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1、摘 要 跳频通信以其抗干扰、抗衰落、抗截获能力强，兼有多址组网应用等诸多优点，不但在军事通信中得到广泛应用，用以保障部队在恶劣的战场电磁环境下建立可靠的通信，而且在民用移动通信中得到了广泛应用。跳频同步是跳频通信的关键技术之一，迅速、可靠地建立同步是跳频通信系统的重要环节。跳频同步分为跳频捕获和跳频跟踪两个阶段。其中同步捕获是跳频同步的难点，特别是在高跳速工作时需要精心设计方案才能实现同步捕获，它的性能关系到整个系统能否正常工作。研究跳频通信同步捕获技术可以为接收端提供更健壮、更快速的载波同步和更准确的帧同步。因此本文对高速跳频通信系统的捕获进行了理论研究和仿真研究。本文首先在概述跳频通信的原
2、理、研究现状及发展趋势地基础上，研究了跳频通信系统和高速跳频系统的原理。其次，研究了跳频通信序列的设计和及其理论限制，并对跳频频率合成器和跳频同步控制器进行了简单的理论分析。重点研究了高速跳频通信系统的同步技术，特别是高速跳频通信的捕获问题。对高速跳频的各种捕获方法进行了深入地探讨。论文对跳频通信系统的滑动相关捕获法、匹配滤波器捕获法、等待搜索式捕获法、快速出局式捕获法等捕获方法进行了详细的理论研究。同时在仿真软件MATLAB的环境下对滑动相关捕获法和等待搜索自同步法进行了仿真设计，并对捕获结果进行了详细地对比分析。关键词：高速跳频；捕获；滑动相关；等待搜索自同步AbstractPossess
3、ing the strong ability of anti-jamming,anti-fading, anti-interception as well as the application of multiple access, Frequency Hopping (FH) communication not only has been widely applied in the military communication, with the purpose of ensuring the army to build reliable communication under advers
4、e electromagnetic surroundings, but also has been widely applied in civilian mobile communication. Synchronization is one of the key technologies of FH communication, and by which the FH system can transmit information accurately at high-speed. Synchronization is ordinarily accomplished in two stage
5、s: FH acquisition phase and FH tracking phase. FH acquisition has been studied in this thesis. Wherein the synchronization acquisition is the frequency hopping synchronization difficulties, especially when working at high speed jump requires careful design of the synchronization acquisition can be a
6、chieved, its performance to the entire system can work properly. This article was high-speed frequency hopping communication system for capturing the theoretical studies and simulation.In the first part of this paper, based on the overview of the research status, development trend and the principle
