（交通信息工程及控制专业论文）准同步跳频通信系统信号设计、多址干扰与同步性能分析.pdf

西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 摘要 在码分多址跳频( f h c d m a ) 通信系统中，跳频序列汉明白相关和互相 关特性的好坏在很大程度上决定了系统白干扰( s i ) 、多址接入干扰( m a i ) 的大 小，从而直接影响着系统性能的优劣和容量。无碰撞区附h z ) 跳频序列概念的 提出，为进一步提高f h c d m a 系统抵制多址干扰能力、提高系统性能提供了 一种新的选择。本文基于无碰撞区m h z ) 跳频序列的概念，对准同步组网跳频 通信系统及系统收发同步相关技术进行分析与研究，得到了一些重要的结果。 论文首先从已有的周期零相关区( z c z ) - 元扩频序列入手，寻找满足汉明 相关函数具有无碰撞区特性且接近或达到理论界的跳频序列。通过对周期z c z 二元扩频序列的特定状态字子集进行映射，构造出无碰撞区( n h z ) 髟l 频序列集， 文中列出了获取n h z 跳频序列的八个z c z 二元扩频序列的子集，给出的映射 规律揭示了z c z 二元扩频序列集与n h z 跳频序列集的内在联系。在四种构造 方法中，初始序列采用互补序列对的方法i i i 、在特定条件下达到n h z 跳频 序列设计的理论界，即最佳n h z 跳频序列。 其次，针对考虑频率碰撞边缘效应的四碰撞态m a r k o v 链多址干扰( m a i ) 分析模型特点，结合n h z 跳频序列的汉明互相关特性及n h z 准同步跳频通信 系统多址接入的特点，获得了n h z 准同步跳频系统多址干扰的分析模型。同 时分析并比较了n h z 准同步跳频通信系统与同步、异步跳频通信系统的多址 干扰性能。研究结果表明，采用n h z 跳频序列的准同步跳频通信系统的m a i 性能优于采用随机跳频序列的异步跳频通信系统。 接着，论文通过分析b f s k 调制的异步跳频通信系统日1 ) 个不同时延干 扰用户干扰项的条件方差，从系统信噪干比( s r ) 概率分布入手，导出异步跳 频通信系统错误概率的准确闭合解。该表达式是系统所采用跳频模式的频率全 碰撞概率、部分碰撞概率、异步干扰信号时延以及系统用户数的函数。在此基 础上，针对n h z 跳频序列汉明互相关函数的特性，分析了n h z 准同步跳频通 信系统的频率全碰撞概率和部分碰撞概率，以及n h z 准同步跳频系统多址干 扰的条件方差，进而给出b f s k 调制的n h z 准同步跳频通信系统错误概率闭 合解。该表达式是系统用户数、异步干扰信号时延、系统所采用的n h z 跳频 序列长度和无碰撞区长度的函数。论文基于准确闭合解，分析比较了异步、准 同步和同步跳频通信系统在不同用户数的错误概率，以及干扰用户时延对系统 错误概率的影响，并将分析闭合解与高斯近似解做了比较。数值计算结果表明， 第| l 页西南交通大学博士研究生学位论文 本文所给出的闭合解比高斯近似法更紧。 然后，论文分析研究了在多径信道下，跳频通信系统存在收发时间和频率 同步误差时，多径分量时延引起的相位变化对非相干f h m f s k 和s f h m f s k 系统信号正交性的影响。引入门函数表示跳频通信系统存在时间同步误差及多 径时延时，一跳持续时间内传输信号的有效时间长度，推导出各种条件下的系 统信号正交损失因子表达式，其中f h m f s k 系统的结果是s f h m f s k 系统的 特例。结果显示，多径衰落信道下的跳频通信系统信号正交性损失不仅与多径 时延、衰落信号强度、时间同步误差有关，而且和多径时延引起的相位变化也 有关，进而会影响系统的b e r 特性。数值计算结果表明，多径衰落分量的相位 变化对非相干解调f h m f s k 通信系统存在收发时间同步误差时的信号正交性 会产生不同程度的影响，因而表明了非相干解调f h m f s k 系统的性能与多径 衰落分量相位变化的关联性。 最后论文研究了系统在全频带和部分频带噪声干扰下，多径分量时延引起 的相位变化对非相干f h m f s k 系统时间同步和频率同步误差估计性能的影 响，给出了不同情况下系统时间同步误差和频率同步误差谱估计值的均值和方 差表达式。数值计算结果表明，多径分量的相位变化会影响时间同步误差谱估 计均值的准确性。 