刀七和乃 ) x = 1 4 ：2 9 + c i 4 ：2 9 j - j ： y 2 r o t m d ( f f e ( x ) ) y 。 1 0 e - | _ 0 0 2 c o l u o e n s1t h r o u z h6 3 4 4 0 0 + 3 4 4 0 0 i 一0 9 8 0 0 + 0 ，3 2 0 0 】- 0 2 7 0 0 + 0 1 1 0 0 i - 0 2 0 0 0 + 0 0 4 0 0 i - 0 1 6 0 0 一o 。1 3 0 0 0 0 3 0 0 】- c o l u o m ；, u # 7t h r o x j g hi2 0 1 1 0 0 0 0 5 0 0 i o 1 0 0 0 0 0 6 0 0 i 一0 0 8 0 0 0 0 8 0 0 i 一0 0 6 0 0 0 1 0 0 0 i - 0 0 5 0 0 0 1 1 0 0 i 一0 0 3 0 0 0 1 3 0 0 i c 0 1 u i n e1 3t h r 。u g h1 6 0 0 1 5 0 0 i0 0 0 0 2 0 0 0 i0 1 1 0 0 0 2 7 0 0 i0 ，2 0 0 0 4 8 0 0 i 圖4 1 0m a