7、of FH communication, this thesis described the FH communication system and the principle of high-speed frequency hopping system. Secondly, we research the design of the FH communication sequence and its theoretical limits. After that, we give a simple analysis of the hopping frequency synthesizer an
8、d frequency hopping synchronization controller. The focus of this paper is the research of the synchronization technology for FH communication system, especially the problem of how to capture the signal and the kinds of capture methods for high-speed FH communication. We make a detailed theoretical
9、study of sliding correlation acquisition method, the matched filter capture method, and wait for the search, capture quick outs formula captures method. At the same time, we design a simulation of sliding correlation method and wait for the search to capture self-synchronization method based on MATL
10、AB, and finally analyze the result of simulation comparatively in details. Key words: High-speed frequency hopping; Capture; Sliding correlation; Wait for the search self-synchronization目 录1 绪 论11.1 课题研究的意义和背景11.2 国内外研究现状31.3 论文结构安排52 扩频通信的理论基础62.1 扩频通信系统的简介62.1.1 扩频通信的基本概念62.1.2 扩频通信系统的主要特点82.1.3 扩
11、频通信的性能指标92.2 伪随机编码的基本概念102.3 m序列112.3.1 m序列的定义112.3.2 m序列的性质122.4 本章小结143 高速跳频通信系统的原理153.1 跳频通信系统的原理153.2 高速跳频系统的原理163.3 跳频序列设计183.3.1 跳频序列的概述183.3.2 跳频序列设计的理论限制193.3.3 常见的跳频序列族203.4 跳频频率合成器223.5 频率同步控制器233.6 本章小结244 高速跳频信号捕获方法254.1 跳频捕获的概述254.2 滑动相关捕获法254.3 匹配滤波器捕获法274.4 并串捕获技术284.5 等待搜索式自同步法294.6
12、快速出局式捕获法314.7 本章小结315 高速跳频信号捕获方法的仿真分析325.1 MATLAB的简介325.2 跳频序列的建立345.3 滑动相关法的仿真设计365.4 等待搜索自同步法的仿真设计425.5 本章小结47结 论48致 谢49参考文献50附录A 英文原文51附录B 中文翻译611 绪 论1.1 课题研究的意义和背景随着通信领域的电子对抗愈演愈烈，战场上常用的定频通信受到了严重威胁。为了保证己方正常可靠的通信，最大限度地提高现代战争中指挥和协作的有效性，一种抗干扰体制通信跳频通信系统便应运而生。跳频通信具有很强的抗干扰、抗衰落、抗截获能力，兼有多址组网等诸多优点，不仅在现代军事
