高速跳频电台的快速同步技术研究

所需积分/C币:32 2018-10-26 21:51:36 2.22MB PDF
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ABSTRACT The principle of frequency-hopped(FH) communication is introduced in the paper. The paper mainly deals with synchronization technique and a high-speed FH radio has been acquired. According to the requests of the radio, an overall plan of design system, including the design of physical layer and communication. between physical layer and link layer, is proposed. The content of the physical layer is to find the scheme of initial synchronization and late service synchronization available for the high-speed FH radio. FH synchronization is set up using the method combining synchronization head with time of day(TOD). The content of the communication. between physical layer and link layer includes that types of information exchanged two dSP, content of control frame and time slot of e xchanging information. Structure of Multi-frame is proposed nd made for realizing initial synchronization and late service synchronization and adjusting synchronization. Based on the scheme designed and demonstrated, FH synchronization and communication. between physical layer and link layer are achieved by programming in TMS320C5509A. The first high-speed FH radio is come true and its time of initial synchronization is 0.06S, synchronization capture probability is over 98% Key words: High-speed FH Communication FH Synchronization TOD Late Synchronization Service Synchronization 独创性(或创新性)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,论文中不 包含其他人已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 的任何贡献均已在文中作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:h H期:2v6.元.S 关于论文使用授权的说明 本人完亢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2年解密后适用本授权书 本人签名:2 日期:2006·~S 导师签名:全 日期:20b,戈, 第一章绪论 第一章绪论 §1.1跳频通信技术概述 1.1.1干扰、抗干扰 人类社会进入到了信息社会,通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标 志。怎样在恶劣的环境条件下保证通信有效地、准确地、迅速地进行,是摆在当 今通信工作者面前的一大课题。然而,在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗 干扰问题。很明显,随着通信事业的发展,各类通信网的建立,使得有限的频率 资源更加拥挤,相互之间的干扰更为严重,如何防止和降低这种通信相互之间的 干扰,成为一大难题。我们知道在通信中遇到的干扰分为两类:人为干扰和非人 为干扰。人为干扰是意在对敌方的通信实施干扰,达到破坏对方通信之目的,是 种故意干扰。而非人为干扰,是一种非故意千扰,大多来自自然界的干扰,如 天电干扰、噪声等,这些千扰都是客观存在的,非故意的。出于非人为干扰是客 观存在的,对其只能是削弱(如滤波、自适应均衡等),不能消除。