混合扩频系统的同步研究

摘 要1第一章 绪 论21.1 扩频通信系统发展概述21.2混合扩频的介绍和现状21.3 扩频通信的特点3第二章 扩频通信系统的理论基础52.1 扩频通信的主要性能指标62.2 扩频系统的分类和介绍62.2 .1直接序列扩频72.2.2 跳频102.2.3 FHDS混合扩频系统122.3 扩频系统的性能比较142.3.1 直序列扩频系统的性能142.3.2跳频扩频系统的性能142.3.3混合跳扩频系统的性能152.4扩频系统的同步152.4.1同步不确定性的来源152.4.2 直扩同步的方法152.4.3 跳频同步的方法17第三章 DS/FH扩频系统的同步研究203.1 基于PMF-FFT的直扩同步203.1.1 PMF-FFT 的结构203.1.2 捕获性能分析213.2 基于部分监测的跳频同步223.2.1 跳频同步方法223.2.2 同步性能分析243.3 DS/FH 混合扩频同步方案283.4 本章小结30第四章 结束语30摘 要 现有扩频体制系统一般采用直接序列扩频(DS)体制，但随着电子对抗技术的发展和对系统性能要求的提高，直接序列扩频(DS)体制日益不能满足人们的要求。直接序列扩频系统具有扩频增益受限、远近效应严重、抗窄带干扰和对准式干扰能力差等缺点，在实战背景下很容易受到敌方的干扰。为此，在现有体制的基础上，进一步提高抗干扰、抗截获和抗摧毁能力，采用性能更强的混合扩频(FH/DS)体制已经成为一种趋势。 直接序列扩频/跳频（DS/FH)混合扩频是一种抗干扰性能极强的扩频通信体制，在现代军事通信和电子对抗中有着非常重要的意义。本文主要研究了 DS/FH 混合扩频系统的同步技术和一种适合高速 DS/FH 系统的快速同步方法。 论文首先介绍了扩展频谱技术理论基础,阐述了直接序列扩频系统、跳频扩频系统和FH/DS混合扩频系统的原理和数学模型,并对三种系统的优缺点进行对比，论证了混合扩频系统相比单一的直扩系统或跳频系统在“三抗”效能方面的优势。然后介绍了直接序列扩频和跳频 同步的一些方法以及它们的优缺点。 文章分析了多种因素对同步捕获的影响。这些都可以为 DS/FH 系统的设计提供一定参考。 其次研究了部分匹配滤波(Partial Matched Filtering, PMF)结合快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform, FFT)的直接序列扩频同步捕获方法，对该方法进行了理论分析和仿真，并且研究了各个参数对捕获性能的影响，对系统的具体实现做了一些讨论。 然后研究了一种改进的跳频同步方法，部分监测同步法。通过理论分析和仿真说明，部分监测可以通过合理选择监测的频点数来达到抗干扰性能、捕获时间和系统资源消耗的平衡。 最后，基于所提出和讨论的直扩和跳频同步捕获方法，提出了一种适用于高速 DS/FH 混合扩频系统的快速同步方法。该方法利用时变的同步信道来传输同步信息，接收端在短时间内快速捕获并接收到同步信息，从而达到同步。此方法可以在不降低系统抗干扰性能的前提下达到快速同步，并且较容易实现。 关键词：混合扩频，DS/FH，同步第一章 绪 论1.1 扩频通信系统发展概述 扩频通信(spread spectrum communication)是近期快速发展起来的一种通信技术。早期研究这种技术的主要目的是为了在军事通信中提高保密和抗干扰的性能。在20世纪50 年代中期，美国就开始了对扩频通信的研究，当时主要侧重在空间探测、卫星侦察和军用通信等方面。随后随着民用通信频带的拥挤日益严重，又由于近代微电子技术、信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的快速发展，扩频通信有关的器件成本大大降低，从而进一步推动了扩频通信在民用领域的发展应用，而且也使扩频通信的理论和技术也得到了进一步的发展。目前在军事上扩频通信已广泛应用于各种战略和战术通信的系统中，成为电子战中反干扰的一种重要的手段。GPS和GLONASS在民用上也都得到了广泛的应用，这些系统的技术基础就是扩频技术。将扩频的码分多址技术应用于蜂窝移动通信中时，可以明显降低噪声和衰落的影响，还可以避免复杂的频率分配和时隙划分等技术上的困难，并省去了保护频带或时隙，极大地提高了蜂窝通信系统中小区的频率复用度。 扩频技术由于其本身所备的优良性能得到了广泛应用，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，在这两个领域应用最多的扩频方式是跳频系统与直扩系统。一般而言，跳频系统主要是在军事通信中对抗干扰，在卫星通信中用于通信保密，而直扩系统则主要是一种民用技术。在本世纪内，扩频技术将得到更为广泛的应用。 从扩频技术发展的历史可以看出，巨大的需求推动了每一次技术上的大发展。军事通信抗干扰的驱动以及个人通信业务的驱动使得扩频技术的抗干扰性能和码分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未来，第四代移动通信系统(4G)的驱动无疑会使扩频技术传输高速数据的能力得到更大的拓展。1.2混合扩频的介绍和现状 扩频通信的两种主要方式是直接序列扩频(DSSS)和跳频扩频(FSSS)。直接序列扩频是将PN 序列直接与比特信息流相乘来进行调制的，而跳频扩频是用PN 序列生成不断跳变的频率来调制信号的。