13、通信中大展身手，而且在民用移动通信中也得到了广泛应用，如GSM、Home RF、Bluetooth等都应用了跳频技术。高速跳频通信作为扩频通信体制中的一种重要类型，高速跳频系统因其出色的抗干扰、抗截获和抗人为阻塞能力，在当前军事通信研究领域引起广泛关注。跳频通信系统的核心部分是跳频序列发生器、频率合成器和跳频同步器。跳频序列发生器产生随机的或者伪随机的多值序列；控制频率合成器生成所需要的频率，频率合成器将一个或若干个高稳定度和高精度的参考频率，经过相应的处理技术，生成具有稳定度和同样精度的大量离散频率；而跳频同步器用于保证接收机的本振频率与发射机的载波频率同步跳变。跳频通信系统能正常工作，即正
14、确接收跳频信号的前提条件是，收发双方必须实现跳频同步。跳频同步的好坏，直接影响到跳频系统的性能。跳频同步包括同步捕获和同步跟踪，其中同步捕获是跳频同步的难点，特别是在高跳速工作时需要精心设计方案才能实现同步捕获，它的性能关系到整个系统能否正常工作。研究跳频通信同步捕获技术可以为接收端提供更健壮、更快速的载波同步和更准确的帧同步。因此进行高速跳频信号捕获方法的研究就有重要的理论意义和现实意义。传统的无线电台通信都是采用固定频率工作的，就是说，信号载波频率是固定不变的。然而，在现代通信中，尤其是现代战争中，固定频率通信受到了严重的挑战。在无线电通信过程中，通信系统内的发射机向空间辐射载有信息的无线
15、电信号。由于无线电波沿着空间传播，除了通信对象的接收机能收到外，也易于被敌方截获、测向和干扰。为了保证己方正常可靠的通信，一种具有抗干扰能力的跳频通信技术应运而生。跳频是最常用的扩频方式之一，其工作原理是指收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化的通信方式，也就是说，通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。从通信技术的实现方式来说，“跳频”是一种用码序列进行多频频移键控的通信方式，也是一种码控载频跳变的通信系统。从时域上来看，跳频信号是一个多频率的频移键控信号；从频域上来看，跳频信号的频谱是一个在很宽频带上以不等间隔随机跳变的。其中跳频控制器为核心部件，包括跳频图案产生、
16、同步、自适应控制等功能；频合器在跳频控制器的控制下合成所需频率；数据终端包含对数据进行差错控制。跳频(Frequency Hopping，FH)通信系统具有抗衰落，抗干扰，低截获等优势，自从第一个实用的跳频通信系统BLADES系统于1963年安装在美军MtMcKinley指挥舰上，用以对抗敌对干扰以来，跳频技术得到了持续的发展和广泛的应用：在现代电子对抗战中，电磁环境复杂恶劣，跳频技术常用来保障通信的可靠稳定；在民用通信领域，如家庭射频和用于无线个人局域网的蓝牙技术，均是采用跳频技术达到可靠的抗干扰数据传输。与定频通信相比，跳频通信比较隐蔽也难以被截获。只要对方不清楚载频跳变的规律，就很难截获
17、通信双方的通信内容。同时，跳频通信也具有良好的抗干扰能力，即使有部分频点被干扰，仍能在其它未被干扰的频点上进行正常的通信。由于跳频通信系统是瞬时窄带系统，它易于与其他的窄带通信系统兼容，也就是说，跳频电台可以与常规的窄带电台互通，有利于设备的更新。跳频通信系统有高速跳频系统和慢速跳频系统两种。如果跳频系统的跳频速率远高于信息调制器的符号速率，一个符号需要占据多个跳频时隙，则称为高速跳频。指标衡量高速跳频和慢速跳频的指标是跳频速率。跳频速率是指跳频电台载波频率跳变的速率，通常用每秒钟载波频率跳变的次数来表示。跳频速率与抗跟踪式干扰的能力有关。跳频速率越高，抗跟踪式干扰的能力越强。一般跳频速率大于
18、500M/秒的跳频信号称为高速跳频信号。高速跳频信号是跳频信号的一种，因此兼有跳频信号的所有优点。(1) 可抵抗多种类型的干扰。高速跳频通信系统传输同样信息信号时需要的传输带宽，远远超过常规通信系统中各种调制方式需要的带宽，信道带宽增加后，即使在低信噪比下，信道也可在相同的容量下传送信息，高速跳频通信系统最大的特点是具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰能力。对跳频系统最大的威胁是频率跟踪式干扰，但目前最先进的干扰机从识别信号特征到进行干扰所需时间一般也有几百微秒，加上干扰机与通信台的固有距离差(距离差为每10公里时间延迟，为33.33微秒)，当跳频速率足够高时(比如每秒跳频速率为一万次
