混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步研究報(bào)告

TOC摘要1第一章緒論 21.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)開(kāi)展概述 21.2混合擴(kuò)頻的介紹和現(xiàn)狀21.3擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)3第二章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的理論根底 52.1擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)62.2擴(kuò)頻系統(tǒng)的分類(lèi)和介紹62.2.1直接序列擴(kuò)頻72.2.2跳頻102.2.3FH／DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)122.3擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能比擬142.3.1直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能142.3.2跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能142.3.3混合跳擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能152.4擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步152.4.1同步不確定性的來(lái)源152.4.2直擴(kuò)同步的方法152.4.3跳頻同步的方法17第三章DS/FH擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步研究203.1基于PMF-FFT的直擴(kuò)同步203.1.1PMF-FFT的構(gòu)造203.1.2捕獲性能分析213.2基于局部監(jiān)測(cè)的跳頻同步223.2.1跳頻同步方法223.2.2同步性能分析243.3DS/FH混合擴(kuò)頻同步方案283.4本章小結(jié)30第四章完畢語(yǔ)30摘要現(xiàn)有擴(kuò)頻體制系統(tǒng)一般采用直接序列擴(kuò)頻(DS)體制，但隨著電子對(duì)抗技術(shù)的開(kāi)展和對(duì)系統(tǒng)性能要求的提高，直接序列擴(kuò)頻(DS)體制日益不能滿(mǎn)足人們的要求。直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)具有擴(kuò)頻增益受限、遠(yuǎn)近效應(yīng)嚴(yán)重、抗窄帶干擾和對(duì)準(zhǔn)式干擾能力差等缺點(diǎn)，在實(shí)戰(zhàn)背景下很容易受到敵方的干擾。為此，在現(xiàn)有體制的根底上，進(jìn)一步提高抗干擾、抗截獲和抗摧毀能力，采用性能更強(qiáng)的混合擴(kuò)頻(FH/DS)體制已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。直接序列擴(kuò)頻/跳頻〔DS/FH)混合擴(kuò)頻是一種抗干擾性能極強(qiáng)的擴(kuò)頻通信體制，在現(xiàn)代軍事通信和電子對(duì)抗中有著非常重要的意義。本文主要研究了DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步技術(shù)和一種適合高速DS/FH系統(tǒng)的快速同步方法。論文首先介紹了擴(kuò)展頻譜技術(shù)理論根底,闡述了直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)、跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)和FH/DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理和數(shù)學(xué)模型,并對(duì)三種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)展比照，論證了混合擴(kuò)頻系統(tǒng)相比單一的直擴(kuò)系統(tǒng)或跳頻系統(tǒng)在“三抗〞效能方面的優(yōu)勢(shì)。然后介紹了直接序列擴(kuò)頻和跳頻同步的一些方法以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)。文章分析了多種因素對(duì)同步捕獲的影響。這些都可以為DS/FH系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定參考。其次研究了局部匹配濾波(PartialMatchedFiltering,PMF)結(jié)合快速傅里葉變換(FastFourierTransform,FFT)的直接序列擴(kuò)頻同步捕獲方法，對(duì)該方法進(jìn)展了理論分析和仿真，并且研究了各個(gè)參數(shù)對(duì)捕獲性能的影響，對(duì)系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)做了一些討論。然后研究了一種改良的跳頻同步方法，局部監(jiān)測(cè)同步法。通過(guò)理論分析和仿真說(shuō)明，局部監(jiān)測(cè)可以通過(guò)合理選擇監(jiān)測(cè)的頻點(diǎn)數(shù)來(lái)到達(dá)抗干擾性能、捕獲時(shí)間和系統(tǒng)資源消耗的平衡。最后，基于所提出和討論的直擴(kuò)和跳頻同步捕獲方法，提出了一種適用于高速DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的快速同步方法。該方法利用時(shí)變的同步信道來(lái)傳輸同步信息，接收端在短時(shí)間快速捕獲并接收到同步信息，從而到達(dá)同步。此方法可以在不降低系統(tǒng)抗干擾性能的前提下到達(dá)快速同步，并且較容易實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：混合擴(kuò)頻，DS/FH，同步第一章緒論1.1擴(kuò)頻通信系統(tǒng)開(kāi)展概述擴(kuò)頻通信(spreadspectrummunication)是近期快速開(kāi)展起來(lái)的一種通信技術(shù)。早期研究這種技術(shù)的主要目的是為了在軍事通信中提高和抗干擾的性能。在20世紀(jì)50年代中期，美國(guó)就開(kāi)場(chǎng)了對(duì)擴(kuò)頻通信的研究，當(dāng)時(shí)主要側(cè)重在空間探測(cè)、衛(wèi)星偵察和軍用通信等方面。隨后隨著民用通信頻帶的擁擠日益嚴(yán)重，又由于近代微電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速開(kāi)展，擴(kuò)頻通信有關(guān)的器件本錢(qián)大大降低，從而進(jìn)一步推動(dòng)了擴(kuò)頻通信在民用領(lǐng)域的開(kāi)展應(yīng)用，而且也使擴(kuò)頻通信的理論和技術(shù)也得到了進(jìn)一步的開(kāi)展。目前在軍事上擴(kuò)頻通信已廣泛應(yīng)用于各種戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)通信的系統(tǒng)中，成為電子戰(zhàn)中反干擾的一種重要的手段。GPS和GLONASS在民用上也都得到了廣泛的應(yīng)用，這些系統(tǒng)的技術(shù)根底就是擴(kuò)頻技術(shù)。將擴(kuò)頻的碼分多址技術(shù)應(yīng)用于蜂窩移動(dòng)通信中時(shí)，可以明顯降低噪聲和衰落的影響，還可以防止復(fù)雜的頻率分配和時(shí)隙劃分等技術(shù)上的困難，并省去了保護(hù)頻帶或時(shí)隙，極提高了蜂窩通信系統(tǒng)中小區(qū)的頻率復(fù)用度。