[工學(xué)]擴(kuò)展頻譜通信_(tái)7課件

1、2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六章 跳頻的接收與同步系統(tǒng) 6.1、 跳頻信號(hào)的發(fā)送 在傳統(tǒng)的定頻通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)中的主振蕩器的振蕩頻率是固定設(shè)置的，因而它的載波頻率是固定的。為了得到載波頻率是跳變的跳頻信號(hào)，要求主振蕩器的頻率應(yīng)能遵照控制指令而改變。這種產(chǎn)生跳頻信號(hào)的裝置叫跳頻器。通常，跳頻器是由頻率合成器和跳頻指令發(fā)生器構(gòu)成的，如見圖68(a)。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖68 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 圖中，如果將跳頻器看作是主振蕩器，則與傳統(tǒng)的發(fā)信機(jī)沒有區(qū)別。被傳送的信息可以是模擬的或數(shù)字的

2、信號(hào)形式(圖中標(biāo)識(shí)的為信碼入)，經(jīng)過調(diào)制器的調(diào)制，便獲得副載波頻率固定的已調(diào)波信號(hào)，再與頻率合成器輸出的主載波頻率信號(hào)進(jìn)行混頻，其輸出的已調(diào)波信號(hào)的載波頻率達(dá)到射頻通帶的要求，經(jīng)過高通濾波器后饋至天線發(fā)射出去。這就是定頻信號(hào)的發(fā)送過程。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 跳頻系統(tǒng)的頻率合成器輸出什么頻率的載波信號(hào)是受跳頻指令控制的。在時(shí)鐘的作用下，跳頻指令發(fā)生器不斷地發(fā)出控制指令，頻率合成器不斷地改變其輸出載波的頻率。因此，混頻器輸出的已調(diào)波的載波頻率也將隨著指令不斷地跳變，從而經(jīng)高通濾波器和天線發(fā)送出去的就是跳頻信號(hào)。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信

3、息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 跳頻器輸出的跳變的頻率序列，就是跳頻圖案。因此，有什么樣的跳頻指令就會(huì)產(chǎn)生什么樣的跳頻圖案?通常，是利用偽隨機(jī)碼發(fā)生器來產(chǎn)生跳頻指令的，或者由軟件編程來產(chǎn)生跳頻指令。所以，跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器，具體地，是能產(chǎn)生頻譜純度好、切換速度快的頻率合成器和偽隨機(jī)性好的跳頻指令發(fā)生器可組成好的跳頻器。 由跳頻信號(hào)產(chǎn)生的過程可以看出，不論是數(shù)字的或模擬的定頻發(fā)送系統(tǒng)，在原理上，只要加裝上一個(gè)跳頻器就可變成一個(gè)跳頻的發(fā)送系統(tǒng)。但是在實(shí)際系統(tǒng)中尚需考慮信道機(jī)的通帶寬度。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.2.1 跳頻信號(hào)的接收 定頻信

4、號(hào)的接收設(shè)備中，一般都采用超外差式的接收方法，即接收機(jī)本地振蕩器的頻率比所接收的外來信號(hào)的載波頻率相差一個(gè)中頻，經(jīng)過混頻后產(chǎn)生一個(gè)固定的中頻信號(hào)和混頻產(chǎn)生的組合波頻率成分。經(jīng)過中頻帶通濾波器的濾波作用，濾除組合波頻率成分，而使中頻信號(hào)進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)器的輸出就是所要傳送給收端的信息。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 跳頻信號(hào)的接收，其過程與定頻的相似。為了保證混頻后獲得固定的中頻信號(hào)，要求頻率合成器的輸出頻率要比外來信號(hào)高出一個(gè)中頻。因?yàn)橥鈦淼男盘?hào)載波頻率是跳變的，則要求本地頻率合成器輸出的頻率也隨著外來信號(hào)的跳變規(guī)律而跳變，這樣才能通過混頻獲得一個(gè)固定的

5、中頻信號(hào)。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖68 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 圖68(b)給出跳頻信號(hào)接收機(jī)的框圖。圖中的跳頻器產(chǎn)生的跳頻圖案應(yīng)當(dāng)比所要的要高出一個(gè)中頻，并且要求收、發(fā)跳頻完全同步。所以，接收機(jī)中的跳頻器還需受同步指令的控制，以確定其跳頻的起、止時(shí)刻。 可以看出，跳頻器是跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，而跳頻同步則是跳頻系統(tǒng)的核心技術(shù)。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.2.2 正確接收跳頻信號(hào)的條件 跳頻系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)跳頻通信，正確接收跳頻信號(hào)的條件是跳頻系統(tǒng)的同步。 系統(tǒng)的同步包括以下幾項(xiàng)

