CHESS 短波跳频系统同步算法的研究.doc
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1、精品论文大集合CHESS 短波跳频系统同步算法的研究宫士勇,赵振纲 北京邮电大学信息工程学院,北京(100876) E-mail:摘要:本文介绍了一种短波跳频系统位同步算法。首先简要介绍了跳频技术发展的概况。 然后在第 2 部分介绍了 CHESS 短波跳频电台的简化功能框图,对跳频系统的数字接收部分 进行了更加详细的研究。在第 3 部分,首先阐述了同步算法的必要性,然后介绍了 fft(快速傅立叶变换)滑动同步原理。在此基础上,详细的给出了抛物线拟合算法的原理。在第 4部分,先给出了单跳仿真的结果,并对结果的不足进行了分析,进而提出了联合检测。最后 通过仿真,证明了联合检测的能够达到较好的同步效
2、果。 关键词:快速傅立叶变换;同步;抛物线拟合中图分类号:TN921. 引 言跳频通信技术是短波通信抗干扰技术中应用最广泛、最有效的技术。近年来,随着频率 合成器频率切换速度的提高和 DSP 处理技术的发展,出现了跳速在几千跳/秒的高速短波跳 频数据传输系统,比如美国的 HF2000,其跳频速率为 2560 跳/秒。美国的 CHESS 系统,更是达到 5000 跳/秒,可以提供 480019200bps 的数据速率。高速短波跳频系统频率变化快,有非常强的抗干扰能力,同时由于跳频频率驻留时间短,只有零点几个毫秒,这样可以克服短波严重的多径和衰落的影响,而且数据的传输速率也得到了较大的提高。本课题
3、就是研究 在 CHESS 跳频通信系统上的同步算法。2. CHESS 系统介绍CHESS 电台是 Lockheed Martin Sander 公司开发的一种短波跳频电台。由于采用了差分 跳频(DFH)这种新技术,加之跳速高达 5000 跳/秒,首次使短波电台信道传输速率达到19.2kb/s1。图 1 为该电台的简化功能框图。图 1 CHESS 系统简化框图图 1 中 RF 前端的下变频器和功率放大器的带宽都是2MHz,采用直接数字综合器(DDS), A/D 变换器的取样速率为 5.12Ms/s。数字激励器部分实现 DFH,由 DFH 技术产生的跳频频 率本身就代表所传数据信息 bit 块。为
4、了减少临近信道干扰,在发送前对发射的每一跳 RF 载波进行成型滤波,所以发送的跳频信号是经过成型滤波器成型的未调 RF 脉冲。CHESS 电台的最小跳频间隔为 5 kHz,2 MHz 跳频带宽对应的跳频集共有 400 个频率点2。接收的跳频信号经下变频和 A/D 变换后送给数字接收机。A/D 变换的取样速率为 5.12- 8 -MHz。数字接收机的核心部件是滑窗快速傅立叶变换器(FFT)。A/D 变换后的跳频信号做 1024点的复数 FFT 变换,便得到 512 个 2.5 kHz 频隙,放弃奇数频隙保留偶数频隙,便得到 512 个 5kHz 频隙,再对这些频隙进行频点检测,把解出频点信息与
5、DFH 规律加以综合便完成 接收数据信息比特块恢复。从整个系统来看,该跳频系统分为发射端和接收端,由于本文所述的位同步算法只涉及 接收端部分,因此在这里我们着重对接收端进行介绍。图 1 是系统整个框图,我们只对其中 Digital Receiver 即数字接收机部分进行详细研究。将图 1 展开即可得到数字接收机内部框图,即图 2。图 2 数字接收机内部框图数字接收机部分由 FFT 模块,同步模块,解跳模块、帧头相关模块、报告产生模块组 成。FFT(快速傅立叶变换)模块的功能是将输入的时域信号变为频域信号,以便后面的解 跳模块进行频点检测。3. 位同步算法介绍3.1 算法提出的必要性众所周知同步
6、是数字通信系统中一个重要的实际问题,通信系统能否有效可靠地工作, 很大程度上依赖同步技术的优劣,也就是说,同步技术的好坏将直接影响通信质量的好坏, 它是通信系统中的一项关键技术。按同步的功用来分类,同步可以分为载波相位同步、位同 步、群同步和网同步四种。本文提出的算法属于位同步。数字通信中,消息是一串相继的信 号码元的序列,因此接收端为了正确地检出码元,必须知道每个码元的起止时刻。为此,必 须在接收端产生码元定时脉冲序列,此脉冲序列应该和接收到的码元脉冲序列同频同相,该 过程成为位同步或码元同步。目前实现位同步的方法主要可以分为插入导频法和直接法两种 3。插入导频法:这种方法是在基带信号频谱的
7、零点插入所需的导频信号,在接收端经窄带 滤波器就可以从解调后的基带信号中提取出位同步所需的信号;直接法:这类方法是发端不 专门发送导频信号,而直接从数字信号中提取位同步信号的方法,而在直接法中数字锁相是 用的比较广泛的,其基本原理是接收端利用鉴相器比较接收码元和本地产生的位同步信号的 相位,若两者相位不一致(超前或滞后),鉴相器就会产生误差信号去调整位同步信号的相位,直至获得准确的位同步信号为止。本文提出的同步方法属于直接法,利用检测频点的幅值通过一定算法来进行码元同步。在第 2 部分中已经介绍过,我们利用 FFT 滑动窗来接收信号,即滑窗每一定时间滑动 一次,通过计算窗内信号的傅立叶变换,我
8、们可以不断获得信号的频域信息,据此根据频点 检测算法可以得到有效频点,进而还原发送信息。但在实际接收过程中,发送信号到达接收 端的延迟以及本地振荡器的误差,将会导致加窗傅立叶变换位置会与理想的位置有偏差。这 样的偏差会使后面的频点检测不能以高的可靠性进行。图 3 给出了接收信号波形以及滑窗的 情况。图 3 滑动窗示意图这样,我们就必须解决滑动窗位置调整的问题,本论文提出了一种算法,可以用来调整 滑动窗的位置,它所完成的功能是利用 FFT 模块输出的信息,根据一定算法计算出一个偏 移量并将其返回给 FFT 模块,从而使 FFT 模块可以调整窗的位置4 5。3.2 抛物线拟合算法原理CHESS 跳
9、频接收机收到的信号经下变频,再经 A/D 后,送入 FFT 模块,输入信号为:X ( n ) =i = w ( n r i N )e j i ( n r ) + 2(1)其中 为发射机与接收机载波的相位差,r 为当前采样点与跳频脉冲波形中心的差,r不一定为整数, w 为 N 点长的成形窗函数,i 为数字域跳频频率值:i = 4g (i) g (i) 0,1, N 1N,2FFT 接收单元每隔 N/4 点进行一次 N 点 FFT 运算,以求出各频点的幅度值。e设在 n 时刻的 FFT 结果为 n,k ,即有en , k =N 1m = 0x ( n m ) j 2 k meN(2)将(1)式代入
10、(2)式,可得:N 1 Nj ( 2 k ) me n , k = m = 0 i = w ( n r m i) e j i ( n r ) + ei N2(3)w(n) 为 N 点长,以 n=0 为中心的成形窗函数,故有N 1I SN j ( 2 k ) men , k = m = 0 i = I + 1w ( n r m i) e j i ( n r ) + eiN2(4)I = int 2(n r ) 其中N; s =1 ,当2(n r)N为整数; s =2 ,当2(n r)N为其它。n , k e由此可见,中至少有三个跳频信号输出,当2(n r)N为整数,k= I 时跳频信号与 FFT
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