擴(kuò)頻技術(shù)由于其本身所備的優(yōu)良性能得到了廣泛應(yīng)用，其最主要的兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域仍是軍事抗干擾通信和移動(dòng)通信系統(tǒng)，在這兩個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的擴(kuò)頻方式是跳頻系統(tǒng)與直擴(kuò)系統(tǒng)。一般而言，跳頻系統(tǒng)主要是在軍事通信中對(duì)抗干擾，在衛(wèi)星通信中用于通信，而直擴(kuò)系統(tǒng)則主要是一種民用技術(shù)。在本世紀(jì)，擴(kuò)頻技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用。從擴(kuò)頻技術(shù)開(kāi)展的歷史可以看出，巨大的需求推動(dòng)了每一次技術(shù)上的大開(kāi)展。軍事通信抗干擾的驅(qū)動(dòng)以及個(gè)人通信業(yè)務(wù)的驅(qū)動(dòng)使得擴(kuò)頻技術(shù)的抗干擾性能和碼分多址能力得到最大限度的挖掘。展望未來(lái)，第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的驅(qū)動(dòng)無(wú)疑會(huì)使擴(kuò)頻技術(shù)傳輸高速數(shù)據(jù)的能力得到更大的拓展。1.2混合擴(kuò)頻的介紹和現(xiàn)狀擴(kuò)頻通信的兩種主要方式是直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和跳頻擴(kuò)頻(FSSS)。直接序列擴(kuò)頻是將PN序列直接與比特信息流相乘來(lái)進(jìn)展調(diào)制的，而跳頻擴(kuò)頻是用PN序列生成不斷跳變的頻率來(lái)調(diào)制信號(hào)的。在電子對(duì)抗中，隨著信號(hào)檢測(cè)和干擾技術(shù)的不斷開(kāi)展，對(duì)抗干擾性能的要求也不斷提高。對(duì)于直接序列擴(kuò)頻而言，由于硬件條件的限制，其偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度總是有限的，因此抗干擾的性能也受限。盡管擴(kuò)頻后帶寬可以很寬，但如今的電子干擾機(jī)依舊可以對(duì)其進(jìn)展有效的干擾，而且直接序列擴(kuò)頻更為害怕的是頻率與其中心頻率一樣的窄帶瞄準(zhǔn)式干擾。另外，直接序列擴(kuò)頻的接收機(jī)具有明顯的遠(yuǎn)近效應(yīng)，即距離接收機(jī)較近的信號(hào)會(huì)對(duì)遠(yuǎn)端的信號(hào)產(chǎn)生抑制。為此需要在系統(tǒng)中參加自動(dòng)功率控制，這又進(jìn)一步增加了直擴(kuò)系統(tǒng)的復(fù)雜性。跳頻通信是通過(guò)頻率的不斷跳變來(lái)躲避干擾的，因此沒(méi)有遠(yuǎn)近效應(yīng)的問(wèn)題。但由于跳頻的發(fā)射信號(hào)功率是大于噪聲功率的，因此容易被截獲，同時(shí)也容易受到多頻干擾和跟蹤式干擾的威脅。為解決這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)展了大量的研究工作。其中，F(xiàn)H/DS混合擴(kuò)頻技術(shù)得到了廣泛的關(guān)注?；旌蠑U(kuò)頻(FH/DS)技術(shù)就是在直接序列擴(kuò)頻的根底上增加載波跳變的功能，它綜合了兩種方式的優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)外公認(rèn)最有生命力的抗干擾通信技術(shù)，也是目前研究較多的擴(kuò)頻抗干擾技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的“三抗〞能力。在FH/DS混合擴(kuò)頻信號(hào)中，跳頻的特性消除了“遠(yuǎn)近效應(yīng)〞，削弱了瞄準(zhǔn)式干擾的影響；直擴(kuò)的特性可以獲得更大的擴(kuò)頻增益和較高的測(cè)距精度。因此，F(xiàn)H/DS混合擴(kuò)頻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景?；旌蠑U(kuò)頻技術(shù)在提供優(yōu)良勝能的同時(shí)，大大增加同步方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度，要求同步方案能同時(shí)進(jìn)展跳頻同步和直擴(kuò)同步。目前針對(duì)直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)和跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的偽碼捕獲方法很多，但是考慮將直接序列擴(kuò)頻和跳頻擴(kuò)頻偽碼捕獲方式結(jié)合，并且要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)要求的同步時(shí)間，還有較大的技術(shù)難度。需要在捕獲方法、所需信噪比方面進(jìn)展深入分析與研究，優(yōu)化同步方式。本課題著重研究FH/DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的接收機(jī)信號(hào)同步方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。接收機(jī)信號(hào)同步技術(shù)作為FH/DS混合擴(kuò)頻導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，具有重要的研究?jī)r(jià)值。1.3擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)擴(kuò)頻通信有許多窄帶通信所不具備的優(yōu)點(diǎn)，在軍事和民用領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。擴(kuò)頻通信的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：〔1〕可以實(shí)現(xiàn)頻率重用，也就是碼分多址，提高頻帶的利用率。在窄帶通信中，通過(guò)頻段的劃分可以防止不同無(wú)線(xiàn)電系統(tǒng)之間的干擾。但是隨著需求的增長(zhǎng)，無(wú)線(xiàn)頻譜資源在如今已經(jīng)十分擁擠。采用擴(kuò)頻通信的方法，在分配了不同的擴(kuò)頻碼后，所有的接收機(jī)和發(fā)射機(jī)可以使用一樣的工作頻率，也可以與其他通信系統(tǒng)共享一樣的頻率資源。〔2〕抗干擾性強(qiáng)，誤碼率低。擴(kuò)頻通信會(huì)占據(jù)很大的帶寬，在接收端采用相關(guān)擴(kuò)頻碼來(lái)解擴(kuò)，保存了有用信號(hào)，濾除了絕大局部干擾和噪聲，因此系統(tǒng)輸出端有很高的信噪比，抗干擾性能強(qiáng)。擴(kuò)頻通信可以在信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下，將信號(hào)提取出來(lái)。對(duì)于單頻及多頻都有比擬強(qiáng)的抑制作用，即使采用同類(lèi)型的信號(hào)干擾，也由于擴(kuò)頻碼序列之間的不相關(guān)性，干擾不起太大作用?！?〕隱蔽性好，不容易被截獲。通過(guò)周期很長(zhǎng)的偽隨機(jī)碼的調(diào)制，擴(kuò)頻信號(hào)的頻譜被展寬，功率譜密度很低，信號(hào)被湮沒(méi)在了噪聲中，不容易被發(fā)現(xiàn)，信號(hào)參數(shù)也不容易被檢測(cè)出，提高了系統(tǒng)的性能。此外，擴(kuò)頻信號(hào)對(duì)其他各種通信系統(tǒng)的干擾都很小。第二章擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的理論根底擴(kuò)頻通信是一種信息的傳輸方式，它的信號(hào)占有的頻帶寬度比所傳信息必需的最小帶寬大很多。