6、內(nèi)容： 收端和發(fā)端產(chǎn)生的跳頻圖案相同，即有相同的跳頻規(guī)律。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 收、發(fā)端的跳變頻率應(yīng)保證在接收端產(chǎn)生固定的中頻信號(hào)，即發(fā)端跳變的載波頻率與收端產(chǎn)生的本地跳變頻率相差一個(gè)中頻。 頻率跳變的起止時(shí)刻在時(shí)間上同步，即同步跳變，或相位一致。 在傳送數(shù)字信息時(shí)，還應(yīng)做到幀同步和位同步。 圖69示出跳頻同步的幾種情況。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖(a)只是跳頻圖案相同的情 況；圖中黑色矩形塊代表接收端的跳頻圖案，帶有斜線的矩形塊代表發(fā)送端的跳頻圖案，即所要接收的外來信號(hào)的跳頻圖案。2022/7/23南京航空航天大學(xué)

7、信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖(b)是跳頻圖案及跳頻頻率一致的情況；2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院圖(c)為跳頻圖案、跳頻頻率以及跳頻起止時(shí)刻完全一致的同步情況。圖(b)和圖(c)中，接收端跳頻圖案的瞬時(shí)頻率比外來信號(hào)高出一個(gè)中頻。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.2.3 跳頻信號(hào)的波形 與定頻連續(xù)信號(hào)波形不同，跳頻信號(hào)的載波波形是不連續(xù)的，這是因?yàn)樘l器產(chǎn)生的跳變載波信號(hào)之間是不連續(xù)的。 頻率合成器從接收到跳頻指令開始到完成頻 率的跳變需要一定的切換時(shí)間。為了保證其輸出的頻率純正而穩(wěn)定，防止雜散輻射，在頻率切換的瞬間是抑止發(fā)射機(jī)末級工作的

8、。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 頻率合成器從接受指令開始建立振蕩到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間叫作建立時(shí)間；穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間叫駐留時(shí)間；從穩(wěn)定狀態(tài)到達(dá)振蕩消失的時(shí)間叫消退時(shí)間。 從 建立到消退的整個(gè)時(shí)間段叫作一個(gè)跳周期，記作Th。建立時(shí)間加上消退時(shí)間叫作換頻時(shí)間。只有在駐留時(shí)間(記作TD)內(nèi)才能有效地傳送信息。圖610給出頻率合成器的換頻過程和載波信號(hào)的波形。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 圖610 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 跳頻通信系統(tǒng)為了能更有效地傳送信息，要求頻率切換占用的時(shí)

9、間越短越好。通常，換頻時(shí)間約為跳周期Th的1/8 到1/10。比如跳頻速率每秒500跳的系統(tǒng)，跳周期Th2ms，其換頻時(shí)間為0.2ms左右。跳頻速率每秒20跳的系統(tǒng)，跳周期是50ms，其換頻時(shí)間約為5ms。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.3 跳頻系統(tǒng)的同步6.3.1 同步含義跳頻系統(tǒng)的同步是關(guān)系到跳頻通信能否建立的關(guān)鍵。 那么，怎樣才能實(shí)現(xiàn)通信雙方的跳頻同步呢? 同步的含義是：跳頻圖案相同, 跳變的頻率序列(也稱頻率表)相同，跳變的起止時(shí)刻(也稱相位)相同。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 收端: （1）、得到有關(guān)發(fā)

10、端的跳頻同步信息,包括： 采用的跳頻圖案; 使用何種頻率序列; 在什么時(shí)刻從那一個(gè)頻率上開始起跳。（2）并且還需要不斷地校正收端本地時(shí)鐘，使其與發(fā)端時(shí)鐘一致。 根據(jù)收端獲得發(fā)端同步信息和校對時(shí)鐘的方法不同，引出了各種不同的跳頻同步方法。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.3.2 跳頻同步信息的基本傳遞方法 獨(dú)立信道法 利用一個(gè)專門的信道來傳送同步信息；收端從此專門信道中接收發(fā)端送來的同步信息后，依照同步信息的指令，設(shè)置接收端的跳頻圖案、頻率序列和起止時(shí)刻，并校準(zhǔn)收端的時(shí)鐘，在規(guī)定的起跳時(shí)刻開始跳頻通信。這種方式，需要專門的信道來傳送同步信息，有的通信系統(tǒng)難