在电子对抗中，随着信号检测和干扰技术的不断发展，对抗干扰性能的要求也不断提高。对于直接序列扩频而言，由于硬件条件的限制，其伪随机序列的长度总是有限的，因此抗干扰的性能也受限。尽管扩频后带宽可以很宽，但如今的电子干扰机依旧可以对其进行有效的干扰，而且直接序列扩频更为害怕的是频率与其中心频率相同的窄带瞄准式干扰。另外，直接序列扩频的接收机具有明显的远近效应，即距离接收机较近的信号会对远端的信号产生抑制。为此需要在系统中加入自动功率控制，这又进一步增加了直扩系统的复杂性。跳频通信是通过频率的不断跳变来躲避干扰的，因此没有远近效应的问题。但由于跳频的发射信号功率是大于噪声功率的，因此容易被截获，同时也容易受到多频干扰和跟踪式干扰的威胁。为解决这些问题，研究人员开展了大量的研究工作。其中，FH/DS混合扩频技术得到了广泛的关注。 混合扩频(FH/DS)技术就是在直接序列扩频的基础上增加载波跳变的功能，它综合了两种方式的优点，是国内外公认最有生命力的抗干扰通信技术，也是目前研究较多的扩频抗干扰技术，大大提高了系统的“三抗”能力。在FH/DS混合扩频信号中，跳频的特性消除了“远近效应”，削弱了瞄准式干扰的影响；直扩的特性可以获得更大的扩频增益和较高的测距精度。因此，FH/DS混合扩频技术具有广阔的应用前景。混合扩频技术在提供优良胜能的同时，大大增加同步方案设计和实现的难度，要求同步方案能同时进行跳频同步和直扩同步。目前针对直接序列扩频系统和跳频扩频系统的伪码捕获方法很多，但是考虑将直接序列扩频和跳频扩频伪码捕获方式结合，并且要实现系统指标要求的同步时间，还有较大的技术难度。需要在捕获方法、所需信噪比方面进行深入分析与研究，优化同步方式。本课题着重研究FH/DS混合扩频系统的接收机信号同步方案设计和实现。接收机信号同步技术作为FH/DS混合扩频导航系统的关键技术之一，具有重要的研究价值。1.3 扩频通信的特点 扩频通信有许多窄带通信所不具备的优点，在军事和民用领域都得到了广泛的应用。扩频通信的特点主要有以下几点： （1）可以实现频率重用，也就是码分多址，提高频带的利用率。在窄带通信中，通过频段的划分可以避免不同无线电系统之间的干扰。但是随着需求的增长，无线频谱资源在如今已经十分拥挤。采用扩频通信的方法，在分配了不同的扩频码后，所有的接收机和发射机可以使用相同的工作频率，也可以与其他通信系统共享相同的频率资源。 （2）抗干扰性强，误码率低。扩频通信会占据很大的带宽，在接收端采用相关扩频码来解扩，保留了有用信号，滤除了绝大部分干扰和噪声，因此系统输出端有很高的信噪比，抗干扰性能强。扩频通信可以在信号被噪声淹没的情况下，将信号提取出来。对于单频及多频都有比较强的抑制作用，即使采用同类型的信号干扰，也由于扩频码序列之间的不相关性，干扰不起太大作用。（3）隐蔽性好，不容易被截获。通过周期很长的伪随机码的调制，扩频信号的频谱被展宽，功率谱密度很低，信号被湮没在了噪声中，不容易被发现，信号参数也不容易被检测出，提高了系统的保密性能。此外，扩频信号对其他各种通信系统的干扰都很小。第二章 扩频通信系统的理论基础 扩频通信是一种信息的传输方式，它的信号占有的频带宽度比所传信息必需的最小带宽大很多。频带的扩展和所传信息数据无关，它借助一个独立的码序列完成，并用编码和调制的方式实现。用相同的码序列在接收端进行同步接收、解扩，恢复所传的信息数据。扩频系统比常规的通信系统有更好的抗窄带干扰、人为干扰、多径干扰的能力，这些是以香农定律为理论基础的： (2-1)式中：C信道容量，b/s；B信道带宽，Hz；S信号功率，W；N噪声功率，W。香农公式描述了在信道中无差错传输信息的能力和信道中的信噪比以及传输信息带宽之间的关系。对于任意给定的信噪比S/N，只要传输信息的带宽B足够大，就可以速率C在该信道中无差错地传输信息；另一方面,当信道的信噪比S/N下降时，增加信号传输带宽B的办法来保证信息传输率速C。扩频技术利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息的信号带宽，达到在低信噪比条件下保证正常传输信号的目的,甚至在信号被噪声淹没的情况下，只要传输信号的带宽足够大,也可以保证可靠的通信。 扩频系统的原理方框图如图2-1所示。在发射端，待发射的数据信号与扩频码相乘，形成复合码。复合码的速率与扩频码速率相当,远远高于数据速率，完成频谱的扩展。由复合码对载波进行调制，通常采用相移键控方式调制。然后由发射机和天线将扩频信号发射出去。在接收端，产生一个和发射端扩频码同步的本地扩频码。本地扩频码对本地载波进行调制后，在混频器与接收到的扩频信号混频。混频过程中,同步的本地扩频码和接收到的扩频码相乘抵消，实现了频谱的压缩,即解扩;同时，本地载波将接收到的信号下变频，经过中频滤波器滤波后，得到中频信号。中频信号中只包含数据信息和中频载波。由解调器将数据信息解调出来,就在接收端还原了发射端发射的数据。 图2-1 扩展频谱通信系统模型2.1 扩频通信的主要性能指标 处理增益和抗干扰容限是扩频通信系统的两个重要性能指标。 1. 