頻帶的擴(kuò)展和所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，它借助一個(gè)獨(dú)立的碼序列完成，并用編碼和調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)。用一樣的碼序列在接收端進(jìn)展同步接收、解擴(kuò)，恢復(fù)所傳的信息數(shù)據(jù)。擴(kuò)頻系統(tǒng)比常規(guī)的通信系統(tǒng)有更好的抗窄帶干擾、人為干擾、多徑干擾的能力，這些是以香農(nóng)定律為理論根底的： (2-1)式中： C—信道容量，b/s；B—信道帶寬，Hz；S—信號(hào)功率，W；N—噪聲功率，W。香農(nóng)公式描述了在信道中無(wú)過(guò)失傳輸信息的能力和信道中的信噪比以及傳輸信息帶寬之間的關(guān)系。對(duì)于任意給定的信噪比S/N，只要傳輸信息的帶寬B足夠大，就可以速率C在該信道中無(wú)過(guò)失地傳輸信息；另一方面,當(dāng)信道的信噪比S/N下降時(shí)，增加信號(hào)傳輸帶寬B的方法來(lái)保證信息傳輸率速C。擴(kuò)頻技術(shù)利用這一原理，用高速率的擴(kuò)頻碼來(lái)擴(kuò)展待傳輸信息的信號(hào)帶寬，到達(dá)在低信噪比條件下保證正常傳輸信號(hào)的目的,甚至在信號(hào)被噪聲淹沒(méi)的情況下，只要傳輸信號(hào)的帶寬足夠大,也可以保證可靠的通信。擴(kuò)頻系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-1所示。在發(fā)射端，待發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)與擴(kuò)頻碼相乘，形成復(fù)合碼。復(fù)合碼的速率與擴(kuò)頻碼速率相當(dāng),遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于數(shù)據(jù)速率，完成頻譜的擴(kuò)展。由復(fù)合碼對(duì)載波進(jìn)展調(diào)制，通常采用相移鍵控方式調(diào)制。然后由發(fā)射機(jī)和天線(xiàn)將擴(kuò)頻信號(hào)發(fā)射出去。在接收端，產(chǎn)生一個(gè)和發(fā)射端擴(kuò)頻碼同步的本地?cái)U(kuò)頻碼。本地?cái)U(kuò)頻碼對(duì)本地載波進(jìn)展調(diào)制后，在混頻器與接收到的擴(kuò)頻信號(hào)混頻。混頻過(guò)程中,同步的本地?cái)U(kuò)頻碼和接收到的擴(kuò)頻碼相乘抵消，實(shí)現(xiàn)了頻譜的壓縮,即解擴(kuò);同時(shí)，本地載波將接收到的信號(hào)下變頻，經(jīng)過(guò)中頻濾波器濾波后，得到中頻信號(hào)。中頻信號(hào)中只包含數(shù)據(jù)信息和中頻載波。由解調(diào)器將數(shù)據(jù)信息解調(diào)出來(lái),就在接收端復(fù)原了發(fā)射端發(fā)射的數(shù)據(jù)。圖2-1擴(kuò)展頻譜通信系統(tǒng)模型2.1擴(kuò)頻通信的主要性能指標(biāo)處理增益和抗干擾容限是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的兩個(gè)重要性能指標(biāo)。1.處理增益在擴(kuò)頻系統(tǒng)中,傳輸信號(hào)在擴(kuò)頻和解擴(kuò)的處理過(guò)程中,擴(kuò)展頻譜系統(tǒng)的抗干擾性能得到提高,這種擴(kuò)頻處理得到的好處，就稱(chēng)之為擴(kuò)頻系統(tǒng)的處理增益,其定義為接收相關(guān)處理器輸出與輸入信噪比的比值,即頻譜擴(kuò)展前的信息帶寬DF與頻帶擴(kuò)展后的信號(hào)帶寬W之比：G＝W／DF〔2-2〕接收機(jī)作擴(kuò)頻解調(diào)后，只提取偽隨機(jī)編碼相關(guān)處理后的帶寬為DF的信息，而排除掉寬頻帶W中的外部干擾、噪音和其地用戶(hù)的通信影響。因此，處理增益G反映了擴(kuò)頻通信系統(tǒng)信噪比改善的程度。2.抗干擾容限抗干擾容限是指擴(kuò)頻通信系統(tǒng)能在多大干擾環(huán)境下正常工作的能力，定義為：M=G－[(S/N)out+Ls] 〔2-3〕其中：M--抗干擾容限，G--處理增益，(S／N)out--信息數(shù)據(jù)被正確解調(diào)而要求的最小輸出信噪比，Ls--接收系統(tǒng)的工作損耗。2.2擴(kuò)頻系統(tǒng)的分類(lèi)和介紹按照擴(kuò)展頻譜的方式不同，現(xiàn)有的擴(kuò)頻系統(tǒng)主要包括以下四種：(1)直接序列擴(kuò)頻(2)跳頻擴(kuò)頻(3)跳時(shí)擴(kuò)頻(4)線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻。此外，還可以將以上四種擴(kuò)頻方式中的兩種或多種結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，如FH/DS混合擴(kuò)頻、FH/TH混合擴(kuò)頻、DS/TH混合擴(kuò)頻等。現(xiàn)有擴(kuò)頻體制的無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航系統(tǒng)采用的都是直接序列擴(kuò)頻體制，直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)存在抗單頻和窄帶干擾能力差，遠(yuǎn)近效應(yīng)嚴(yán)重，抗多徑衰落能力有限等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)恰好是跳頻方式所能解決的。在直接序列擴(kuò)頻的根底上增加跳頻的工作方式，不僅可以克制直接序列擴(kuò)頻的缺點(diǎn)，還能引入跳頻擴(kuò)頻的優(yōu)點(diǎn)，使系統(tǒng)的抗干擾、抗截獲和抗摧毀能力大大增強(qiáng)。2.2.1直接序列擴(kuò)頻2.2.1.1直接序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的組成圖2-2為直擴(kuò)系統(tǒng)的組成原理框圖。由信源輸出的信號(hào)a(t)是碼元持續(xù)時(shí)間為T(mén)a的信息流，偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼為c(t)，每一偽隨機(jī)碼碼元寬度或切普寬度為T(mén)c。圖2-2直擴(kuò)系統(tǒng)組成框圖(a)發(fā)射(b)接收2.2.1.2直擴(kuò)系統(tǒng)的信號(hào)分析信號(hào)源產(chǎn)生的信號(hào)a(t)為信息流，碼元速率Ra，碼元寬度Ta，Ta＝1／Ra，則a(t)為(2-4)式中:為信息碼,以概率P?。?和以概率1－P?。?，即(2-5〕為門(mén)函數(shù)，定義為，〔2-6〕偽隨機(jī)序列產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c(t)，速率為RC，切譜寬度為T(mén)C，TC＝1／RC.〔2-7〕為偽隨機(jī)碼碼元，取值＋1或－1，為門(mén)函數(shù)。擴(kuò)展的序列d(t〕為〔2-8〕 〔2-9〕采用PSK調(diào)制，調(diào)制后得到的信號(hào)s(t)為〔2-10〕接收端天線(xiàn)上感應(yīng)的信號(hào)經(jīng)高放的選擇放大和混頻后，得到包括以下幾局部的信號(hào)：有用信號(hào)、信道噪聲、干擾信號(hào)和其它網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)等，即收到的信號(hào)〔經(jīng)混頻后〕為〔2-11〕接收端的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列一樣，但起始時(shí)間或初始相位可能不同，為c(t)。解擴(kuò)的過(guò)程與擴(kuò)頻過(guò)程一樣，用本地的偽隨機(jī)序列c(t)與接收到的信號(hào)相乘，相乘后為〔2-12〕假設(shè)本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列與發(fā)端產(chǎn)生的偽隨機(jī)序列c〔t〕同步時(shí)，有c〔t〕＝〔t〕，則c〔t〕·〔t〕＝1。