关键字：n h z 跳频序列，n h z 准同步跳频系统，m a i ，s i n r ，信号正交性， 时间同步，频率同步 西南交通大学博士研究生学位论文第1 ii 页 a b s t r a c t i n f r e q u e n c yh o p p i n g c o d e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s( f h c d m a ) c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，t h eh a m m i n g a u t o c o r r e l a t i o na n dc r o s s c o r r e l a t i o n p r o p e r t i e so ft h ef r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e se m p l o y e dp l a ya ni m p o r t a n tr o l eo n t h el e v e lo ft h es e l f - i n t e r f e r e n c e ( s o ，m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ( m a i ) ，t h e r e f o r e d i r e c t l yi n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c ea n dc a p a c i t yo ft h ef h c d m as y s t e m s t h ei d e a o fn oh i tz o n e ( n h z ) f o rf r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c eg i v e san e wc h o i c et oe n h a n c e t h em u l t i p l ea c c e s sp e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s s o m eb e n e f i c i a lr e s u l t sa r eo b t a i n e d b yi n v e s t i g a t i n go nt h et e c h n i q u e so fq u a s i s y n c h r o n i z a t i o na n ds y n c h r o n i z a t i o nf o r f r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e mb a s e do nt h ec o n c e p to fn h zf r e q u e n c yh o p p i n g s e q u e n c e s f i r s t l y , b ye m p l o y i n gt h ep e r i o d i cz e r oc o r r e l a t i o nz o n e ( z c z ) b i n a r ys p r e a d s p e c t r u ms e q u e n c e so b t a i n e d ，t h i st h e s i sg e n e r a t e san e wc l a s so f 仔e q u e n c yh o p p i n g s e q u e n c es e t sw h i c hn o to n l yh a v en oh i tz o n eh a m m i n gc o r r e l a t i o np e r f o r m a n c e b u ta l s oa p p r o a c ho ra c h i e v et h et h e o r e t i cb o u n d t h e r ea r ee i g h ts u b s e t st h a tc a nb e m a p p e dt on h zf r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e sa n dt h e s em a p p i n gs h o w su pt h e r e l a t i o n s h pb e t w e e nn h zs e q u e n c e sa n dz c zs e q u e n c e s t h ep r o p o s e df o u r m e t h o d sw h e r em e t h o d si i ia n di vw i t hc o m p l e m e n t a r ys e q u e n c e sa ss t a r t e ra r e o p t i m a ln h zs e q u e n c e sw h i c ha c h i e v et h et h e o r e t i c a lb o u n du n d e rs o m ec o n d i t i o n s s e c o n d l y , b a s e do nt h ef o u rh i ts t a t e sm a r k o vm o d e lw h i