11、以提供專門的信道，因此獨(dú)立信道法的應(yīng)用受到了限制。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 前置同步法，也稱同步字頭法 在跳頻通信之前，選定一個(gè)或幾個(gè)頻道上先傳送一組特殊的攜帶同步信息的碼字，收端接收此同步信息碼字后，按同步信息的指令進(jìn)行時(shí)鐘校準(zhǔn)和跳頻。因?yàn)槭窃谕ㄐ胖跋葌魉屯酱a字，故稱同步字頭法。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 自同步法，也稱同步信息提取法 這種方法是利用發(fā)端發(fā)送的數(shù)字信息序列中隱含的同步信息，在接收端將其提取出來從而獲得同步信息實(shí)現(xiàn)跳頻。此法不需要專門的信道和發(fā)送專門的同步碼字，所以它具有節(jié)省信道、節(jié)省信

12、號(hào)功率和同步信息隱蔽等優(yōu)點(diǎn)。 上述三種基本的同步信息傳遞方法各有利弊。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 獨(dú)立信道法的特點(diǎn)： 需要專門的信道來傳送專門的同步信息，因此它占用頻率資源和信號(hào)功率。另外，其同步信息傳送方式不隱蔽，易于被敵方發(fā)現(xiàn)和干擾。 其優(yōu)點(diǎn)是傳送的同步信息量大，同步建立的時(shí)間短，并能不斷地傳送同步信息，保持系統(tǒng)的長時(shí)間同步。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 同步字頭法的特點(diǎn)： 雖然不需專門的同步信息信道而是利用通信信道來傳送同步信息，它還是擠占了通信信道頻率資源和信號(hào)功率。所以它的缺點(diǎn)與獨(dú)立信道法相似。 為了

13、使同步信息隱蔽，應(yīng)采用盡量短的同步字頭，但是同步字頭太短又影響傳送的同步信息量的多少，需折衷考慮。采用同步字頭法的跳頻系統(tǒng)為了能保持系統(tǒng)的長時(shí)間同步，還需在通信過程中，插入一定的同步信息碼字。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 自同步法的特點(diǎn)： 在節(jié)省頻率資源和信號(hào)功率方面具有優(yōu)點(diǎn)。但由于發(fā)端發(fā)送的數(shù)字信息序列中所能隱含的同步信息是非常有限的，所以在接收端所能提取的同步信息就更少了。此法只適用于簡單跳頻圖案的跳頻系統(tǒng)，并且系統(tǒng)同步建立的時(shí)間較長。 在實(shí)際的跳頻系統(tǒng)中，常常是將這幾種基本方法組合起來應(yīng)用，使跳頻系統(tǒng)達(dá)到某種條件下的最佳同步。2022/7/23南

14、京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.3.3 幾種實(shí)用的同步方法 模擬跳頻系統(tǒng)的同步方法 模擬跳頻系統(tǒng)是指傳送模擬信號(hào)的跳頻通信系統(tǒng)例如模擬話音信號(hào)。那么，在模擬通信系統(tǒng)中如何傳送跳頻同步信息? 回答只能是利用模擬信號(hào)攜帶同步信息。帶外單音法:話音占據(jù)的領(lǐng)帶在300Hz-3000Hz之間，因此可利用低于300Hz或高于3000Hz的頻率來傳送同步信息。這種方法叫帶外單音法。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 帶內(nèi)同步頭法: 此法是利用300-3000Hz的話音頻帶，傳送用單音進(jìn)行編碼的模擬信號(hào)同步字頭。比如，用兩個(gè)單音進(jìn)行編碼，傳號(hào)時(shí)的單音頻