這樣，信號(hào)分量為〔2-13〕后面所接濾波器的頻帶正好能讓信號(hào)通過(guò)，可以進(jìn)入解調(diào)器進(jìn)展解調(diào)，將有用信號(hào)解調(diào)出來(lái)。對(duì)噪聲分量、干擾分II(t)和不同網(wǎng)干擾，經(jīng)解擴(kuò)處理后，被大大削弱。分量，一般為高斯帶限白噪聲，因而用(t)處理后，譜密度根本不變〔略有降低〕，但相對(duì)帶寬改變，因而噪聲功率降低。分量，是人為干擾引起的，這些干擾可以是第一章中描述的干擾中的一種或多種。由于與偽隨機(jī)碼不相關(guān)，因此，相乘過(guò)程相當(dāng)于頻譜擴(kuò)展過(guò)程，將干擾信號(hào)功率分散到一很寬的頻帶上，譜密度降低，相乘器后接的濾波器的頻帶只能讓有用信號(hào)通過(guò)，這樣，能夠進(jìn)入到解調(diào)器輸入端的干擾功率只能是與信號(hào)頻帶一樣的那一局部。解擴(kuò)前后的頻帶相差甚大，因而解擴(kuò)后干擾功率大大降低，提高了解調(diào)器輸入端的信干比，從而提高了系統(tǒng)抗干擾的能力。至于不同網(wǎng)的信號(hào)，由于不同網(wǎng)，所用的擴(kuò)頻序列也就不同，這樣對(duì)于不同網(wǎng)的擴(kuò)頻信號(hào)而言，相當(dāng)于再次擴(kuò)展，從而降低了不網(wǎng)信號(hào)的干擾。圖2-3擴(kuò)頻系統(tǒng)波形圖圖2-4擴(kuò)頻系統(tǒng)頻譜示意圖圖2-5Rc(τ)波形圖圖2-6干擾功率譜變化〔a)擴(kuò)展前(b)擴(kuò)展后2.2.2跳頻2.2.2.1跳頻系統(tǒng)的組成跳頻系統(tǒng)的組成如圖2-7所示。用信源產(chǎn)生的信息流a(t)去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的載頻,得到射頻信號(hào)。頻率合成器產(chǎn)生的載頻受偽隨機(jī)碼的控制,按一定規(guī)律跳變。跳頻系統(tǒng)的解調(diào)多采用非相干解調(diào),因而調(diào)制方式多用FSK、ASK等可進(jìn)展非相干解調(diào)的調(diào)制方式。圖2-7跳頻系統(tǒng)組成框圖2.2.2.2跳頻系統(tǒng)的信號(hào)分析設(shè)信源產(chǎn)生的信號(hào)a(t)為雙極性數(shù)字信號(hào)，則〔2-14〕式中:為信息碼，取值＋1或－1。Ta為信息碼元寬度?！?-15〕調(diào)制采用PSK調(diào)制。由頻率合成器產(chǎn)生的頻率為，在〔i－1〕Th≤t＜iTh的取值為頻率集{f1、f2…，fN}中的一個(gè)頻率，由偽隨機(jī)碼確定，Th為每一頻率〔每一跳〕的持續(xù)時(shí)間或駐留時(shí)間。這樣，用a(t)去調(diào)制頻率合成器產(chǎn)生的頻率，可得射頻信號(hào)的為〔2-14〕跳頻接收機(jī)原理框圖如下：圖2-8跳頻接收機(jī)原理框圖接收端收到的信號(hào)為〔2-15〕信號(hào)分量，噪聲分量，為高斯白噪聲，干擾信號(hào)分量，不同網(wǎng)的跳頻信號(hào)。接收端頻率合成器產(chǎn)生的頻率受與發(fā)端一樣的偽隨機(jī)碼產(chǎn)生器的控制，產(chǎn)生的頻率為接收頻率合成器產(chǎn)生的頻率集中的一個(gè)在混頻器中，接收到的信號(hào)與本振相乘，可得〔2-16〕〔2-17〕收發(fā)兩端的頻率合成器產(chǎn)生的頻率受一樣的偽隨機(jī)碼的控制，控制方式一樣，兩偽隨機(jī)碼的初始相位一樣〔同步〕，則有i＝j(luò)。這樣，收端頻率合成器產(chǎn)生的頻率正好比發(fā)端的頻率高出一個(gè)中頻〔也可低一個(gè)中頻〕，經(jīng)混頻，取下邊帶，就可得信號(hào)分量〔2-18〕濾波〔2-19〕固定中頻信號(hào)，與非跳頻系統(tǒng)送入解調(diào)器的信號(hào)是一樣的，經(jīng)解調(diào)后，可恢復(fù)出傳送的信息a(t)，從而完成信息的傳輸。跳頻系統(tǒng)的處理增益為射頻帶寬與信息帶寬之比，即(2-20)圖2-8跳頻系統(tǒng)頻譜圖(a)頻率合成器頻譜圖(b)跳頻信號(hào)頻譜圖圖2-9跳頻圖案2.2.3FH／DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)跳頻和直擴(kuò)系統(tǒng)都具有很強(qiáng)的抗干擾能力，是用得最多的兩種擴(kuò)頻技術(shù)。由前面的分析可知，這兩種方式都有自己的獨(dú)到之處，但也存在著各自的缺乏，將兩者有機(jī)地結(jié)合起來(lái),可以大大改善系統(tǒng)性能，提高抗干擾能力。FH／DS和FH、DS一樣，是用得最多的擴(kuò)頻方式之一，其原理如圖2-10所示。圖2-10FH／DS信號(hào)頻譜圖需要發(fā)送的信號(hào)首先被偽隨機(jī)碼I擴(kuò)頻，然后去調(diào)制由偽隨機(jī)碼Ⅱ控制的頻率合成器產(chǎn)生的跳變頻率，被放大后發(fā)送出去。接收端首先進(jìn)展解跳，得到一固定中頻的直擴(kuò)信號(hào)，然后進(jìn)展解擴(kuò)，送至解調(diào)器，將傳送的信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。在這里用了兩個(gè)偽隨機(jī)碼，一個(gè)用于直擴(kuò)，一個(gè)用于控制頻率合成器。一般用于直擴(kuò)的偽隨機(jī)碼的速率比用于跳頻的偽隨機(jī)碼的速率要高得多。FH／DS信號(hào)頻譜如圖2-11所示。圖2-11FH/DS信號(hào)頻譜采用FH／DS混合擴(kuò)頻技術(shù)，有利于提高系統(tǒng)的抗干擾性能。干擾機(jī)要有效地干擾FH／DS混合擴(kuò)頻系統(tǒng)，需要同時(shí)滿(mǎn)足兩個(gè)條件:a.干擾頻率要跟上跳變頻率的變化;b.干擾電平必須超過(guò)直擴(kuò)系統(tǒng)的干擾容限。否則,就不能對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成威脅。這樣，就加大了干擾機(jī)的干擾難度，從而到達(dá)更有效地抗干擾的目的?；旌舷到y(tǒng)的處理增益為直擴(kuò)和跳頻的處理增益的乘積，即(2-21)或〔2-22〕式中:BDS為直擴(kuò)信號(hào)帶寬;BS為信號(hào)帶寬;N為跳頻的可用頻道數(shù)。2.3擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能比擬2.3.1直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能直擴(kuò)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：1.強(qiáng)抗干擾能力。在直擴(kuò)系統(tǒng)中，信號(hào)通過(guò)相關(guān)接收，對(duì)有用信號(hào)擴(kuò)頻的過(guò)程中同時(shí)也對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)展了擴(kuò)頻，這就使干擾信號(hào)的功率大大降低，從很大意義上提高了信號(hào)的干比，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力進(jìn)展了又一次加強(qiáng)。2.抗多徑干擾。直擴(kuò)系統(tǒng)的抗多徑干擾能力在前文中也有提到，多徑信號(hào)伴隨正常信號(hào)一起被接收端接收，PN碼本身存在很好的相關(guān)特性，如果信號(hào)的時(shí)延超過(guò)一個(gè)碼元長(zhǎng)度，則相關(guān)后的輸出非常之低，利用這個(gè)特性，可以對(duì)多徑干擾加以消除。3.抗選擇性衰落性能良好。經(jīng)過(guò)直擴(kuò)處理后的信號(hào)在頻域頻譜寬度非常寬，因此少量的衰落對(duì)整體的影響可以忽略。4.有多址能力。