对人为于扰 可以消除或削弱。削弱或破坏敌方通信系统的使用效能和保护己方通信系统发挥 正常效能而采取的措施和行动,称为通信对抗。在通信中,要对抗的是那些故意 人为千扰:单频干扰,窄带干扰,跟踪式干扰,转发式干扰,带宽全频段干扰等。 在通信对抗中,干扰和抗千扰总是对立出现的,一方要尽力破坏对方的有效 通信,而另一方则要尽力摆脱对方的干扰保障自己通信畅通无阻。干扰和抗干扰 技术就在这种对抗中得到发展并提高。图1.1.1显示出通信对抗的发展过程12 于扰信号 抗T扰方法 单频下扰|——抗扰措施一一「改变频率 反抗干扰搭施 T扰机改变频率{一抗扰措施一再次改变蜘率 反抗·扰措施 跟踪式下扰]2一抗干扰措施 跳频 反抗干扰措施 转发式千扰一抗千扰措施→ 高速跳,多网 抗下扰搭沲 反抗干扰措施 宽常干扰 高速跳频电台的快速l步技术研究 图1.1.1通信对抗的发展过程 目前采用的抗干扰技术主要有:扩展频谱技术,开发强方向性的毫米波频段, 加密技术,天线零相技术,分集技术等 1.1.2跳频通信技术 跳频通信系统,又称FH( Frequency-Hopped)系统,是载波频率按某种跳频 码在很宽频带范围内跳变的通信系统跳频通信系统的基本组成如图1.1.2所示。 信源调制 带通 滤波器|解调 取样接收信号 判决 频率 频率 合成器 合成器 门限 跳频码 跳频码 逻辑 发生器 发生器 控制 图1.1.2跳频通信系统的基本组成 跳频通信系统主要由跳频码发生器、能对跳频码发生器响应的频率合成器和 逻辑控制组成。逻辑控制是对系统冋步、频率合成器和跳频码发生器等的控制, 它是整个跳频通信系统的核心控制部分。 用信源产生的信息流去调制由频率合成器产生的载频,频率合成器产生的载 频受伪随机码的控制,按一定的规律跳变。在接收方,接收到的信号与干扰经高 放滤波后送至混频器,接收机本振信号是和发送方按照同样规律跳变的信号,两 个频率合成器产生的频率相对应,但对应的频率有一固定的频差,即发射机和接 收机的中频差,只要收发双发的伪随机码同步,就可使收发双发的载频同步,经 过解调后就可恢复出发送的信息。可见,跳频是采用躲避的方式消除或减弱干扰 的 一般跳频系统可根据跳频速率划分为快跳频(FFH),中速跳频(MFH)和慢 跳频(SFH),有两种划分方式4,第一种是将跳速R和信息速率Rn相比较来 划分,如果跳频速率大于信息速率,即R,>Rn,为快速跳频;反之,R<R。,为慢 速跳频。另外一种划分方式是以跳频速率来划分: SFH:跳速R介于10~100hs; MFH:跳速R介于100~500hs; FFH:跳速R大于500h/s; 跳频速率的高低直接反映跳频系统的性能,跳频越高抗干扰的性能越好,复杂程 第一章绪论 度和成本也不同 传统跳频是按跳频序列发生器产生的跳频图案遍历跳频频率集中的每一个频 点,也不管此频点是否已被干扰,故我们把这种跳频的方式称为盲跳频或者常规 跳频。显然在该跳频方式下,当再次使用那些曾经用过但传输不成功的频率点时, 数据传输失败的概率很大,自适应跳频是一种建立在信道质量分析基础上的一种 频率自适应和功率自适应控制相结合技术。它能使跳频通信过程自动避开被干扰 的跳频频点,并以最小的发射功率、最低的被截获概率,达到在无干扰的跳频信 道上长时间保持优质通信的目的。 与传统的通信方式相比,跳频通信系统具有如下的主要特点 l)抗干扰能力强。 跳频通信抗干扰的机理是这样的:发送方的载频受伪随机码的控制,不断地、 随杋地改变,躲避干扰。在接收方,用与发方相同的伪随杋码控制本地频率合成 器产生的频率,使之与发方的载频同步跳变,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,经接收方接收后,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目的。抗干扰 性强是跳频通信最为突出的优点。 2)具有多址组网能力。 利用跳频序列的正交性,可构成跳频码分多址系统,共享频谱资源。在通信 网中,采用不同的跳频序列作为地址码,发送方可根据接收方的地址码选择通信 对象 3)具有抗衰落能力。 载波频率的快速跳变,具有频率分集的作用,只要跳变的频率间隔大于衰落 信道的相关带宽,并且跳频驻留时间(时隙宽度)又很短的话,跳频通信系统就 具有抗衰落的能力。 4)具有兼容性 对于跳频通信而言,兼容的含义是指一个跳频通信系统可以与一个不跳频的 窄带通信系统在定频上建立通信。显而易见,兼容的好处在于,先进的跳频电台 可与常规的定频电台互通。这在跳频电台的研制上比较容易实现。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。即使部分载波频率被截获, 由于跳频码的伪随机性,敌方也无法预测跳频电台将要跳变到哪一频率。 由于跳频通信的上述特点,跳频通信越来越受到人们关注,随着DSP技术的 发展和软件无线电( Software radio)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。 扃速跳频电台的快速问步技术研究 §1.2高速跳频电台 由于跳频通信具有很强的抗于扰能力,所以跳频电台的研制成为各国研制的 热点,特别是高速跳频电台。