c ht a k e si n t oa c c o u n t t h em a r g i n a le f f e c to ft h em u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e s ( m a i ) i nf r e q u e n c y - h o p p i n g c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，c o m b i n i n gt h eh a m m i n gc r o s s c o r r e l a t i o np e r f o r m a n c eo f n h zf r e q u e n c yh o p p i n g s e q u e n c e s a n dt h e m u l t i p l e a c c e s sc h a r a c t e r i s t i co f q u a s i s y n c h r o n o u s ( q s ) f h c d m as y s t e m ，t h em a ip e r f o r m a n c ea n a l y s e sm o d e l f o rn h zq s - f h c d m as y s t e mi s g i v e n t h et h e s i sa n a l y s i sa n dc o m p a r e st h e m u l t i p l e a c c e s si n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e sf o rn h zq s - f h c d m as y s t e m ， s y n c h r o n i o u sf h - c d m as y s t e ma n da s y n c h r o n i o u sf h c d m as y s t e m t h er e s u l t s s h o w nt h a tt h em a ip e r f o r m a n c eo fn h zq u a s i s y n c h r o n o u ss y s t e mu s e dn h z s e q u e n c e so u t p e r f o r m st h ea s y n c h r o n o u ss y s t e me m p l o y i n gr a n d o mh o p p i n g f r e q u e n c ys e q u e n c e s t h i r d l y , t h ec o n d i t i o n a ld e v i a t i o no fm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e so fk ( k i ) u s e r sw h i c hh a v ed i f f e r e n tt i m ed e l a y si nt h ea s y n c h r o n i o u sf hs y s t e ma n dt h e p r o b a b i l i t yd i s t r i b u t i o nf u n c t i o n ( p d f ) o fs i g n a ln o i s ep l u si n t e r f e r e n c er a t i o ( s i n r ) a r ea n a l y z e d ，t h e nt h ee x a c tc l o s e df o r me x p r e s s i o n so fe r r o r p r o b a b i l i t yo f a s y n c h r o n i o u sf hs y s t e ma r eo b t a i n e d ，w h i c hi st h ef u n c t i o no ff r e q u e n c yf u l lh i t 第1 v 页西南交通大学博士研究生学位论文 p r o b a b i l i t y , f r e q u e n c yp a r t i a lh i tp r o b a b i l i t y , t i m ed e l a yo fi n t e r f e r e n c es i g n a la n d t h en u m b e ro fu s e eb a s e do nt h eh a m m i n gc r o s s c o r r e l a t i o np e r f o r m a n c eo fn h z f r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e