19、以上)，对抗频率跟踪式干扰是有效的，这是定频通信和一般的慢速或中速跳频通信系统很难达到的。（2） 可抵抗多径衰落。高速跳频通信系统中，每个数据码元在不同的频率上传输，当这些频率的最小间隔大于信道的相关带宽时，系统具有频率分集的作用，频率分集可以获得一定的抗多径干扰的能力。（3） 可抵抗信号截获。高速跳频通信系统中，跳频图案伪随机地高速跳变，当前的信号处理技术条件下，敌方难以在短时间内截获信息，即便获知了部分跳频频率结构，但因为跳频频率图案本身具有伪随机性，且跳变速率很快，这就大大增强了抗截获能力。（4） 可提高数据传输的可靠性，增强抗部分频带严重干扰能力。快速跳频通信系统具有很快的频率切换速度
20、，可避免接收同一频率上的许多延迟信号，降低了多径干扰的影响。在高速跳频系统同步捕获阶段，捕获系统通过搜索跳频同步序列的时间不定区，以获取跳频同步信号的特定信息，来保证本地参考同步信号与接收跳频信号的码相位基本一致，当同步捕获过程结束时，用于解跳的本地参考同步信号与接收的跳频同步信号己基本达到同步，此时收发双方的跳频图案的时间误差小于一跳时间，接收机能够正常的解调信息。同步捕获过程通常分两步完成：首先通过两个跳频同步序列的相关测量，确定二者的对准程度；然后用一个合适的检测和捕获判决算法处理相关测量值，判断同步捕获是否完成。对高速跳频信号的同步捕获方法有许多种，归纳起来，可分为：串行捕获技术和并行
21、捕获技术。高速跳频串行搜索捕获法又称滑动相关法，从跳频信号中直接获得同步信息。高速跳频信号的并行捕获方法又称匹配滤波器法，利用序列匹配滤波器对同步引导码进行匹配。跳频信号同步捕获性能的好坏对于跳频通信系统性能有极大的影响，同步捕获是跳频同步的难点，特别是在高跳速工作时需要精心设计方案才能实现同步捕获，它的性能关系到整个系统能否正常工作。研究跳频通信同步捕获技术可以为接收端提供更健壮、更快速的载波同步和更准确的帧同步。因此进行高速跳频信号捕获方法的研究就有重要的理论意义和现实意义。1.2 国内外研究现状跳频通信作为扩频通信的一个分支，它可以对抗多径干扰、人为瞄准式干扰，能有效提高通信的保密性和可
22、靠性，这些优点符合现代信息战条件下电子对抗的要求，主要用于战术无线电通信和民用移动通信。其工作方式一般以语音为主，也可传输数据，其载频受一伪随机码序列的控制而连续随机跳变，可看成载频按一定规律的多频率平移键控，跳频技术抗干扰机理是“躲避”干扰，既有用信号载波频率在跳频码序列控制下，以最快的速率在一个宽带范围内跳变，力求使载频不落在敌方干扰带内。跳频通信可分为慢速跳频和高速跳频两类，慢速跳频在每跳驻留时间内传输两个或两个以上符号；高速跳频在一个符号时间内频率跳变一次或一次以上。作为扩频通信体制中的一种重要类型，高速跳频系统因其出色的抗干扰、抗截获和抗人为阻塞能力，在当前军事通信研究领域引起广泛关
23、注。捕获是指跳频系统自动搜索跳频序列的时间不定区，以获取接受跳频序列的时间，使之与发射机跳频序列的时间误差小于允许的值（一般区1/2跳频序列码片时间）。目前，对高速跳频捕获方法有以下两种，滑动相关法和匹配滤波器法。滑动相关技术又称并行捕获技术，滑动相关法的工作原理是：本地信号与输入跳频信号进行相关运算，如果在检测时间内的输出未超过门限电平，则意味着跳频序列没有同步，然后搜索控制器将控制跳频序列发生器的时钟脉冲抑制掉一个，如果在检测时间内的输出超出门限电平则意味这跳频序列已经同步，此时停止搜索系统转入跟踪。匹配滤波器法又称为并行捕获技术，匹配滤波器法的工作原理是：利用序列匹配滤波器对同步引导同步
24、引导码进行匹配。输入信号经过序列匹配滤波器，然后通过求和器相加。如果相加结果大于门限值，表明输入信号满足序列匹配滤波器的要求，则输出同步指示信号。西方国家很早就开始进行一系列关于跳频通信系统的抗干扰通信体制和抗干扰技术的理论研究。例如，美国Sanders公司研制的CHESS系统高速短波跳频电台采用了相关跳频技术。CHESS系统以先进的数字信号处理技术和高速DSP芯片为基础，跳频带宽为2.56MHz，跳频速率高达5000跳/秒。其中200跳用于信道探测，其余的4800跳用于数据传输。如果采用BPH=4，其中2比特用于1/2纠错编码，就可以产生各种标准波特率(2400，4800，7200，1440