处理增益 在扩频系统中, 传输信号在扩频和解扩的处理过程中, 扩展频谱系统的抗干扰性能得到提高, 这种扩频处理得到的好处，就称之为扩频系统的处理增益, 其定义为接收相关处理器输出与输入信噪比的比值, 即频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽W之比：GWDF （2-2） 接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为DF的信息，而排除掉宽频带W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。 2. 抗干扰容限 抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为： M = G (S/N)out + Ls （2-3）其中：M -抗干扰容限，G -处理增益 ，(SN)out -信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 ，Ls -接收系统的工作损耗 。2.2 扩频系统的分类和介绍 按照扩展频谱的方式不同，现有的扩频系统主要包括以下四种：(1)直接序列扩频 (2)跳频扩频 (3)跳时扩频 (4)线性调频扩频。此外，还可以将以上四种扩频方式中的两种或多种结合起来，构成混合扩频系统，如 FH/DS 混合扩频、FH/TH 混合扩频、DS/TH 混合扩频等。 现有扩频体制的无线电导航系统采用的都是直接序列扩频体制，直接序列扩频系统存在抗单频和窄带干扰能力差，远近效应严重，抗多径衰落能力有限等缺点。这些缺点恰好是跳频方式所能解决的。在直接序列扩频的基础上增加跳频的工作方式，不仅可以克服直接序列扩频的缺点，还能引入跳频扩频的优点，使系统的抗干扰、抗截获和抗摧毁能力大大增强。2.2 .1直接序列扩频 2.2.1.1 直接序列扩频系统的组成 图 2-2为直扩系统的组成原理框图。由信源输出的信号a(t)是码元持续时间为Ta的信息流，伪随机码产生器产生的伪随机码为c(t)，每一伪随机码码元宽度或切普宽度为Tc。 图 2-2直扩系统组成框图 (a) 发射 (b) 接收 2.2.1.2 直扩系统的信号分析 信号源产生的信号a(t)为信息流，码元速率Ra， 码元宽度Ta，Ta1Ra，则a(t)为 (2-4)式中: 为信息码, 以概率P取1和以概率1P取1，即 (2-5）为门函数，定义为， （2-6）伪随机序列产生器产生的伪随机序列c(t)，速率为RC，切谱宽度为TC，TC1RC. （2-7）为伪随机码码元，取值1或1，为门函数。扩展的序列d(t）为 （2-8） （2-9）采用PSK调制，调制后得到的信号s(t)为 （2-10） 接收端天线上感应的信号经高放的选择放大和混频后，得到包括以下几部分的信号：有用信号、信道噪声、干扰信号和其它网的扩频信号等，即收到的信号（经混频后）为 （2-11） 接收端的伪随机码产生器产生的伪随机序列与发端产生的伪随机序列相同，但起始时间或初始相位可能不同，为c(t)。解扩的过程与扩频过程相同，用本地的伪随机序列c(t)与接收到的信号相乘，相乘后为 （2-12） 若本地产生的伪随机序列与发端产生的伪随机序列c（t）同步时，有c（t）（t），则c（t）（t）1。这样，信号分量为 （2-13） 后面所接滤波器的频带正好能让信号通过，可以进入解调器进行解调，将有用信号解调出来。 对噪声分量、干扰分II(t)和不同网干扰，经解扩处理后，被大大削弱。分量，一般为高斯带限白噪声，因而用(t)处理后，谱密度基本不变（略有降低），但相对带宽改变，因而噪声功率降低。分量，是人为干扰引起的，这些干扰可以是第一章中描述的干扰中的一种或多种。由于与伪随机码不相关，因此，相乘过程相当于频谱扩展过程，将干扰信号功率分散到一很宽的频带上，谱密度降低，相乘器后接的滤波器的频带只能让有用信号通过，这样，能够进入到解调器输入端的干扰功率只能是与信号频带相同的那一部分。解扩前后的频带相差甚大，因而解扩后干扰功率大大降低，提高了解调器输入端的信干比，从而提高了系统抗干扰的能力。至于不同网的信号，由于不同网，所用的扩频序列也就不同，这样对于不同网的扩频信号而言，相当于再次扩展，从而降低了不网信号的干扰。 图 2-3扩频系统波形图 图 2-4 扩频系统频谱示意图 图 2-5 Rc()波形图 图 2-6干扰功率谱变化（a) 扩展前 (b) 扩展后 2.2.2 跳频2.2.2.1跳频系统的组成 跳频系统的组成如图2-7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干解调, 因而调制方式多用 FSK、ASK等可进行非相干解调的调制方式。 图 2-7 跳频系统组成框图 2.2.2.2 跳频系统的信号分析 设信源产生的信号a(t)为双极性数字信号， 则 （2-14）式中: 为信息码， 取值1或1。Ta为信息码元宽度。 （2-15）调制采用PSK调制。由频率合成器产生的频率为， 在（i1）ThtiTh内的取值为频率集f1、f2，fN中的一个频率，由伪随机码确定，Th为每一频率（每一跳）的持续时间或驻留时间。这样，用a(t)去调制频率合成器产生的频率，可得射频信号的为 （2-14）跳频接收机原理框图如下：图2-8 跳频接收机原理框图接收端收到的信号为 （2-15）信号分量，噪声分量，为高斯白噪声，干扰信号分量，不同网的跳频信号。 