s ，t h ef r e q u e n c yf u l lh i tp r o b a b i l i t ya n df r e q u e n c y p a r t i a lh i tp r o b a b i l i t yo fn h z q s - f h - c d m as y s t e ma n dt h ec o n d i t i o n a ld e v i a t i o n o fm u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c ef o rn h z q s f h c d m as y s t e ma r ea n a l y z e d ，a n d t h e nt h ee x a c tc l o s e df o r me x p r e s s i o n so fe r r o rp r o b a b i l i t yo fn h z o s f h c d m l a s y s t e ma r ea l s oo b t a i n e d b e s i d e st h ea b o v ev a r i a b l e s ，t h ee x p r e s s i o ni n v o l v e sa l s o t h el e n g t ho fs e q u e n c e sa n dt h es i z eo fn oh i tz o n e c o m p a r e dw i t hg a u s s i a n a p p r o x i m a t em e t h o d ，t h eo b t a i n e dc l o s e df o r me x p r e s s i o ni sm u c ht i g h t t h e n ，t h ee f f e c to fm u l t i p a t hf a d i n go no r t h o g o n a l i t yo fs i g n a lt o n e si n f h m f s ka n di ns f h m f s kw i t hn o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o na n dt i m ea n d f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r a r e a n a l y z e d b yu s i n g t h e g a t e f u n c t i o nt o r e p r e s e n tt h ev a l i dl e n g t ho fs i g n a li nt i m es y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra n dm u l t i p a t ht i m e d e l a y , ag e n e r a le x p r e s s i o no fo r t h o g o n a l i t yl o s sf a c t o rd i n lw h i c hi sa p p r o p r i a t ei n v a r i o u sc o n d i t i o n si sd e r i v e d t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h ed i ni sd e t e r m i n e dn o to n l y b yt h em u l t i p a t hd e l a y s ，s i g n a ls t r e n g t hf a d i n ga n ds y n c h r o n i z a t i o nt i m ee r r o r ，b u t a l s ob yt h ep h a s ev a r i a t i o n sc a u s e db ym u l t i p a t ht i m ed e l a y s f u r t h e r ，t h es c e n a r i oo f f i 【m f s ki st h es p e c i a lc a s eo fs f h m f s ks y s t e m n u m e r i c a lr e s u l t sd e m o n s t r a t e t h a tt h ee f f e c t sv a r yw i t hd i f f e r e n tp h a s ev a r i a t i o n s t h i sr e s u l tw i l lf u r t h e ra f f e c t b e rp e r