25、0，19200)。信息速率为4.8Kbps时，其误码率可达量级。同时由于该系统跳频速率高达5000跳/秒，具有很强的抗干扰能力和抗多径能力。与此同时，各种新的跳频方法也不断提出，例如混沌跳频、自适应跳频等。其中自适应跳频技术就是通过分析波段上的频率占用率，自动搜索无干扰或未被占用的跳频信道进行跳频，不仅避免了自然干扰，也不会受到短波频谱大量占用的影响。它会根据需要自动地改变跳频序列，有效地适应恶劣环境。随着微电子与数字信号处理技术的飞速发展，实现更高跳速、更高数据速率的跳频技术是跳频通信系统的未来发展方向。1.3 论文结构安排本文主要的研究内容是高速跳频信号的捕获方法研究。全文首先对高速跳频信
26、号及其捕获方法的相关理论进行了概述，并对信号捕获方法的一些问题进行了比较深入地研究，系统地分析了几种捕获方法，并对他们进行了仿真，上述所有的实验均在MATLAB 7.0平台下进行仿真实现。绪论部分简单对高速跳频信号及其捕获方法的理论知识及国内外研究现状与发展进行了阐述。扩频通信的理论知识部分主要对扩频通信的基本理论知识，扩频通信系统的性能指标以及m序列的相关知识和性质进行了简单的研究。高速跳频系统的原理部分详细研究了跳频系统和高速跳频通信系统模型，跳频序列的设计和其理论限制，跳频序列族以及跳频频率合成器和跳频同步控制器等理论知识。高速跳频信号捕获方法部分主要是高速跳频信号的捕获方法相关理论研究
27、，主要有滑动相关法，匹配滤波器法，并串捕获技术，等待搜索自同步法等。高速跳频信号捕获方法仿真与分析部分主要对捕获的两种方法滑动相关法和等待搜索自同步法进行建模仿真以及对其仿真结果进行了分析。2 扩频通信的理论基础2.1 扩频通信系统的简介2.1.1 扩频通信的基本概念扩频通信系统是指待传输信息的频谱用某一特定的扩频函数扩展后成为宽带信号，然后进入信道中传输，然后送入信道中传输；在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，恢复为原来待传输信息信号的带宽，从而达到传输信息的目的的通信系统。在发端输入的信息先经信息调制形成数字信号，再由扩频码发生器产生的扩频码序列去调制数字信号以展宽信号的
28、频谱，展宽后的信号再经射频调制发送出去。接收端收到宽带射频信号，将其变频至中频，然后用本地产生的与发端相同的扩频码序列去进行相关解扩。再经信息解调，恢复成原始信息并输出。扩频通信系统原理如图2.1所示。图2.1 扩频通信系统原理框图般的扩频通信系统都要进行三次调制和相应的解调。第一次为信息调制，第二次为扩频调制，第三次为射频调制，以及相应的信息解调、解扩和射频解调。 相较于一般通信系统，扩频通信就是多了扩频调制和解扩部分。扩频通信系统在传输同样信息信号时所需要的传输带宽，远远超过常规通信系统中各种调制方式所要求的带宽。扩频频谱后传输的带宽至少是信息信号带宽的几百倍、几千倍甚至几万倍。信息已不再
29、是决定传输信号的带宽的重要因素，传输信号的带宽主要由扩频函数来决定。因此可见，扩频通信系统有以下两个特点：（1） 传输信号的带宽远远大于被传输的原始信息信号的带宽；（2） 传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常是伪随机（伪噪声）编码信号。以上两个特点有时也称为判断扩频通信系统的准则。扩频通信系统的最大特点是具有很强的抗人为干扰、抗窄带干扰、抗多径干扰的能力。扩频通信的基本理论根据是信息理论中香农（CEShannon）的信道容量公式： （2.1）式中：信道容量，单位b/s； 信道带宽，单位Hz； 信号功率，单位W； 噪声功率，单位W。香农信道容量公式表明：当高斯信道中传输信号的信噪功率