組網(wǎng)可以通過(guò)不同的PN碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此很大程度上提高了組網(wǎng)能力，頻譜利用率高。直擴(kuò)系統(tǒng)也有缺點(diǎn)，表現(xiàn)在：1.捕獲時(shí)間長(zhǎng)。信號(hào)的捕獲時(shí)間與擴(kuò)頻偽碼的長(zhǎng)度成正比，當(dāng)擴(kuò)頻偽碼碼長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，捕獲的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)，以至于不能滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的要求。2.遠(yuǎn)近效應(yīng)嚴(yán)重。3.處理增益有限。2.3.2跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能跳頻系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)在：1.捕獲較快。相對(duì)于直擴(kuò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，快跳頻系統(tǒng)所使用的偽隨機(jī)碼速率較低，所以同步要求較低，因此短時(shí)間可以完成信號(hào)的捕獲。2.無(wú)遠(yuǎn)近效應(yīng)；3.可以有效的解決多徑干擾；4.在頻率選擇性衰落有良好的表現(xiàn)；跳頻系統(tǒng)也同樣有著其自身的缺點(diǎn)，表現(xiàn)在：1.由于跳頻信號(hào)的頻譜密度較高，比擬容易被發(fā)現(xiàn)，隱蔽性不夠。2.對(duì)于抗頻干擾無(wú)能為力；3.由于受到硬件條件限制，頻率發(fā)生器的速度也收到一定程度的限制；4.在系統(tǒng)中無(wú)法使用相干解調(diào)。2.3.3混合跳擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能通過(guò)比擬直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)和跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)的性能可以發(fā)現(xiàn)，直序列擴(kuò)頻系統(tǒng)與跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng)具有互補(bǔ)性。如果在一個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)融入了直擴(kuò)和跳頻技術(shù)，則整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾能力必然更上一個(gè)臺(tái)階。2.4擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步2.4.1同步不確定性的來(lái)源1.頻率源的漂移一般通信系統(tǒng)中所用的頻率并不像我們希望的那樣穩(wěn)定，它們對(duì)頻率不確定的影響是不能忽略的。在擴(kuò)頻系統(tǒng)中，頻率不確定性的其它結(jié)果也是顯而易見(jiàn)的。頻率源頻率的漂移，將引起碼元時(shí)鐘速率的偏移，積累為碼相位的偏移;頻率源頻率的漂移，還會(huì)引起載波頻率的漂移，使系統(tǒng)性能下降。2.電波傳播的時(shí)延同步不確定的主要來(lái)源是那些與時(shí)間和頻率有關(guān)的因素。如果接收機(jī)能夠準(zhǔn)確地知道通信距離和發(fā)射時(shí)間，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都具有足夠準(zhǔn)確的頻率源，它們就能得到所需的定時(shí)，就沒(méi)有同步問(wèn)題了，但這些假設(shè)本身就只是一種假設(shè)。3.多卜勒頻移在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中使用準(zhǔn)確的頻率源，可以去掉大局部碼速率、相位和載頻的不確定性，但不能完全克制由于多卜勒頻移引起的載波和碼速率的偏移。隨著移動(dòng)式發(fā)射機(jī)／接收機(jī)的每一次相對(duì)位置的改變,就會(huì)引起碼相位的變化。加到接收信號(hào)上的多卜勒頻率不確定的大小是接收機(jī)和發(fā)射機(jī)相對(duì)速率及發(fā)射頻率的函數(shù)。4.多徑效應(yīng)多徑是在傳輸過(guò)程中由于多路徑(反射、折射)傳播引起的。多徑效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響主要是引起碼相位、載波頻率相位延遲，造成同步的不確定性。由于傳播時(shí)延和多普勒頻移等因素，信號(hào)在傳輸過(guò)程中產(chǎn)生相位上的誤差和頻率上的偏移，使得接收端難以正常接收到信號(hào)。同步系統(tǒng)的作用就是解決上述兩種不確定性。捕獲和跟蹤是接收端系統(tǒng)中兩個(gè)同樣重要的局部。2.4.2直擴(kuò)同步的方法直擴(kuò)同步主要解決各個(gè)因素帶來(lái)的PN碼相位的誤差，以及載波頻率的偏移。其同步過(guò)程包含了對(duì)頻率和相位的二維過(guò)程。任何通信系統(tǒng)的同步過(guò)程都分為初始同步和跟蹤。1.初始同步，就是捕獲過(guò)程。捕獲過(guò)程主要解決由收發(fā)端距離不確定，晶振不一致以及收發(fā)相位不同引起的相位不確定性，和多普勒效應(yīng)引起的頻率不確定性。當(dāng)同步過(guò)程完成，系統(tǒng)可以根據(jù)已經(jīng)獲得的信息，來(lái)保持目前的同步狀態(tài)，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，這是因?yàn)橄到y(tǒng)在一般情況下，接收端都不會(huì)有或者只有少量的先驗(yàn)信息，所以系統(tǒng)無(wú)法根據(jù)先驗(yàn)信息來(lái)確定同步時(shí)間。捕獲過(guò)程的根本要，相位誤差小于一個(gè)碼元長(zhǎng)度。2.跟蹤，或稱(chēng)精同步。在初始已達(dá)成同步的情況下，由于系統(tǒng)的因素，以及飛行器飛行帶來(lái)的一些不確定因素，可能會(huì)造成碼相位的抖動(dòng)，如果該抖動(dòng)超過(guò)了允許的圍，則需要跟蹤系統(tǒng)對(duì)碼相位進(jìn)展校準(zhǔn)，否則會(huì)造成系統(tǒng)失步。直擴(kuò)系統(tǒng)的同步有以下幾種:(1)偽隨機(jī)碼同步。(2)位同步。(3)幀同步。(4)載波同步。直擴(kuò)系統(tǒng)的捕獲方法很多，按照不同的分類(lèi)方式可以劃分為串行、并行捕獲，時(shí)域、頻域捕獲，其中常用的有如下幾種：1.滑動(dòng)相干法在收發(fā)兩端，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置，使接收端本地PN碼和發(fā)射端PN碼序列發(fā)生器的速率有一定的差值，這樣會(huì)使得收發(fā)端PN碼序列的相位有一個(gè)相對(duì)滑動(dòng)的過(guò)程，此方法也是因此而得名，然后本地和接收到的PN碼進(jìn)展相關(guān)。當(dāng)本地和發(fā)射端PN碼相位一致時(shí)，相關(guān)累加器輸出的相關(guān)峰最大，初始同步完成。但是當(dāng)偽碼周期過(guò)長(zhǎng)的時(shí)候，該方法的捕獲時(shí)間難以滿(mǎn)足要求。2.序列匹配濾波器法匹配濾波器可以預(yù)置一個(gè)碼字序列在其中，當(dāng)接收到的碼字和預(yù)置的碼字到達(dá)匹配時(shí)，相關(guān)峰輸出到達(dá)最大值。直擴(kuò)信號(hào)的捕獲就是通過(guò)這個(gè)原理完成的。此方法可以實(shí)現(xiàn)快速同步，但是面對(duì)長(zhǎng)碼的快速捕獲還是不能滿(mǎn)足要求。3.