f o r m a n c eo ff h m f s ks y s t e m s t h u si ti sn ol o n g e r a p p r o p r i a t e t o c o n s i d e rt h a tt h em f s kn o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o ni si n d e p e n d e n to ft h ep h a s e v a r i a t i o n si nt h ec a s eo fm u l t i p a t hf a d i n gf o rf r e q u e n c yh o p p i n gs y s t e m f i n a l l y , t h ee f f e c to fp h a s ev a r i a t i o n sc a u s e db ym u l t i p a t ht i m ed e l a y so nt h e e s t i m a t i o np e r f o r m a n c eo ft i m ea n df r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o ne r r o r sf o rf h m f s k s y s t e mw i t hn o n c o h e r e n td e m o d u l a t i o ni nf u l l b a n da n dp a r t i a l b a n dn o i s eia m m i n g a r ea n a l y z e d t h ee x p r e s s i o n sf o rm e a na n dd e v i a t i o no ft i m ea n df r e q u e n c y s y n c h r o n i z a t i o ne r r e rs p e c t r a le s t i m a t i o na r ed e r i v e du n d e rv a i l o u sc o n d i t i o n s n u m e r i c a lr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h ep h a s ev a r i a t i o n sc a u s e db ym u l t i p a t ht i m e d e l a y sm a yi n f l u e n c ea c c u r a c yo ft h em e a no ft i m es y n c h r o n i z a t i o ne r r o rs p e c t r a l e s t i m a t i o n k e y w o r d s ：n h zf r e q u e n c yh o p p i n gs e q u e n c e ，q s f h c d m a ，m a i ，s i n r ，s i g n a l o r t h o g o n a l i t y ，t i m es y n c h r o n i z a t i o n ，f r e q u e n c ys y n c h r o n i z a t i o n 第v i ii 页西南交通大学博士研究生学位论文 图表索引 图1 1 跳频通信系统原理图2 图2 1n h z 跳频序列汉明相关函数示意图1 4 图2 2 构造方法i 产生跳频序列集的汉明相关函数1 8 图2 3 构造方法i i 产生跳频序列集的汉明相关函数1 9 图2 4 构造方法i i i 产生跳频序列集的汉明相关函数2 0 图2 5 构造方法i 、，产生跳频序列集的汉明相关函数2 1 图3 1 异步跳频系统中k + 1 个用户跳频序列的时序关系2 5 图3 2 异步跳频系统指定用户频率碰撞的m a r k o v 链2 6 图3 3 无碰撞区准同步接入跳频系统时序关系图2 7 图3 - 4 r s ( 1 5 ，7 ) ，e = 8 ，q = 6 4 系统误字率与网中用户数k 的关系3 1 图3 - 5 r s ( 3 1 ，1 5 ) ，e = 8 ，q = 1 0 0 和q = 5 0 系统误字率与网中用户数k 的关系3 l 图4 1 系统第k 个发射机与信道模型3 5 图4 2 系统第k 个接收机模型3 5 图4 3 跳频系统多址干扰项的分析示意图3 7 图4 - 4 n h z 准同步跳频系统频率碰撞示意图4 5 图4 5 同步、异步及n h z 准同步跳频系统误码率性能比较( q = 1 0 0 ，z ，旷1 0 上= 1 0 0 ) 。