接收端频率合成器产生的频率受与发端相同的伪随机码产生器的控制，产生的频率为接收频率合成器产生的频率集中的一个 在混频器中，接收到的信号与本振相乘，可得 （2-16） （2-17） 收发两端的频率合成器产生的频率受相同的伪随机码的控制，控制方式相同，两伪随机码的初始相位相同（同步），则有ij。这样，收端频率合成器产生的频率正好比发端的频率高出一个中频（也可低一个中频），经混频，取下边带，就可得信号分量 （2-18）滤波 （2-19） 固定中频信号，与非跳频系统送入解调器的信号是相同的，经解调后，可恢复出传送的信息a(t)，从而完成信息的传输。 跳频系统的处理增益为射频带宽与信息带宽之比，即 (2-20) 图 2-8 跳频系统频谱图 (a) 频率合成器频谱图 (b) 跳频信号频谱图图 2-9 跳频图案2.2.3 FHDS混合扩频系统 跳频和直扩系统都具有很强的抗干扰能力，是用得最多的两种扩频技术。 由前面的分析可知，这两种方式都有自己的独到之处，但也存在着各自的不足，将两者有机地结合起来, 可以大大改善系统性能，提高抗干扰能力。 FHDS和FH、DS一样，是用得最多的扩频方式之一，其原理如图2-10所示。 图 2-10 FHDS信号频谱图 需要发送的信号首先被伪随机码I扩频，然后去调制由伪随机码控制的频率合成器产生的跳变频率，被放大后发送出去。 接收端首先进行解跳，得到一固定中频的直扩信号，然后进行解扩，送至解调器，将传送的信号恢复出来。 在这里用了两个伪随机码，一个用于直扩，一个用于控制频率合成器。 一般用于直扩的伪随机码的速率比用于跳频的伪随机码的速率要高得多。 FHDS信号频谱如图2-11所示。 图 2-11 FH/DS信号频谱 采用FHDS混合扩频技术，有利于提高系统的抗干扰性能。 干扰机要有效地干扰FHDS混合扩频系统，需要同时满足两个条件: a.干扰频率要跟上跳变频率的变化; b.干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限。 否则, 就不能对系统构成威胁。这样，就加大了干扰机的干扰难度，从而达到更有效地抗干扰的目的。 混合系统的处理增益为直扩和跳频的处理增益的乘积，即 (2-21) 或 （2-22）式中: B DS为直扩信号带宽; BS为信号带宽; N为跳频的可用频道数。 2.3 扩频系统的性能比较 2.3.1 直序列扩频系统的性能 直扩系统的优点有： 1.强抗干扰能力。在直扩系统中，信号通过相关接收，对有用信号扩频的过程中同时也对干扰信号进行了扩频，这就使干扰信号的功率大大降低，从很大意义上提高了信号的干比，同时对系统的抗干扰能力进行了又一次加强。 2.抗多径干扰。直扩系统的抗多径干扰能力在前文中也有提到，多径信号伴随正常信号一起被接收端接收，PN 码本身存在很好的相关特性，如果信号的时延超过一个码元长度，则相关后的输出非常之低，利用这个特性，可以对多径干扰加以消除。 3.抗选择性衰落性能良好。经过直扩处理后的信号在频域频谱宽度非常宽，因此少量的衰落对整体的影响可以忽略。 4.有多址能力。组网可以通过不同的 PN 码来实现，因此很大程度上提高了组网能力，频谱利用率高。 直扩系统也有缺点，表现在： 1.捕获时间长。信号的捕获时间与扩频伪码的长度成正比，当扩频伪码码长度较长时，捕获的时间会很长，以至于不能满足整个系统的要求。 2.远近效应严重。 3.处理增益有限。 2.3.2跳频扩频系统的性能 跳频系统有许多优点，表现在： 1.捕获较快。相对于直扩系统来说，快跳频系统所使用的伪随机码速率较低，所以同步要求较低，因此短时间内可以完成信号的捕获。 2.无远近效应； 3.可以有效的解决多径干扰； 4.在频率选择性衰落有良好的表现； 跳频系统也同样有着其自身的缺点，表现在： 1.由于跳频信号的频谱密度较高，比较容易被发现，隐蔽性不够。 2.对于抗频干扰无能为力； 3.由于受到硬件条件限制，频率发生器的速度也收到一定程度的限制； 4.在系统中无法使用相干解调。 2.3.3混合跳扩频系统的性能 通过比较直序列扩频系统和跳频扩频系统的性能可以发现，直序列扩频系统与跳频扩频系统具有互补性。如果在一个系统中同时融入了直扩和跳频技术，那么整个系统的抗干扰能力必然更上一个台阶。 2.4扩频系统的同步2.4.1同步不确定性的来源 1. 频率源的漂移一般通信系统中所用的频率并不像我们希望的那样稳定，它们对频率不确定的影响是不能忽略的。 在扩频系统中，频率不确定性的其它结果也是显而易见的。 频率源频率的漂移，将引起码元时钟速率的偏移，积累为码相位的偏移; 频率源频率的漂移，还会引起载波频率的漂移，使系统性能下降。 2. 电波传播的时延 同步不确定的主要来源是那些与时间和频率有关的因素。 如果接收机能够精确地知道通信距离和发射时间，发射机和接收机都具有足够准确的频率源，它们就能得到所需的定时，就没有同步问题了，但这些假设本身就只是一种假设。 3. 多卜勒频移 在发射机和接收机中使用精确的频率源，可以去掉大部分码速率、 相位和载频的不确定性，但不能完全克服由于多卜勒频移引起的载波和码速率的偏移。 随着移动式发射机接收机的每一次相对位置的改变,就会引起码相位的变化。 加到接收信号上的多卜勒频率不确定的大小是接收机和发射机相对速率及发射频率的函数。 4. 多径效应 多径是在传输过程中由于多路径(反射、 折射)传播引起的。多径效应对系统的影响主要是引起码相位、载波频率相位延迟，造成同步的不确定性。 