發(fā)射參考信號(hào)法(獨(dú)立信道法)在此方法中，發(fā)射機(jī)同時(shí)發(fā)射擴(kuò)頻信號(hào)和同步信號(hào)。接收端通過(guò)提取發(fā)端發(fā)出的同步信息來(lái)完成系統(tǒng)的同步。此方法的優(yōu)點(diǎn)很明顯，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，防止了資源的大量消耗。但是缺點(diǎn)是同步信息容易被干擾。4.通用定時(shí)法此方法需要一個(gè)及其準(zhǔn)確穩(wěn)定的時(shí)鐘作為整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)。收發(fā)端系統(tǒng)的所有時(shí)鐘都通過(guò)這個(gè)基準(zhǔn)來(lái)校準(zhǔn)，從而到達(dá)收發(fā)端的同步。但是由于信號(hào)傳輸會(huì)帶來(lái)時(shí)延，并且飛行器處于高速運(yùn)行狀態(tài)，信號(hào)從發(fā)端到收端時(shí)間總是不同步的，即使時(shí)延十分微小，對(duì)于精度要求較高的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)還是會(huì)造成不小的影響。該方法對(duì)跟蹤系統(tǒng)的要求較高，主要應(yīng)用于GPS等衛(wèi)星通信領(lǐng)域。5.突發(fā)同步(或同步字頭法)發(fā)射端通過(guò)發(fā)送一組特殊的短碼序列，攜帶同步信息供接收端提取，快速建立同步，該同步信息被稱(chēng)為“同步頭〞。此方法的有點(diǎn)是同步速度快，但這種方法對(duì)同步頭的依賴(lài)性很強(qiáng)，敵方只需要捕獲或者干擾信號(hào)的同步頭，就可以到達(dá)破壞對(duì)方正常通信的目的。2.4.3跳頻同步的方法跳頻系統(tǒng)中的同步一般有以下幾種:(1)載波同步。(2)跳頻圖案的同步。(3)信息碼同步。(4)幀同步。跳頻同步完成的關(guān)鍵是接收站必須能夠解調(diào)出相關(guān)的同步信息，此處需要獲得的跳頻信息主要是指在*一時(shí)刻的跳頻頻點(diǎn)，和該頻點(diǎn)所對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器的地址碼。和直擴(kuò)同步一樣，在跳頻同步中仍然有很多方法可以采用，但是具體需要使用哪種方法必須根據(jù)具體情況來(lái)決定，同步方法可以分為如下幾類(lèi)：1.獨(dú)立信道法。首先對(duì)跳頻同步信息進(jìn)展封裝，然后開(kāi)設(shè)一個(gè)專(zhuān)用的頻率通道，用來(lái)傳輸此同步信息。此方法的優(yōu)點(diǎn)是，一次能夠傳輸大亮的同步信息，這樣能有利于提高同步建立的速度，并且能保持系統(tǒng)同步的連續(xù)性；其缺點(diǎn)是信道頻率固定，因此同步信息易被發(fā)現(xiàn)和干擾，性和平安性不夠，并且設(shè)備復(fù)雜。2.參考時(shí)鐘法。該方法對(duì)組網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)TOD(公共時(shí)鐘基準(zhǔn))，該組網(wǎng)可以直接接入。TOD越穩(wěn)定，則跳頻速率可以設(shè)置的更高，同步時(shí)間也更快，適用于快跳頻系統(tǒng)中。該方法多用GPS同步系統(tǒng)中。3.同步字頭法。和獨(dú)立信道法類(lèi)似，同樣對(duì)跳頻同步信息進(jìn)展封裝，只不過(guò)，將封裝好的同步信息至于有用信號(hào)的前端，一次發(fā)送，接收端按照同步頭來(lái)建立同步。此方法的優(yōu)點(diǎn)是搜索快，易實(shí)現(xiàn)，在跳頻序列很長(zhǎng)的情況下又要求很快的同步速度時(shí)顯得非常有優(yōu)勢(shì)；其缺點(diǎn)和獨(dú)立信道法一樣，所所以使用該方法時(shí)要盡量提高同步頭的隱蔽和抗干擾性能。4.自同步法。該方法是在一個(gè)跳頻周期中的不同頻點(diǎn)中，穿插參加跳頻信息，在接收端通過(guò)解碼來(lái)獲取其同步信息。該方法的優(yōu)點(diǎn)很明顯，因?yàn)榕c同步字頭法相比，其取消了同步頭這一局部，因而在傳輸信息時(shí)可以攜帶更多的有用信息，信息利用率高，在有效控制系統(tǒng)復(fù)雜度的情況下提高了同步信息的抗干擾能力；但是其缺點(diǎn)也非常顯著，同步時(shí)間過(guò)長(zhǎng)使得其不能適用在快跳頻系統(tǒng)中。自同步發(fā)可以保證同步信息的平安性和隱蔽性，但是初始同步速度過(guò)慢；同步字頭發(fā)能夠在短時(shí)間能完成初始同步，但是同步信息危險(xiǎn)性較高，容易被干擾。在實(shí)際的系統(tǒng)中往往是用幾種方法的結(jié)合，以到達(dá)最正確效果。

第三章DS/FH擴(kuò)頻系統(tǒng)的同步研究我們將直接序列擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)相結(jié)合形成的混合擴(kuò)頻系統(tǒng)的抗干擾能力和性更強(qiáng)，更難被干擾和截獲。然而，信號(hào)檢測(cè)和干擾技術(shù)也在不斷的開(kāi)展，在性要求極高的場(chǎng)合，對(duì)系統(tǒng)的平安性和可靠性一直有著很高的要求。對(duì)于跳擴(kuò)頻系統(tǒng)的干擾主要有跟蹤式干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾，對(duì)DS/FH系統(tǒng)而言，最有效的對(duì)抗這些干擾的方法是提高系統(tǒng)的擴(kuò)頻增益和跳頻速率。DS/FH系統(tǒng)一般還采用超長(zhǎng)周期的跳頻偽隨機(jī)碼以便增加截獲的難度，即采用近乎無(wú)規(guī)律的跳頻?？梢钥闯?，直擴(kuò)和跳頻偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，跳頻速率越快，系統(tǒng)同步難度越大。另外，在復(fù)雜的電磁環(huán)境中，存在著衰落、噪聲和各種人為干擾以及多普勒頻移，這些因素都給DS/FH系統(tǒng)的同步帶來(lái)了困難。DS/FH系統(tǒng)的同步必須在可實(shí)現(xiàn)的前提下同時(shí)具備較強(qiáng)的抗干擾能力和較快的同步建立速度。DS/FH系統(tǒng)同時(shí)包含了直接序列擴(kuò)頻和跳頻兩種擴(kuò)頻方式，所以DS/FH混合擴(kuò)頻的同步包括直擴(kuò)同步和跳頻同步。直擴(kuò)同步是指直擴(kuò)碼的相位一致以及載波頻率一致，而跳頻同步指的是收發(fā)端跳頻序列一樣，跳頻圖案一樣，跳變的起止時(shí)刻也一樣。要給出DS/FH混合擴(kuò)頻的總體方案，就必須首先確定直擴(kuò)同步和跳頻同步的方法。上一章中已對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題予以了討論，這一章我們研究一種DS/FH混合擴(kuò)頻同步的方案。3.1基于PMF-FFT的直擴(kuò)同步直擴(kuò)同步需要解決收發(fā)端直擴(kuò)碼的對(duì)齊和載波頻率的一致的問(wèn)題。在DS/FH系統(tǒng)中常常存在較大的載波頻偏，會(huì)這會(huì)導(dǎo)致相關(guān)峰值出現(xiàn)較大的衰減，造成捕獲的失敗。在直擴(kuò)同步時(shí)，有必要在對(duì)齊直擴(kuò)偽碼的同時(shí)對(duì)載波頻偏做出估計(jì)，以便對(duì)本地載波進(jìn)展粗調(diào)整。因此，直擴(kuò)的同步包括了在時(shí)域上對(duì)偽碼和頻域上對(duì)載波頻偏的二維搜索。DS/FH系統(tǒng)變頻后的信號(hào)可看成是被載波頻偏調(diào)制后的信號(hào)，可以對(duì)其做FFT進(jìn)展分析以得到載波頻偏并捕獲擴(kuò)頻碼。這樣，就把時(shí)域和頻域二維的搜索轉(zhuǎn)換成了對(duì)時(shí)域的一維搜索，大大減少了同步時(shí)間。