z 1 8 图4 - 60 4 年冯利芳等人的仿真结果曲线一4 8 图4 - 7 r s a s 及n h z q s 跳频系统误码率性能比较( q = 1 2 8 ，z n i - t = 1 5 ，三= 1 2 8 ，胙3 0 ) z 1 9 图4 8 异步系统b e r 性能与p t 关系曲线( 肛1 ) 5 0 图4 - 9 异步系统b e r 性能与p 关系曲线( 胙3 0 ) 5 0 图4 一1 0 不同用户数的异步跳频系统b e r 性能与p 七关系曲线5 l 图4 1 1n h z 准同步系统b e r 性能与p 七关系曲线5 1 西南交通大学博士研究生学位论文第1x 页 图4 1 2n i - t z 准同步系统b e r 性能与肌关系曲线( 肛2 0 ) 5 2 图4 1 3 时延参数肌为零和均匀分布于 o ，l 】时系统的b e r 性能比较5 3 图4 1 4 异步与n h z 准同步跳频系统b e r 性能比较5 3 图4 1 5 基于s i n r 概率分布的准确闭合解与高斯近似解的比较一5 4 图5 1 跳频系统简化的时间同步模型5 7 图5 2 传统f h m f s k 接收机结构图5 8 图5 3 系统存在多径时延及同步时间误差耐一跳时隙内传输信号有效长度示 意图一6 1 图5 4 跳频系统简化的频率同步模型6 3 图5 5 正交损失因子如( 句与系统时间同步误差的关系曲线( c = l ，2 ) 7 2 图5 - 6 正交损失因子d 加( 句与系统时间同步误差和信号正交指数k 的关系曲线 7 ：； 图5 - 7 d j 九( 句与不同路径各种相位变化的关系( 多径信道条件爿o0 2o 3 ，b 。= o 9 0 0 5o 0 5 】) 7 4 图5 8 如( 甸与相同路径终止相位与起始相位的变化关系( 多径信道条件= 00 2 0 3 ，b 1 - o 90 0 50 0 5 】) 7 4 图5 - 9 信号正交损失因子与同步时间误差的关系( 辟1 ) 7 5 图5 1 0 信号正交损失因子与同步时间误差关系( k = - 2 ) 7 5 图5 1 1 不同相位变化参数p 的正交损失因子d j n i ( b i = o 90 0 50 0 5 1 及k = - i ) 7 6 图5 1 2 不同相位变化参数p 的正交损失因子d j n i ( b 2 = o 0 5o 0 50 9 】及k = - i ) 7 7 图5 1 3 相同路径对应整个符号周期相位变化对毋。l 的影响( b l = o 9o 0 50 0 5 ) 7 ； 图5 1 4 不同路径对应整个符号周期相位变化对口。，的影响( b l = o 90 0 5o 0 5 ) 7 8 图5 1 5 相同路径对应部分符号周期相位变化对d 。1 的影响( b l 爿o 90 0 50 0 5 ) 7 9 图5 1 6 不同路径对应部分符号周期相位变化对，的影响( b l 爿o 9o 0 5o 0 5 ) 第x 页西南交通大学博士研究生学位论文 8 ( ) 图6 1 跳频系统时间同步迟一早谱估计模型8 2 图6 2 跳频系统频率同步迟一早谱估计模型9 3 图6 3 多径相位变化对时间同步误差估计值的影响( b l = 【0 9o 0 5o 0 5 】) 9 8 图6 4 多径相位变化对时间同步误差估计值的影响( b 2 = 0 0 5o 0 5o 9 ) - 9 9 表2 1 子集s 的元素1 6 表2 2 四种构造方法的比较2 1 表3 1 n h z 准同步跳频系统不同用户数k 下的误字率( r s ( 1 5 ，7 ) ，p = 8 ，q = 6 4 ) 3 0 表3 2 同步及异步系统在不同用户数k 下的误字率( r s ( 1 5 ，7 ) ，p = 8 , q = 6 4 ) 3 0 表a l 随机变量6 例所有可能的取值1 1 5 西南交通大学博士研究生学位论文第x i 页 第xi i 页西南交通大学博士研究生学位论文 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、”) 学位论文作者签名：五吁指导教师签名： 日期：幽年月么日日期：幽lo 年，月d 文日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 怍所取得成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 c 本已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作过贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 针对已有的周期零相关区( z c z ) 一- 元扩频序列，通过状态字映射法构造出无 碰撞区( n h z ) 鹭l l 频序列集，映射方法揭示了z c z 二元扩频序列集与n h z 跳 频序列集的内在联系。在所给出的四种构造方法中，初始序列采用互补序 列对的方法i i i 、生成的部分序列为达到理论界的最佳n h z 跳频序列。