由于传播时延和多普勒频移等因素，信号在传输过程中产生相位上的误差和频率上的偏移，使得接收端难以正常接收到信号。同步系统的作用就是解决上述两种不确定性。捕获和跟踪是接收端系统中两个同样重要的部分。 2.4.2 直扩同步的方法 直扩同步主要解决各个因素带来的 PN 码相位的误差，以及载波频率的偏移。其同步过程包含了对频率和相位的二维过程。任何通信系统的同步过程都分为初始同步和跟踪。 1.初始同步，就是捕获过程。捕获过程主要解决由收发端距离不确定，晶振不一致以及收发相位不同引起的相位不确定性，和多普勒效应引起的频率不确定性。当同步过程完成，系统可以根据已经获得的信息，来保持目前的同步状态，使系统能够长时间稳定的工作，这是因为系统在一般情况下，接收端都不会有或者只有少量的先验信息，所以系统无法根据先验信息来确定同步时间。捕获过程的基本要求是，相位误差小于一个码元长度。 2.跟踪，或称精同步。在初始已达成同步的情况下，由于系统的因素，以及飞行器飞行带来的一些不确定因素，可能会造成码相位的抖动，如果该抖动超过了允许的范围，则需要跟踪系统对码相位进行校准，否则会造成系统失步。 直扩系统的同步有以下几种: (1) 伪随机码同步。 (2) 位同步。 (3) 帧同步。 (4) 载波同步。 直扩系统的捕获方法很多，按照不同的分类方式可以划分为串行、并行捕获，时域、频域捕获，其中常用的有如下几种： 1. 滑动相干法 在收发两端，通过对系统时钟的设置，使接收端本地 PN 码和发射端 PN 码序列发生器的速率有一定的差值，这样会使得收发端 PN 码序列的相位有一个相对滑动的过程，此方法也是因此而得名，然后本地和接收到的 PN 码进行相关。当本地和发射端 PN 码相位一致时，相关累加器输出的相关峰最大，初始同步完成。但是当伪码周期过长的时候，该方法的捕获时间难以满足要求。 2.序列匹配滤波器法 匹配滤波器可以预置一个码字序列在其中，当接收到的码字和预置的码字达到匹配时，相关峰输出达到最大值。直扩信号的捕获就是通过这个原理完成的。此方法可以实现快速同步，但是面对长码的快速捕获还是不能满足要求。 3.发射参考信号法(独立信道法) 在此方法中，发射机同时发射扩频信号和同步信号。接收端通过提取发端发出的同步信息来完成系统的同步。此方法的优点很明显，系统设计简单，避免了资源的大量消耗。但是缺点是同步信息容易被干扰。 4.通用定时法 此方法需要一个及其准确稳定的时钟作为整个系统的基准。收发端系统的所有时钟都通过这个基准来校准，从而达到收发端的同步。但是由于信号传输会带来时延，并且飞行器处于高速运行状态，信号从发端到收端时间总是不同步的，即使时延十分微小，对于精度要求较高的系统来说还是会造成不小的影响。该方法对跟踪系统的要求较高，主要应用于 GPS 等卫星通信领域。 5.突发同步(或同步字头法) 发射端通过发送一组特殊的短码序列，携带同步信息供接收端提取，快速建立同步，该同步信息被称为“同步头”。此方法的有点是同步速度快，但这种方法对同步头的依赖性很强，敌方只需要捕获或者干扰信号的同步头，就可以达到破坏对方正常通信的目的。 2.4.3 跳频同步的方法 跳频系统中的同步一般有以下几种: (1) 载波同步。 (2) 跳频图案的同步。 (3) 信息码同步。 (4) 帧同步。 跳频同步完成的关键是接收站必须能够解调出相关的同步信息，此处需要获得的跳频信息主要是指在某一时刻的跳频频点，和该频点所对应存储器的地址码。和直扩同步相同，在跳频同步中仍然有很多方法可以采用，但是具体需要使用哪种方法必须根据具体情况来决定，同步方法可以分为如下几类： 1.独立信道法。首先对跳频同步信息进行封装，然后开设一个专用的频率通道，用来传输此同步信息。此方法的优点是，一次能够传输大亮的同步信息，这样能有利于提高同步建立的速度，并且能保持系统同步的连续性；其缺点是信道频率固定，因此同步信息易被发现和干扰，保密性和安全性不够，并且设备复杂。 2.参考时钟法。该方法对组网中的所有节点分配一个 TOD(公共时钟基准)，该组网可以直接接入。TOD 越稳定，则跳频速率可以设置的更高，同步时间也更快，适用于快跳频系统中。该方法多用GPS同步系统中。 3.同步字头法。和独立信道法类似，同样对跳频同步信息进行封装，只不过，将封装好的同步信息至于有用信号的前端，一次发送，接收端按照同步头来建立同步。此方法的优点是搜索快，易实现，在跳频序列很长的情况下又要求很快的同步速度时显得非常有优势；其缺点和独立信道法一样，所所以使用该方法时要尽量提高同步头的隐蔽和抗干扰性能。 4.自同步法。该方法是在一个跳频周期中的不同频点中，穿插加入跳频信息，在接收端通过解码来获取其同步信息。该方法的优点很明显，因为与同步字头法相比，其取消了同步头这一部分，因而在传输信息时可以携带更多的有用信息，信息利用率高，在有效控制系统复杂度的情况下提高了同步信息的抗干扰能力；但是其缺点也非常显著，同步时间过长使得其不能适用在快跳频系统中。自同步发可以保证同步信息的安全性和隐蔽性，但是初始同步速度过慢；同步字头发能够在短时间能完成初始同步，但是同步信息危险性较高，容易被干扰。在实际的系统中往往是用几种方法的结合，以达到最佳效果。 第三章 DS/FH扩频系统的同步研究 我们将直接序列扩频和跳频技术相结合形成的混合扩频系统的抗干扰能力和保密性更强，更难被干扰和截获。