30、比下降时，可用增加系统传输带宽W的方法来保持信道容量不变。也即对于任意给定的信号噪声功率比，可以用增大传输带宽来换取较低的信息差错率。利用这一原理，通过用高速率的扩频码来达到扩展待传输数字信息带宽的目的，明显的，扩频通信系统的带宽比常规通信系统大几百倍甚至上千倍，故在相同信噪比条件下，扩频通信系统具有较强的抗噪声干扰的能力。扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽与信息带宽之比称为处理增益，即： （2.2）它表明了扩频系统信噪比改善
31、的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。系统的抗干扰容限定义如下： （2.3）式中：为输出端的信噪比，为系统损耗。由此可见，抗干扰容限与扩频处理增益成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。2.1.2 扩频通信系统的主要特点扩频通信系统是一种具有良好干扰性能的技术，他的主要优点是：（1） 抗干扰性能好。扩频通信系统具有极强的抗人为宽带干扰、窄带瞄准式干扰、中继转发干扰能力，有利于电子反对抗，
32、特别适合在军事通信系统中运用。相对于常规通信系统，直接序列系统、频率跳变系统、直接序列频率跳变混合扩频系统、直接序列时间跳变混合扩频系统等对多径干扰不敏感，如果再采用自适应对消、自适应天线、自适应滤波等技术或措施，可以使多径干扰消除，这对移动通信是很有利的。（2） 选择性寻址能力强，可以用码分多址的方式来组成多址通信网。多址通信网内的所有接受机和发射机可以同时使用相同的频率工作。对于给定的接收机，当指定了特定的扩频码后，该接受机就只能与使用相同扩频码的发射机相联系。当网内所有的接收机都指定了不同的扩频码后，网内的任一发射机可通过选择不同的扩频码来与使用相应扩频码的接收机相联系。使用扩频通信技术
33、组成多址通信网时，网络的同步比常规通信体制易于实现。便于实现机动灵活的随机接入，便于采用计算机进行信息的控制和交换。（3） 保密性能好，信息隐蔽以防窃取。扩频信号的频谱基本与待传输的信息无关，主要由扩频码来决定。信息的隐蔽程度或安全程度取决于所使用的扩频码。由于扩频通信系统可以使用周期很长的的伪随机码，在一个周期中伪随机码具有随机特性，经过它调制后的数字信息类似于随机噪声，因而将其用于保密通信系统中，对方采用普通侦察手段和破译方法不易发现和识辨信号。扩频信号功率比较均匀地分布在很宽的频率范围内，所以传输信号的功率谱密度很低，侦察接受机难以检测，降低了系统的截获概率，从而提高了系统的保密性能。（
34、4） 频谱密度低，对其他通信系统的干扰小。在输出信号功率相同的情况下，由于扩频信号扩展了频带，降低了输出信号单位频带内的功率，从而降低了系统在单位频带内电波的通量密度。频谱密度低，对空间通信大有好处。当空间通信系统在地面在地面上产生的电波通量密度太大时，会造成对地面通信系统的干扰。针对当前无线电通信中频率的资源匮乏的问题，利用扩频通信技术，使频率资源可以重复利用。使用扩频码分多址技术可解决常规通信系统中电波拥挤的大难题，所以扩频码分为多址通信在城市移动通信中有广阔的应用前景。（5） 高分辨率测距。测距是扩频技术最突出的应用。无线电测距在测量距离增大的情况下，反射信号变弱，造成接受困难。为了克服
35、这一困难，接必须加大发射信号的功率。而增大脉冲雷达的峰值功率，会受到设备和器件的限制；加大信号的脉冲宽度，会降低测距的分辨率；利用连续波雷达测距时，又会出现距离模糊问题。利用扩频技术测距时，扩频码序列的长度决定了测距系统的最大不模糊距离，而扩频码序列的速率（或码元宽度）决定了测距的分辨率，所以只需要产生长周期高速率的伪随机码，而这在今天已不存在问题。由于扩频通信具有很强的抗干扰能力，首先在军事通信系统中得到了广泛的应用。近年来，扩频通信技术的理论和应用发展非常迅速，在民事通信系统中也得到了广泛的应用。2.1.3 扩频通信的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