本论文的项目来源就是军用的超短波高速跳频电台。 本人参与了此跳频通信系统的研制,包括信号处理,跳频同步方案设计与实现, 与数据链路层的接口、指令交换等。 实现跳频通信要解决三个关键技术问题:频率合成、跳频同步和地址编码(跳 频码设计)。保证跳频通信系统正常工作的关键技术之一是使收发双方能够实现并 保持同步的技术。跳频同步建立的快慢,同步系统的抗于扰能力,直接影响着跳 频系统的性能。跳频冋步的实现是跳频通信的难点。当跳频速率和数据传输速率 同时提高时,此难点体现得尤为明显,也正是本文要研究和解决的问题。 §1.3所做工作和章节安排 本人在此项目研制开发过程中所做的主要工作有: ●跳频快速同步方案的设计 物理层电路板和电台的调试 ●连续相位调制的 MATLAB仿真及实现 用DSP汇编语言编制软件实现了电台的包括跳频同步控制在内的物 理层的全套程序 ●物理层与数据链路层之间的接口、指令和数据交换 为该跳频电台实现了三个重要功能:跳频快速同步、话音/数据通信功能、物 理层和与数据链路层之间的通信。 全文各章节的内容安排如下 第二章介绍了跳频通信的理论基础和连续相位调制,根据跳频电台的主要技 术指标要求,着重讨论该跳频系统的物理层设计和与数据链路层的通信方案。 第三章首先介绍了跳频同步的概念和必要性,然后着重讨论了高速跳频初始 同步方案,迟入网勤务同步方案。主要研究了同步频率与时间信息TOD的关系 和用DSP实现跳频同步的收发端流程。 第四章对跳频通信系统的同步性能和抗干扰性能进行了简要分析。 第二章扁速跳频也台系统设计 第二章高速跳频电台系统设计 §2.1跳频通信的理论基础 2.1.1 Shannon定理 扩展频谱(简称扩频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。 这样处理后的信号被发送出去后,接收方通过相应的处理过程获得原始信息。这 种技术所带来的好处可以用著名的香农( Shannon)定理来加以解释。 香农定理0:在高斯白噪声于扰条件下,通信系统的信道容量C)与信号带宽 (B)、信号平均功率S)及噪声功率(N之间满足以下公式 C=Blog, 1+ (bit/s) 这一定理的告诉我们:在给定B、SN下,高斯信道无差错传输信息的最大速率 为C。而要维持同样大小的信道容量C,可以通过调整信号的带宽B及S/N来达 到,即信道容量可以通过带宽与信噪比的互换而保持不变。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速率以任意小的差错概率来传输信 息。同时,这一理论进一步指出了提高通信系统抗干扰能力的途径—增加信号 的传输带宽(B)。 跳频通信是扩频通信的一种,所以香农定理同样是跳频通信的理论基础。 2.1.2跳频系统的模型 如第一章的图2.1.1所示的跳频通信系统1,我们把它简化成如图2.1.1的 跳频系统的数学模型来分析,以便更好地理解跳频通信系统。 s(o U() W()「带通 n 滤波器 解调 十扰J(2) cOs(Or+)噪声n()cs(’t+) 图2.1.1跳频通信系统的数学模型 扃速跳频电台的快速冋步技术研究 m(t)是信息数据信号,可以是模拟信号也可以是数字信号。出频率合成器 产生的频率为f f∈U/,,…fM (2-1-2) 即f在(-1)T≤1<闭内的取值为频率集[1,2,…,]中的一个频率出伪随机 码确定,T为每一频率(每一跳)的持续时间或驻留时间或跳频周期。出频率f,对 应的载波为co(+9),和是(-1)≤t<j时间间隔的频率信息和相位 信息,它是时间t的函数。这样跳频系统的发射信号可写为 s()=m()cs()+中) (2-1-3) 发射信号在信道中与其它用户信号S;(t)、于扰J()以及噪声n(t)组合后,跳频 系统的接收方接收到的信号为 (t)=>m, (t)cos(@ t+Pi)+J()+n(t) (2-1-4) 式中,K是在同一带宽信道中,同时发射信号的跳频发射机数,又称同时多用户 数。和是第个发射机在(-1)Tst<门时间间隔发射信号的频率和初始相 位。J(址)是来自外部的干扰,n()是高斯白噪声。接收机要接收第1个发射机发 送的信息信号m1(t),使用本地载波为: p",) 去解调。解调得到的信号为 w(t)=m,(t)cos(o, t+pi). cos(ali t+o1) ∑m()cos(an【+向)cos(o1+p +J()·cos(o,t+p) n(t).cos( 如果在(-1)≤【<闭时间间隔,通信系统的接收方的本地载波oO1;与第1发射 机发送来的频率a,正好满足: a1-o,;=△a(接收方的中频) (2-1-7) 那么,式(2-16)的第一项可变为 W1(t)=m1()cos(△ot+△y) (2-1-8)

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    liangweichao88 非常感谢,学习了!
    2019-02-26
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    wangxinyu671115 材料还不错
    2019-01-06
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