然而，信号检测和干扰技术也在不断的发展，在保密性要求极高的场合，对系统的安全性和可靠性一直有着很高的要求。对于跳扩频系统的干扰主要有跟踪式干扰和转发式干扰，对 DS/FH 系统而言，最有效的对抗这些干扰的方法是提高系统的扩频增益和跳频速率。 DS/FH 系统一般还采用超长周期的跳频伪随机码以便增加截获的难度，即采用近乎无规律的跳频。可以看出，直扩和跳频伪随机序列的长度越长，跳频速率越快，系统同步难度越大。另外，在复杂的电磁环境中，存在着衰落、噪声和各种人为干扰以及多普勒频移，这些因素都给 DS/FH 系统的同步带来了困难。 DS/FH 系统的同步必须在可实现的前提下同时具备较强的抗干扰能力和较快的同步建立速度。DS/FH 系统同时包含了直接序列扩频和跳频两种扩频方式，所以DS/FH 混合扩频的同步包括直扩同步和跳频同步。直扩同步是指直扩码的相位一致以及载波频率一致，而跳频同步指的是收发端跳频序列相同，跳频图案相同，跳变的起止时刻也相同。 要给出 DS/FH 混合扩频的总体方案，就必须首先确定直扩同步和跳频同步的方法。上一章中已对这两个问题予以了讨论，这一章我们研究一种DS/FH混合扩频同步的方案。 3.1 基于PMF-FFT的直扩同步 直扩同步需要解决收发端直扩码的对齐和载波频率的一致的问题。在 DS/FH 系统中常常存在较大的载波频偏，会这会导致相关峰值出现较大的衰减，造成捕获的失败。在直扩同步时，有必要在对齐直扩伪码的同时对载波频偏做出估计，以便对本地载波进行粗调整。因此，直扩的同步包括了在时域上对伪码和频域上对载波频偏的二维搜索。 DS/FH 系统变频后的信号可看成是被载波频偏调制后的信号，可以对其做 FFT进行分析以得到载波频偏并捕获扩频码。这样，就把时域和频域二维的搜索转换成了对时域的一维搜索，大大减少了同步时间。3.1.1 PMF-FFT 的结构 如果直接做 FFT，采样点数太多，可以采取部分匹配滤波的方法，将部分数据进行相关运算，然后对相关运算后的结果作FFT变换。PMF-FFT的结构如图3-1所示。 图3-1 PMF-FFT 结构图 r (t)依次进入P 个级联的相关器，在每个相关器中，只有r (t)和本地扩频码调制后的载波 y (t)的一部分进行相关运算。当一个伪码周期的采样点数为M时 ，则每个相关器的长度为X =M/P。对P 个部分的相关结果进行N 点FFT运算，当直扩伪码对齐时，FFT结果将会在某个通道出现峰值。通过峰值检测就可以得到相应的载波频偏并进行频率补偿。 3.1.2 捕获性能分析 第n个PMF 的输出为： （3-1）其中为伪码相位延迟，X 为 PMF 的长度，为载波频偏，为采样间隔时间。 令当伪码对齐时，=0，有： （3-2）其N点离散FFT变换为： （3-3）其中，k为FFT 的通道序数。其归一化幅值为：（3-4）取N个通道中的最大值即为 PMF-FFT 峰值输出。由(3-4)式可知，当，即时，归一化幅值取得最大值。此时的通道序数k 即反应了载波频偏的大小，可以估计出载波频偏：，是系统的速据率。各个通道的输出分别反应了在不同的频率补偿下获得的相关峰值。输出值最大的表明补偿得最好，相应的频率就离实际的载波频偏更接近。注意到随着载波频偏的增大，输出的峰值逐渐减小。PMF的数量P 影响载波频偏的分析范围，而FFT点数N影响载波频偏的分析精度。PMF-FFT的频率检测范围为，而检测精度为.由于部分相关带来的损失，实际的频率检测范围设为f/4，增加PMF数量可以在降低检测精度的同时增大检测范围，而增加FFT点数可以提高检测精度。在 P =8,16,32，N = P时 PMF-FFT 的归一化输出曲线如图 3-2所示。可以看到，随着P的增加，系统输出的3dB带宽变宽，可以捕获到更大的载波频偏。此时N 随P 一起增加，所以检测精度没有下降。 图 3-2 PMF-FFT 输出和 PMF 数量的关系 从图3-2可以看到，当载波频偏处在相邻两个FFT通道对应的频率之间时，输出会有较大的损失，因为这时检测精度不够，相邻两个通道都不能很好地对其做出补偿。通过增加FFT 点数，即补零的方法，可以提高分析精度，降低损失。 采用 PMF-FFT 的直扩捕获方法，可以在较大频偏范围内工作，并可以对频偏做出有效估计，使进一步提高跳速，获得更强的抗干扰与抗截获能力成为可能。 3.2 基于部分监测的跳频同步3.2.1 跳频同步方法 跳频同步要解决的问题是收发端跳频序列和跳变起止时刻的同步，跳变起止时刻的同步又是其中的关键。对于高速的 DS/FH 系统，为了增强抗截获性能，经常会采取超长周期的伪随机跳频码，并且前后频点会出现重复和交叠，在高动态环境下常常难以分辨，这些都导致自同步法实现的困难。因此，只能结合外同步的方法，又因为外同步法抗干扰性能较低，因此需要采取措施加强外同步法的抗干扰性能。 本文研究的 DS/FH 系统同步方法基于同步字头的思想，在正式通信之前，通过发送同步字头来达到同步。由本地密钥(PK)和时间信息(TOD)共同产生时变的同步跳频伪随机序列，发送端在相应的同步频率上发送同步信息，接收端捕获并接收到同步信息后，收发端达到同步。本节研究了在同步信道上使用部分监测法的快速捕获同步信息的跳频同步方法。在 DS/FH 系统中，不一定需要非常强的抗干扰性能。可以在满足抗干扰性能的前提下，减少匹配滤波通路的数量，只用一定数量的频点来进行同步信息的捕获。根据此想法提出的同步系统原理如图3-3所示。