( 第 2 章) 2 在分析准同步无碰撞区( n h z ) i i l 频通信系统频率碰撞特点的基础上，给出了 基于四碰撞态m a r k o v 链的n h z 准同步跳频通信系统多址干扰分析模型， 并分析比较了n h z 准同步跳频通信系统与同步、异步跳频通信系统的多址 干扰性能。研究结果表明，采用n h z 跳频码的准同步跳频通信系统的多址 干扰性能优于采用随机跳频码的异步通信系统性能。( 第3 章) 3 基于系统的s i n r 概率分布，推导出b f s k 调制的异步跳频通信系统错误 概率的准确闭合解，该表达式是系统所采用跳频模式的频率全碰撞概率、 部分碰撞概率、异步干扰信号时延以及系统用户数的函数。同时针对n h z 跳频序列的汉明互相关特性，分析了n h z 跳频模式的频率全碰撞概率和部 分碰撞概率，给出了b f s k 调制的n h z 准同步跳频通信系统的错误概率闭 合解。论文分析比较了同步、异步和准同步跳频通信系统在不同用户数的 错误概率，分析了干扰用户时延对系统错误概率的影响。最后将分析闭合 解与高斯近似解做了比较，数值分析结果表明，本文所给出的闭合解比高 斯近似法更紧。( 第4 章) 4 分析研究了跳频通信系统在多径衰落信道下存在收发时间和频率同步误差 时，多径分量时延引起的相位变化对非相干f h m f s k 和s f h m f s k 通信 系统信号正交性的影响，导出了不同情况下的系统信号正交损失因子表达 式。研究结果表明，多径衰落信道下的跳频通信系统信号正交性损失不仅 与多径时延、衰落信号强度、时间同步误差有关，而且和多径时延引起的 相位变化也有关，进而会影响系统的b e r 特性。( 第5 章) 5 研究了跳频系统在全频带和部分频带噪声干扰下，多径分量时延引起的相 位变化对非相干f h m f s k 系统时间同步和频率同步误差估计性能的影响， 给出了不同情况下系统时间同步误差和频率同步误差谱估计值的均值和方 差表达式。数值计算结果表明，多径分量的相位变化会影响时间同步误差 谱估计均值的准确性。( 第6 章) 学位敝储签名：乡训暂 日期：& d f0 年f 月 西南交通大学博士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 。由于无线通信能快速建立通信、灵活机动并能与处在运动中或方位不明以 及被孤立的部队建立通信联系，已广泛应用于地面、航空和航海通信、目标雷 达、声纳系统以及联合战术信息分发系统( j t i d s ，j o i n tt a c t i c a li n f o r m a t i o n d i s t r i b u t i ns y s t e m ) ，是保证现代战争作战指挥的主要通信手段。但是在现代战 争中，围绕无线信号进行的截获与反截获、测向与反测向、干扰与反干扰却越 演越烈，定频通信早已不能满足现代战争的需要。因此，具有抗干扰和灵活组 网能力的跳频通信系统就应运而生，并得到了快速发展。 1 1 跳频通信系统概述 跳频通信( f h c ，f r e q u e n c yh o p p i n gc o m m u n i c a t i o n ) 是扩展频谱通信 ( s s c ，s p r e a ds p e c t r u mc o m m u n i c a t i o n ) 方式之一。经跳频方式扩频后的信息信号 频率能在较宽的频率范围内跳变，以躲避方式对抗敌对干扰、截获、测向等通 信中的干扰。跳频通信最初主要用于战术无线电通信，是战术通信抗干扰技 术应用最广泛、最有成效的技术 2 】。上世纪八十年代以来，跳频技术以其优良 的抗干扰性能在民用移动通信领域如家庭射频( h o m e r f ) 币h 蓝牙( b l u e t o o t h ) 得到 了广泛应用 3 】 4 5 】 6 】。 跳频通信系统具有强的抗敌意人为干扰、抗噪声和多径干扰，以及抗多用 户干扰的能力，易与窄带通信系统兼容，并具有一定的保密能力等一系列优点， 这些优点已被1 9 8 2 年马尔维纳斯群岛之战、1 9 9 1 年海湾战争、1 9 9 9 年的科索 沃战争以及2 0 0 3 年的伊拉克战争等得到体现，有效地保障了复杂战场环境下己 方的正常通信。 传统跳频通信系统的原理图如图1 1 所示l ij 。 在发送机中被传送的信息经过信息调制器的相应调制，获得频率为石的已 调波信号，这种带宽为尺的调制信号，再与频率合成器输出的跳变载波频率信 号进行混频，此时输出的即为跳频信号，其载波频率带宽则为，跳频信号带 宽与调制信号带宽的比值( w r ) 耳p 为跳频通信系统的处理增益g 。频率合成器 输出的载波信号频率是由独立产生的跳频序列从频率表中取出的频率控制码去 控制频率合成器在不同时隙内产生的。在时钟的作用下，根据跳频序列的变化 第2 页西南交通大学博士研究生学位论文 特点，频率合成器不断地改变其输出载波的频率，因此，跳频调制器输出的跳 频信号频率也将随之断地跳变，即以频率跳变方式去躲避人为干扰或自然干扰。 