3.1.1PMF-FFT的構(gòu)造如果直接做FFT，采樣點(diǎn)數(shù)太多，可以采取局部匹配濾波的方法，將局部數(shù)據(jù)進(jìn)展相關(guān)運(yùn)算，然后對(duì)相關(guān)運(yùn)算后的結(jié)果作FFT變換。PMF-FFT的構(gòu)造如圖3-1所示。圖3-1PMF-FFT構(gòu)造圖r(t)依次進(jìn)入P個(gè)級(jí)聯(lián)的相關(guān)器，在每個(gè)相關(guān)器中，只有r(t)和本地?cái)U(kuò)頻碼調(diào)制后的載波y(t)的一局部進(jìn)展相關(guān)運(yùn)算。當(dāng)一個(gè)偽碼周期的采樣點(diǎn)數(shù)為M時(shí)，則每個(gè)相關(guān)器的長(zhǎng)度為*=M/P。對(duì)P個(gè)局部的相關(guān)結(jié)果進(jìn)展N點(diǎn)FFT運(yùn)算，當(dāng)直擴(kuò)偽碼對(duì)齊時(shí)，F(xiàn)FT結(jié)果將會(huì)在*個(gè)通道出現(xiàn)峰值。通過(guò)峰值檢測(cè)就可以得到相應(yīng)的載波頻偏并進(jìn)展頻率補(bǔ)償。3.1.2捕獲性能分析第n個(gè)PMF的輸出為：〔3-1〕其中為偽碼相位延遲，*為PMF的長(zhǎng)度，為載波頻偏，為采樣間隔時(shí)間。令當(dāng)偽碼對(duì)齊時(shí)，=0，有：〔3-2〕其N(xiāo)點(diǎn)離散FFT變換為：〔3-3〕其中，k為FFT的通道序數(shù)。其歸一化幅值為：〔3-4〕取N個(gè)通道中的最大值即為PMF-FFT峰值輸出。由(3-4)式可知，當(dāng)，即時(shí)，歸一化幅值取得最大值。此時(shí)的通道序數(shù)k即反響了載波頻偏的大小，可以估計(jì)出載波頻偏：，是系統(tǒng)的速據(jù)率。各個(gè)通道的輸出分別反響了在不同的頻率補(bǔ)償下獲得的相關(guān)峰值。輸出值最大的說(shuō)明補(bǔ)償?shù)米詈茫鄳?yīng)的頻率就離實(shí)際的載波頻偏更接近。注意到隨著載波頻偏的增大，輸出的峰值逐漸減小。PMF的數(shù)量P影響載波頻偏的分析圍，而FFT點(diǎn)數(shù)N影響載波頻偏的分析精度。PMF-FFT的頻率檢測(cè)圍為，而檢測(cè)精度為.由于局部相關(guān)帶來(lái)的損失，實(shí)際的頻率檢測(cè)圍設(shè)為f/4，增加PMF數(shù)量可以在降低檢測(cè)精度的同時(shí)增大檢測(cè)圍，而增加FFT點(diǎn)數(shù)可以提高檢測(cè)精度。在P=8,16,32，N=P時(shí)PMF-FFT的歸一化輸出曲線(xiàn)如圖3-2所示?？梢钥吹?，隨著P的增加，系統(tǒng)輸出的3dB帶寬變寬，可以捕獲到更大的載波頻偏。此時(shí)N隨P一起增加，所以檢測(cè)精度沒(méi)有下降。圖3-2PMF-FFT輸出和PMF數(shù)量的關(guān)系從圖3-2可以看到，當(dāng)載波頻偏處在相鄰兩個(gè)FFT通道對(duì)應(yīng)的頻率之間時(shí)，輸出會(huì)有較大的損失，因?yàn)檫@時(shí)檢測(cè)精度不夠，相鄰兩個(gè)通道都不能很好地對(duì)其做出補(bǔ)償。通過(guò)增加FFT點(diǎn)數(shù)，即補(bǔ)零的方法，可以提高分析精度，降低損失。采用PMF-FFT的直擴(kuò)捕獲方法，可以在較大頻偏圍工作，并可以對(duì)頻偏做出有效估計(jì)，使進(jìn)一步提高跳速，獲得更強(qiáng)的抗干擾與抗截獲能力成為可能。3.2基于局部監(jiān)測(cè)的跳頻同步3.2.1跳頻同步方法跳頻同步要解決的問(wèn)題是收發(fā)端跳頻序列和跳變起止時(shí)刻的同步，跳變起止時(shí)刻的同步又是其中的關(guān)鍵。對(duì)于高速的DS/FH系統(tǒng)，為了增強(qiáng)抗截獲性能，經(jīng)常會(huì)采取超長(zhǎng)周期的偽隨機(jī)跳頻碼，并且前后頻點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)重復(fù)和交疊，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下常常難以分辨，這些都導(dǎo)致自同步法實(shí)現(xiàn)的困難。因此，只能結(jié)合外同步的方法，又因?yàn)橥馔椒垢蓴_性能較低，因此需要采取措施加強(qiáng)外同步法的抗干擾性能。本文研究的DS/FH系統(tǒng)同步方法基于同步字頭的思想，在正式通信之前，通過(guò)發(fā)送同步字頭來(lái)到達(dá)同步。由本地密鑰(PK)和時(shí)間信息(TOD)共同產(chǎn)生時(shí)變的同步跳頻偽隨機(jī)序列，發(fā)送端在相應(yīng)的同步頻率上發(fā)送同步信息，接收端捕獲并接收到同步信息后，收發(fā)端到達(dá)同步。本節(jié)研究了在同步信道上使用局部監(jiān)測(cè)法的快速捕獲同步信息的跳頻同步方法。在DS/FH系統(tǒng)中，不一定需要非常強(qiáng)的抗干擾性能?？梢栽跐M(mǎn)足抗干擾性能的前提下，減少匹配濾波通路的數(shù)量，只用一定數(shù)量的頻點(diǎn)來(lái)進(jìn)展同步信息的捕獲。根據(jù)此想法提出的同步系統(tǒng)原理如圖3-3所示。接收端在所有同步頻點(diǎn)中隨機(jī)選擇M個(gè)頻點(diǎn)，這些頻點(diǎn)在跳頻圖案上連續(xù)，然后設(shè)置對(duì)應(yīng)的M條匹配濾波通路。每一條匹配濾波通路對(duì)該通路上的直擴(kuò)信號(hào)進(jìn)展PMF-FFT的解直擴(kuò)運(yùn)算并檢測(cè)各PMF-FFT的輸出，如果超過(guò)門(mén)限則認(rèn)為成功捕獲到了該頻率。將各通路的檢測(cè)結(jié)果經(jīng)過(guò)相應(yīng)的延時(shí)相加，在一個(gè)同步跳頻周期，如果捕獲的頻點(diǎn)數(shù)超過(guò)門(mén)限，則認(rèn)為捕獲到了同步信號(hào)。接收端立即將匹配濾波通路調(diào)整到下M個(gè)頻點(diǎn)，進(jìn)展同步驗(yàn)證。如果在一個(gè)同步周期，總捕獲到的同步信號(hào)頻點(diǎn)數(shù)超過(guò)了門(mén)限，則認(rèn)為是捕獲成功。接收端將本地載波調(diào)整到與發(fā)送端一致，開(kāi)場(chǎng)接收同步信息。對(duì)同步的驗(yàn)證過(guò)程不僅是為了減少虛同步的概率，而且是為了對(duì)各個(gè)頻點(diǎn)上的頻偏做出估計(jì)。這里沒(méi)有對(duì)所有的L個(gè)同步頻點(diǎn)設(shè)置匹配濾波通路，只是選了M個(gè)同步頻點(diǎn)來(lái)進(jìn)展監(jiān)測(cè)，因此稱(chēng)為局部監(jiān)測(cè)法。圖3-3局部監(jiān)測(cè)同步原理圖接收端在捕獲到同步信號(hào)并對(duì)載波頻偏做出調(diào)整，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)后，就可以開(kāi)場(chǎng)接收同步信息。接收端在未取得信道同步前，每經(jīng)過(guò)一個(gè)同步跳頻周期，就在可能的同步頻點(diǎn)上切換以對(duì)抗局部信道干擾，進(jìn)一步提高抗干擾性能。3.2.2同步性能分析下面分析在無(wú)法確定干擾的具體形式、分布和強(qiáng)度等的情況下，局部監(jiān)測(cè)法的同步性能。由于各個(gè)同步頻點(diǎn)在整個(gè)DS/FH系統(tǒng)帶寬寬間隔隨機(jī)分布，可以假設(shè)L個(gè)同步頻點(diǎn)等概率地受到概率為的干擾。并設(shè)*個(gè)頻點(diǎn)被干擾后，出現(xiàn)漏警和虛警的概率分別為和。干擾的強(qiáng)度對(duì)p和有不同的影響。設(shè)判決門(mén)限為H(0<H<=M)，也就是說(shuō)在一個(gè)同步跳頻周期，成功檢測(cè)到的頻點(diǎn)數(shù)大于等于H剛認(rèn)為捕獲成功，否則認(rèn)為捕獲失敗。在M個(gè)監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)中，有k個(gè)同時(shí)被干擾的概率為，其中為二項(xiàng)式系數(shù)。