接收端在所有同步频点中随机选择M 个频点，这些频点在跳频图案上连续，然后设置对应的M条匹配滤波通路。每一条匹配滤波通路对该通路上的直扩信号进行PMF-FFT的解直扩运算并检测各PMF-FFT的输出，如果超过门限则认为成功捕获到了该频率。将各通路的检测结果经过相应的延时相加，在一个同步跳频周期内，如果捕获的频点数超过门限，则认为捕获到了同步信号。接收端立即将匹配滤波通路调整到下M个频点，进行同步验证。如果在一个同步周期内，总捕获到的同步信号频点数超过了门限，则认为是捕获成功。接收端将本地载波调整到与发送端一致，开始接收同步信息。对同步的验证过程不仅是为了减少虚同步的概率，而且是为了对各个频点上的频偏做出估计。这里没有对所有的L个同步频点设置匹配滤波通路，只是选了M个同步频点来进行监测，因此称为部分监测法。 图3-3 部分监测同步原理图 接收端在捕获到同步信号并对载波频偏做出调整，进入跟踪状态后，就可以开始接收同步信息。接收端在未取得信道同步前，每经过一个同步跳频周期，就在可能的同步频点上切换以对抗部分信道干扰，进一步提高抗干扰性能。 3.2.2 同步性能分析 下面分析在无法确定干扰的具体形式、分布和强度等的情况下，部分监测法的同步性能。由于各个同步频点在整个DS/FH 系统带宽内宽间隔随机分布，可以假设L个同步频点等概率地受到概率为的干扰。并设某个频点被干扰后，出现漏警和虚警的概率分别为和。干扰的强度对p 和有不同的影响。设判决门限为 H (0 H=M)，也就是说在一个同步跳频周期内，成功检测到的频点数大于等于H 刚认为捕获成功，否则认为捕获失败。在M个监测频点中，有k个同时被干扰的概率为，其中为二项式系数。同步信号到来时漏捕获的概率和没有同步信号时误捕获的概率分别为： （3-5）当 M = L时，部分监测等效为全匹配滤波同步，此时有 （3-6） （3-7）当M=1时，部分监测等效为慢速扫描同步，此时有 ， 部分监测和慢速扫描在捕获到同步信号后要扫描所有的频点进行同步验证，实际可以获得和匹配滤波法一样的误捕获率。但是，要付出一定的同步验证时间作为代价。如果发生了误捕获并且同步信号恰好在验证时到来，那么同步捕获的时间将比在正常情况下有所延长。 考虑判决门限H的选取。可以看出，漏捕获率随H增大而增加，误捕获率随H增大而减少，这两者存在着矛盾关系。在同步频点数L=32，干扰概率为0.5，监测频点数为M=8，=0.25,=0.5 的情况下，同步漏捕获率和误捕获率与H的关系如下图3-4所示。具体如何选择H 要看实际需求，如果考虑相对于漏捕获，干扰对误捕获的影响更大，那么可以取大一些的H值。 图3-4同步漏捕获率和误捕获率与判决门限的关系 在没有干扰的情况下，系统可以在同步信号第一次到来时就捕获成功。这里的捕获成功指的是接收端和发送端在同步信道上达到同步，完成了同步验证和频偏估计等过程，可以开始接收同步信息。系统在第k个频隙捕获成功的概率为： （3-8）平均捕获时间为： （3-9） 其中( L -M)是同步验证需要的时间。当 M= L时，部分监测等效为全匹配滤波同步，此时有，；当 M=1时，部分监测等效为慢速扫描同步，此时有： 图3-5描述了无干扰情况下匹配滤波法、部分监测法和慢速扫描法的平均捕获时间E (T)随同步频点数L变化的情况，监测频点数。由于没有干扰，所以捕获时间随L线性增加。可以看出，部分监测法的捕获时间介于匹配滤波法和慢速扫描法之间。这三种同步方法的捕获速度都是比较快的。 图3-5 平均捕获时间与同步频点数的关系 在存在干扰，如果超过一个同步周期还没有捕获到同步信号，则继续在其它同步频点中随机选取M个连续频点数进行捕获，如此重复直到捕获成功。则系统在第k次捕获到同步信号的概率为： （3-10）所用时间为： （3-11）则平均捕获时间为： （3-12） 将相应的和代入(3-12)就可以得到在存在干扰匹配滤波法、部分监测法和慢速扫描法的平均捕获时间。 在存在干扰，部分监测法的平均捕获时间 E (T)、单频点漏警概率为和干扰几率之间的关系如图3-6所示。图中同时画出了匹配滤波法和慢速扫描法的对应曲线。其中同步频点数 L=32，监测频点数M=8，判决门限 H=5。和的增大都将导致同步漏捕获率的增加。可以看出，慢速扫描法的平均捕获时间最长，几乎随和线性增加。匹配滤波法的平均捕获时间最短，随和增加的很小，这是因为其抗干扰性能很强的缘故。部分监测法的平均捕获时间处于中间，其随和增加得比匹配滤波法稍快，比慢速扫描法要慢。可以看出，部分监测法在大幅降低系统资源消耗的情况下，依然保持了良好的捕获速度和抗干扰性能。 图3-6 a) 平均捕获时间与单频点漏警概率的关系 图3-6 b) 平均捕获时间与干扰几率的关系 综上所述，部分监测法相对于慢速扫描法来说，增加了一些资源资源消耗，但在抗干扰性能和捕获速度上获得了明显的提升。与匹配滤波法相比，它又大幅降低了系统资源消耗，性能虽有所下降但仍然能够很好地满足需求。所以，部分监测法为慢速扫描和匹配滤波的折中，可以通过合理地选择监测频点的数量M，在捕获时间、抗干扰性能和系统复杂度上达到平衡。 图3-7 监测频点数对同步性能的影响 最后考虑监测频点数M 的选取。图 3-7给出了同步频点数 L=32，干扰几率0.5，单频点漏警概率=0.25 ，虚警概率=0.5 ，判决门限 H =0.5M的情况下漏捕获率、误捕获率和平均捕获时间 E (T)随监测频点数M变化的曲线。