15、率是 1200Hz，空號(hào)的頻率是1800Hz，采用最小頻移鍵控調(diào)制方式，便獲得帶內(nèi)的同步信息碼字。此碼字再經(jīng)過模擬通信系統(tǒng)傳送至收端，收端解出同步信息后，按照同步指令實(shí)現(xiàn)跳頻同步。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 數(shù)字(數(shù)據(jù))跳頻系統(tǒng)的同步方法 數(shù)字跳頻系統(tǒng)是指傳送數(shù)字話音或數(shù)據(jù)的跳頻通信系統(tǒng)。因此，它傳送跳頻同步信息是以數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行的。數(shù)字系統(tǒng)跳頻同步方法也不外乎同步字頭法，自同步法和參考時(shí)鐘法。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 同步字頭法：發(fā)端需發(fā)送含有同步信息的碼字，收端解碼后，依據(jù)同步信息使收端本地跳頻器與發(fā)

16、端同步。同步信息除位同步、幀同步外，主要應(yīng)包括跳頻圖案的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息或?qū)崟r(shí)的時(shí)鐘信息，即所謂的“TOD”信息(Time of the Day)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息包括年月日時(shí)分秒，毫秒、微秒、毫微秒等；狀態(tài)信息是指偽碼發(fā)生器實(shí)時(shí)的碼序列狀態(tài)。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 根據(jù)這些信息，收端就可以知道當(dāng)前跳頻駐留時(shí)間的頻率和下一跳駐留時(shí)間應(yīng)當(dāng)處在什么頻率上，從而使收發(fā)端跳頻器同步工作。為了保證TOD信息的正確接收，在如圖611所示的同步信息數(shù)據(jù)幀格式中裝有位同步和幀同步位。此外，對TOD信息位可采用差錯(cuò)控制技術(shù)，如糾錯(cuò)編碼，相關(guān)編碼或采用大數(shù)判決，以提高傳輸?shù)?/p>

17、可靠性。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 參考時(shí)鐘法： 在一個(gè)通信網(wǎng)內(nèi)，設(shè)一個(gè)中心站，它播發(fā)高精度的時(shí)鐘信息，所有網(wǎng)內(nèi)的用戶依照此標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘來控制收、發(fā)信機(jī)的同步定時(shí)，達(dá)到收、發(fā)雙方同步。采用這種方法進(jìn)行跳頻同步，需要事先約定好所采用的跳頻圖案和頻率表，或者，需通過其它方式將跳頻圖案情息通知網(wǎng)內(nèi)用戶。此法需要一個(gè)精度極高的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，否則不能實(shí)現(xiàn)跳頻通信。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 自同步法： 它是依靠從接收到的跳頻信號(hào)中提取有關(guān)同步信息來實(shí)現(xiàn)跳頻

18、同步的。 數(shù)字跳頻系統(tǒng)中，根據(jù)需要也可采用不同方法的組合。比如，自同步法具有同步信息隱蔽的優(yōu)點(diǎn)，但是存在同步建立時(shí)間長的缺點(diǎn)；而同步字頭法具有快速 建立同步的優(yōu)點(diǎn)而存在同步信息不夠隱蔽的缺點(diǎn)。因此可將這兩種方法進(jìn)行組合，得到一個(gè)綜合最佳的同步系統(tǒng)。圖612所示的是等待自同步法的跳頻同步 過程。2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 圖中，接收端在頻率f6上等待接收跳頻信號(hào)；發(fā)送端發(fā)送的跳頻信號(hào)的載波頻率依次在f5、f1、f3、f4、f2、f6 上跳變。當(dāng)發(fā)端信號(hào)的載頻跳變至f6時(shí)，收端接收到跳頻信號(hào)，這時(shí)稱作同步

19、捕獲，即可從跳頻信號(hào)中解出它所攜帶的同步字頭內(nèi)的同步信息。接著，就依照同步信息的指令開始同步跳頻，即由等待階段轉(zhuǎn)入同步跳頻的階段，從而建立了跳頻系統(tǒng)的同步。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng) 6.3.4 跳頻同步系統(tǒng)性能及抗干擾性 衡量同步系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，主要應(yīng)考慮兩個(gè)方面： (1)是跳頻系統(tǒng)同步的可靠性; (2)是同步系統(tǒng)的抗干擾性。 2022/7/23南京航空航天大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院第六講 跳頻系統(tǒng)同步系統(tǒng)的可靠性。 它包括系統(tǒng)同步的建立時(shí)間，正確同步概率和虛假同步的概率，系統(tǒng)同步保持時(shí)間等項(xiàng)指標(biāo)。 一般說來，跳頻同步系統(tǒng)的同步建立時(shí)間越短越好，同步保持時(shí)間越長