同步信號(hào)到來(lái)時(shí)漏捕獲的概率和沒(méi)有同步信號(hào)時(shí)誤捕獲的概率分別為：〔3-5〕當(dāng)M=L時(shí)，局部監(jiān)測(cè)等效為全匹配濾波同步，此時(shí)有 〔3-6〕〔3-7〕當(dāng)M=1時(shí)，局部監(jiān)測(cè)等效為慢速掃描同步，此時(shí)有，局部監(jiān)測(cè)和慢速掃描在捕獲到同步信號(hào)后要掃描所有的頻點(diǎn)進(jìn)展同步驗(yàn)證，實(shí)際可以獲得和匹配濾波法一樣的誤捕獲率。但是，要付出一定的同步驗(yàn)證時(shí)間作為代價(jià)。如果發(fā)生了誤捕獲并且同步信號(hào)恰好在驗(yàn)證時(shí)到來(lái)，則同步捕獲的時(shí)間將比在正常情況下有所延長(zhǎng)?？紤]判決門(mén)限H的選取?？梢钥闯?，漏捕獲率隨H增大而增加，誤捕獲率隨H增大而減少，這兩者存在著矛盾關(guān)系。在同步頻點(diǎn)數(shù)L=32，干擾概率為0.5，監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)為M=8，=0.25,=0.5的情況下，同步漏捕獲率和誤捕獲率與H的關(guān)系如下列圖3-4所示。具體如何選擇H要看實(shí)際需求，如果考慮相對(duì)于漏捕獲，干擾對(duì)誤捕獲的影響更大，則可以取大一些的H值。圖3-4同步漏捕獲率和誤捕獲率與判決門(mén)限的關(guān)系在沒(méi)有干擾的情況下，系統(tǒng)可以在同步信號(hào)第一次到來(lái)時(shí)就捕獲成功。這里的捕獲成功指的是接收端和發(fā)送端在同步信道上到達(dá)同步，完成了同步驗(yàn)證和頻偏估計(jì)等過(guò)程，可以開(kāi)場(chǎng)接收同步信息。系統(tǒng)在第k個(gè)頻隙捕獲成功的概率為：〔3-8〕平均捕獲時(shí)間為：〔3-9〕其中(L-M)是同步驗(yàn)證需要的時(shí)間。當(dāng)M=L時(shí)，局部監(jiān)測(cè)等效為全匹配濾波同步，此時(shí)有，；當(dāng)M=1時(shí)，局部監(jiān)測(cè)等效為慢速掃描同步，此時(shí)有：圖3-5描述了無(wú)干擾情況下匹配濾波法、局部監(jiān)測(cè)法和慢速掃描法的平均捕獲時(shí)間E(T)隨同步頻點(diǎn)數(shù)L變化的情況，監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)。由于沒(méi)有干擾，所以捕獲時(shí)間隨L線(xiàn)性增加?？梢钥闯觯植勘O(jiān)測(cè)法的捕獲時(shí)間介于匹配濾波法和慢速掃描法之間。這三種同步方法的捕獲速度都是比擬快的。圖3-5平均捕獲時(shí)間與同步頻點(diǎn)數(shù)的關(guān)系在存在干擾，如果超過(guò)一個(gè)同步周期還沒(méi)有捕獲到同步信號(hào)，則繼續(xù)在其它同步頻點(diǎn)中隨機(jī)選取M個(gè)連續(xù)頻點(diǎn)數(shù)進(jìn)展捕獲，如此重復(fù)直到捕獲成功。則系統(tǒng)在第k次捕獲到同步信號(hào)的概率為：〔3-10〕所用時(shí)間為：〔3-11〕則平均捕獲時(shí)間為：〔3-12〕將相應(yīng)的和代入(3-12)就可以得到在存在干擾匹配濾波法、局部監(jiān)測(cè)法和慢速掃描法的平均捕獲時(shí)間。在存在干擾，局部監(jiān)測(cè)法的平均捕獲時(shí)間E(T)、單頻點(diǎn)漏警概率為和干擾幾率之間的關(guān)系如圖3-6所示。圖中同時(shí)畫(huà)出了匹配濾波法和慢速掃描法的對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)。其中同步頻點(diǎn)數(shù)L=32，監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)M=8，判決門(mén)限H=5。和的增大都將導(dǎo)致同步漏捕獲率的增加?？梢钥闯?，慢速掃描法的平均捕獲時(shí)間最長(zhǎng)，幾乎隨和線(xiàn)性增加。匹配濾波法的平均捕獲時(shí)間最短，隨和增加的很小，這是因?yàn)槠淇垢蓴_性能很強(qiáng)的緣故。局部監(jiān)測(cè)法的平均捕獲時(shí)間處于中間，其隨和增加得比匹配濾波法稍快，比慢速掃描法要慢?？梢钥闯?，局部監(jiān)測(cè)法在大幅降低系統(tǒng)資源消耗的情況下，依然保持了良好的捕獲速度和抗干擾性能。圖3-6a)平均捕獲時(shí)間與單頻點(diǎn)漏警概率的關(guān)系圖3-6b)平均捕獲時(shí)間與干擾幾率的關(guān)系綜上所述，局部監(jiān)測(cè)法相對(duì)于慢速掃描法來(lái)說(shuō)，增加了一些資源資源消耗，但在抗干擾性能和捕獲速度上獲得了明顯的提升。與匹配濾波法相比，它又大幅降低了系統(tǒng)資源消耗，性能雖有所下降但仍然能夠很好地滿(mǎn)足需求。所以，局部監(jiān)測(cè)法為慢速掃描和匹配濾波的折中，可以通過(guò)合理地選擇監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)的數(shù)量M，在捕獲時(shí)間、抗干擾性能和系統(tǒng)復(fù)雜度上到達(dá)平衡。圖3-7監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)對(duì)同步性能的影響最后考慮監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)M的選取。圖3-7給出了同步頻點(diǎn)數(shù)L=32，干擾幾率0.5，單頻點(diǎn)漏警概率=0.25，虛警概率=0.5，判決門(mén)限H=0.5M的情況下漏捕獲率、誤捕獲率和平均捕獲時(shí)間E(T)隨監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)M變化的曲線(xiàn)。可以看出，隨著M的增加，同步漏捕獲率和誤捕獲率都會(huì)降低，平均捕獲時(shí)間減少。如果系統(tǒng)沒(méi)有最長(zhǎng)平均捕獲時(shí)間、最大漏捕獲率、最大誤捕獲率或最大監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)的限制，則可以看出，監(jiān)測(cè)頻點(diǎn)數(shù)為7~8個(gè)左右可以到達(dá)最優(yōu)。3.3DS/FH混合擴(kuò)頻同步方案綜合以上的直擴(kuò)和跳頻同步方法，本文描述了完整的高速DS/FH混合擴(kuò)頻系統(tǒng)同步方案。系統(tǒng)基于同步字頭來(lái)到達(dá)同步，也就是發(fā)送端在發(fā)送數(shù)據(jù)前先發(fā)送同步信息，接收端捕獲到此同步信息后，將跳頻偽碼調(diào)整到與發(fā)送端準(zhǔn)確一致以到達(dá)同步。同步信息的傳送是在特定的同步信道上進(jìn)展的，而同步信道會(huì)根據(jù)TOD不斷變化。系統(tǒng)在初始化時(shí)就確定了數(shù)據(jù)的跳頻圖案和原始密鑰PK。收發(fā)兩端部各有一個(gè)時(shí)鐘，發(fā)送端和接收端根據(jù)此時(shí)鐘產(chǎn)生的TOD信息和原始密鑰PK計(jì)算出一個(gè)L位的跳頻偽隨機(jī)序列，并由此產(chǎn)生L個(gè)非重復(fù)的同步頻點(diǎn)。L的選取原則要綜合考慮需求和實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。取得太小會(huì)使得同步信道的抗干擾性變差，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性將會(huì)大打折扣。但也不能取得太大，這樣不利于寬間隔跳頻，對(duì)抗干擾性能沒(méi)有提升還會(huì)增加同步時(shí)間，而且L越大實(shí)現(xiàn)難度也越大。發(fā)送端在這L個(gè)同步頻點(diǎn)上發(fā)送同步信息，同步信息包括用于判斷幀頭的前導(dǎo)序列、發(fā)送端的TOD