可以看出，随着M 的增加，同步漏捕获率和误捕获率都会降低，平均捕获时间减少。 如果系统没有最长平均捕获时间、最大漏捕获率、最大误捕获率或最大监测频点数的限制，那么可以看出，监测频点数为 78 个左右可以达到最优。 3.3 DS/FH 混合扩频同步方案 综合以上的直扩和跳频同步方法，本文描述了完整的高速 DS/FH 混合扩频系统同步方案。系统基于同步字头来达到同步，也就是发送端在发送数据前先发送同步信息，接收端捕获到此同步信息后，将跳频伪码调整到与发送端精确一致以达到同步。同步信息的传送是在特定的同步信道上进行的，而同步信道会根据TOD不断变化。系统在初始化时就确定了数据的跳频图案和原始密钥PK。收发两端内部各有一个时钟，发送端和接收端根据此时钟产生的TOD信息和原始密钥PK计算出一个L位的跳频伪随机序列，并由此产生L个非重复的同步频点。L的选取原则要综合考虑需求和实现问题。取得太小会使得同步信道的抗干扰性变差，整个系统的可靠性将会大打折扣。但也不能取得太大，这样不利于宽间隔跳频，对抗干扰性能没有提升还会增加同步时间，而且L越大实现难度也越大。发送端在这L个同步频点上发送同步信息，同步信息包括用于判断帧头的前导序列、发送端的TOD信息和数据跳频起始时刻等。同步信息一般不能在一个频隙间隔内传送完毕，因此要用多个频隙来传送。设一路同步信息分为m个片段，需要占用m个频隙，假设m能被L整除。为了增强同步系统的抗干扰能力，本系统在L个信道上重复传送 n=L/m次相同的同步信息，每次传送所占用的频隙完全不同，并且对同步信息进行加密和纠错编码。只要不出现某个同步信息片段所在的所有频点同时被干扰且无法通过纠错码来恢复的情况，接收端就能接收到完整的同步信息。 图 3-8 同步信息在同步信道中的传送方式 接收端的同步过程如图3-9所示。首先调整本地频率合成器使之在选定的频点上等待，再进行PMF-FFT的直扩捕获。若在一个同步跳频周期内未捕获到有效信号，则更新等待频点。如果捕获到同步信号，则启动直扩跟踪，进入验证阶段，同时进行频偏估计等工作。如果验证失败则更新等待频点，重新尝试捕获。如果通过验证，则启动跳频跟踪，同时解调并接收同步信息。同步跳频序列使用非重复跳频序列，并采用宽间隔跳频来增强抗干扰性、减小捕获的难度。而信息跳频序列采用超长周期的重复跳频来提高序列的保密性能。接收到同步信息之后，接收端对本地TOD进行微调，发送同步跳频负脉冲，控制频率合成器在约定时刻开始跳频，进行正常的数据通信。 图3-9 接收端同步过程 3.4 本章小结 本章主要针对高速 DS/FH 混合扩频系统的同步技术进行了研究。首先研究了基于 PMF-FFT 的直扩并行捕获算法，将时域和频域的二维搜索转化为时域的一维搜索。对 PMF-FFT 的性质做了分析，并研究了各个参数对捕获性能的影响，为实际系统的设计提供了参考。其次，研究了DS/FH 混合扩频系统中的跳频同步的一种改进跳频同步方法，并对其性能做了理论分析和仿真。部分监测法的原理是对跳频图案中的部分频点进行等待捕获，与性能最强的匹配滤波法比，在降低有限性能的情况下，大幅减少了系统的资源消耗，并且可以通过监测频点数量的选取及判决门限的设定对系统的各项性能做出调整。最后，综合提出了高速 DS/FH 系统的同步方法。此方法利用TOD不断改变同步信道，在同步信道上传送同步信息。接收端利用上面提到的直扩和跳频同步方法来捕获到此同步信号，在正确接收到同步信息后，就可以达到数据信道的同步。第四章 结束语 本文针对 DS/FH 混合扩频系统的同步技术展开研究，主要完成的工作如下： （1） 首先介绍了扩展频谱技术理论基础，阐述了直接序列扩频系统、跳频扩频系统和FH/DS混合扩频系统的原理和数学模型，并且对三种系统的优缺点进行了对比，论证了混合扩频系统相比单一的直扩系统或跳频系统在“三抗”效能方面更有优势。然后介绍了直接序列扩频和跳频同步的一些方法以及它们的优缺点。 （2）研究了基于 PMF-FFT 的直接序列扩频频域并行捕获方法，并对该方法进行了理论分析和仿真，然后分析了各个参数对系统性能的影响，对系统的具体实现做了一定讨论。 （3）研究了一种改进的跳频捕获方法，部分监测法。通过理论分析和仿真证明，此方法可以通过合理选择监测频点数来达到捕获时间、抗干扰性能和系统资源消耗之间的平衡。 （4）基于所讨论的直扩和跳频同步捕获方法，提出了一种适合高速 DS/FH 混合扩频系统的同步方法。该方法利用在时变同步信道上传输同步信息，接收端可以在短时间内快速捕获并接收到同步信息，达到同步。此方法可以在不降低系统抗干扰性能的前提下，实现快速同步且比较容易实现。 参考文献1 曾兴雯,刘乃安,孙献璞。扩展频谱通信及其多址技术M.西安:西安电子科技大学出版社,2004,157-179 2 赵瀛洲。高动态 DS/FH 混合扩频通信关键技术研究及FPGA设计硕士论文. 西安:西安电子科技大学硕士学位论文，2010. 3 陈静。DS/FH 混合扩频测控信号同步及抗干扰研究硕士论文. 西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2009. 4 张辉,曹丽娜. 现代通信原理与技术M. 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