从跳频信号产生的过程可以看出，不论是数字的或模拟的定频发送系统， 在原理上，只要加装上一个跳频器就可变成一个跳频的发送系统，只是在实际 系统中尚需考虑信道机的通带宽度，因此跳频系统易于和窄带系统兼容。 图1 - 1 跳频通信系统原理图 在接收机中的跳频序列与发射机中跳频序列是一致的，其同样从跳频频率 表中相应取出控制码去控制频率合成器的输出，使本地的信号频率按照发射机 中的载波频率做相应的跳变。本地跳变的信号与接收到的跳频信号进行解调， 将信号频率搬回到频率处，从而实现解跳。而解跳后的调制信号再与本地载 波信号进行解调后，便恢复出发送的信息。 在整个收发过程中，为保证系统的正确通信，接收机中跳频器的输出必须 与发射机中的跳频器输出保持同步，即必须同时起跳，同时止跳，故跳频器是 跳频系统的关键部件，而跳频同步则是跳频系统的核心技术。同样，跳频序列 的汉明相关性能对跳频系统的性能也起着重要的作用。所以实现跳频通信需要 解决三个关键技术【l 】【7 j 频率合成技术 信号同步技术 跳频序列设计技术。 频率合成技术是基于一个或多个高稳定度的参考频率，采用各种处理技术， 产生具有同样稳定度和精度的大量离散频率，频率合成器对频率切换速度要求 西南交通大学博士研究生学位论文第3 页 很高。频率合成技术有直接频率合成法、基于锁相环技术的间接频率合成法、 直接数字合成法和d d s p l l 组合频率合成法等。 跳频系统的信号同步技术是用于保障接收机的本地频率与发射机的载波频 率同步跳变，因而要求跳频同步能自动、迅速、可靠，能抗干扰，失步后还能 迅速恢复同步。跳频同步和直接序列扩频同步一样，包括粗同步( 捕获) 和细同 步( 跟踪) ，捕获是指跳频系统通过自动搜索跳频序列的时间不定区，以获取发 送机跳频序列的时间，使发送机跳频序列与本地跳频序列的时间误差小于跳频 驻留时间的一半。跟踪则是在捕获的基础上，使这种时间误差进一步减小，直 至精确对准，以保持所建立的同步。为保证跳频的同步，还应包括跳频时间的 同步和跳频频率的同步瞵j 。 跳频序列设计则包括两部分，一是寻找和建立跳频序列设计时各参数的限 制条件，即理论界；二是设计出达到或接近理论界的跳频序列集。 在跳频通信系统中，跳频序列有两个主要作用，一是控制频率跳变以实现 频率扩展；二是跳频系统采用码分多址组网时，当众多用户工作在同一频段时， 将不同的跳频序列作为地址码，以区分不同的用户。因此跳频序列集的汉明相 关性能的好坏对跳频系统的性能起着决定性的作用。在设计跳频序列集时，一 般要求 7 】 9 】【1 0 】： ( 1 ) 跳频序列尽可能使用频率集的所有频率； ( 2 ) 跳频序列集的序列汉明互相关函数要尽可能的小，以减少系统的多址 干扰； ( 3 ) 跳频序列集的序列汉明白相关函数零位移处的值尽可能大，而边峰值 要尽可能的小，以提高系统收发同步性能； ( 4 ) 跳频序列集中的序列数目要尽可能的多，使系统能容纳更多的用户； ( 5 ) 各频率在一个序列周期中出现的次数要基本相同； ( 6 ) 跳频序列还应具有较好的随机性和较大的线性复杂度，以提高系统的 保密性。 衡量跳频通信系统整体性能的参数有 1 1 ： ( 1 ) 跳频带宽与跳频频率数 跳频带宽是跳频系统抗干扰能力的重要指标，带宽越宽，就迫使敌方将有 限的干扰功率分散到更宽的频带上，从而降低干扰效果。而跳频频率数越多， 用户间的频率碰撞概率就越小，相应系统的误码率性能越好。 ( 2 ) 跳频速率 跳频速率的快慢对系统抵抗干扰非常重要，因为只有将跳频速率提高到足 第4 页西南交通大学博士研究生学位论文 够快，使频率的驻留时间小于干扰的响应时间，才有可能有效地躲避跟踪式干 扰。因此对于慢速或中速跳频系统而言，其抗跟踪式干扰的性能较差。 ( 3 ) 跳频图案 即跳频序列。正确地选择和设计跳频序列，对提高跳频通信的抗干扰性能 极为关键。 ( 4 ) 同步系统 跳频系统的收发同步性能直接影响到系统的通信性能，它是保证跳频系统 正常运行的核心。 ( 5 ) 组网方式 跳频通信的组网主要包括频分组网和码分组网两大类【lj 。频分组网方式与 常规通信装备频分组网类似，不同的跳频网络使用不同的跳频频率，彼此不会 发生频率碰撞。而码分组网方式则所有的跳频网络在相同的频率段上跳频，不 同的跳频网络使用不同的跳频序列。 根据系统是否具有统一的时间基准，跳频码分组网又分为异步组网 ( a s c d m a ，a s y n c h r o n o u s c d m a ) 、同步组网( s - c d m a ，s y n c h r o n o u s c d m a ) 及 准同步组网( q s c d m a ，q u a s i s y n c h r o n o u sc d m a ) 。异步组网时，各跳频网络没 有统一的时间基准，由于各网互不同步，因而会产生网间频率碰撞，故跳频序 列的设计必须考虑各种时延下的汉明白相关和互相关性能。同步组网时，各跳 频网络具有统一的时间基准，因此跳频序列的设计一般不必考虑各种时延下的 汉明自相关和互相关性能。而准同步组网则是近几年