36、理增益也称扩频增益(Spreading Gain)它定义为频谱扩展前的信息带宽与频带扩展后的信号带宽之比： （2.4）在扩频通信系统中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 的信息，而排除掉宽频带中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益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： （2.5）式中： 抗干扰容；处理增益；信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比 ；接收系统的工作损耗。在衡量扩频通信系统的抗干扰能力的优劣时，通常引入“处理增益”的概念来描述，而处理增益的定义为： (2.6)处理
37、增益越大，则系统的抗干扰能力越强。2.2 伪随机编码的基本概念伪随机码（pseudo random code）又称为伪噪声码（pseudo noise code），简称PN码。简单的说，伪随机码是一种具有类似白噪声性质的码。白噪声是一种随机过程，它的瞬时值服从正太分布，功率谱在很宽的频带内都是均匀的。白噪声具有优良的相关特性，但至今无法实现对其进行放大、调制、检测、同步及控制操作。在工程上与实践中，只能有类似于带线白噪声统计特性的伪随机码信号来逼近，并作为扩频通信系统的扩频码。大部分伪随机码都是周期码，可以人为地加以产生与复制，通常由二进制移位寄存器来产生。由于这种码具有类似白噪声的性质，相关
38、函数具有尖锐的特性，功率占据很宽的频带，因此易于从其他信号或干扰中分离出来，具有优良的抗干扰特性。在工程上常用二元域0,1内的0元素和1元素的序列来表示伪随机码，它具有如下特点：（1）在每一个周期内，0元素与1元素出现的次数近似相等，最多只差一次。（2）在每一个周期内，长度为比特的元素游程出现的次数比长度为比特的元素游程出现的次数多一倍。（3）序列的自相关函数是一周期函数，且具有双值特性，满足： （2.7）式中，为二元序列的周期，又称为码长或宽度，为小于的整数，为码元延时。作为扩频码的伪随机信号，应具有下列特点：（1） 伪随机码信号必须具有尖锐的自相关函数，而互相关函数值应接近0值。（2） 具
39、有足够长的码周期，以确保抗侦破与抗干扰的要求。（3） 码的数量足够多，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求。（4） 在工程上易于产生、加工、复制与控制。2.3 m序列m序列是最长线性移位寄存器序列的简称。二元m序列是一种伪随机序列，有优良的自相关函数，是狭义伪随机序列。m序列易于产生与复制，在扩频技术中得到了广泛的应用。2.3.1 m序列的定义级非退化的线性以为寄存器的组成如图2.2所示，移位时钟的频率为。级线性移位寄存器的反馈逻辑可用二元域上的次多项式来表示 （2.8）图2.2 级线性移位寄存器式（2.8）称为线性以为寄存器的特征多项式，式（2.8）给出的表示反馈网络的逻辑关系式是线性的
40、，因此称为线性移位寄存器，否则，称为非线性移位寄存器。式（2.8）中，表示以为寄存器的反馈连线，表明第级移位寄存器的输出与反馈网络的连线存在，否则表明连线不存在。当时，表明反馈网络的输出与第一级移位寄存器输入的连线存在，级线性移位寄存器为动态线性移位寄存器；当时，级线性移位寄存器为静态线移位寄存器。当时，级线性移位寄存器为非退化的级线性移位寄存器；当时，级移位寄存器为退化的级移位寄存器，此时线性移位寄存器已退化为级。对于动态线性移位寄存器，其反馈逻辑也可以用线性移位寄存器的递归关系式来表示 （2.9）特征多项式（2.8）与递归关系式（2.9）是级线性移位寄存器反馈逻辑的两种不同表示法，因其应用
41、场合不同而采用的表示方法。2.3.2 m序列的性质（1）m序列的随机特性一个随机序列具有两方面的特点：一是具有预先不可确定性，并且是不可重复实现的；二是它具有某种随机的统计特性。统计特性主要表现在：序列中两种不同元素出现的次数大致相等；序列中长度为的元素游程比长度为的元素游程的数量多一倍；序列具有类似与白噪声的自相关函数，即自相关函数具有函数形式。m序列是一种伪随机序列，它具有下面三种特性： 0-1分布特征。在一个周期内，元素0出现次，元素1出现次，元素1比元素0多出现一次。 游程特征。在一个周期内，共有个元素游程，其中元素0的游程与元素1的游程数目各占一半；长度为的元素游程占游程总数的；长度
42、为的元素游程只有一个，为元素0的游程；长度为的游程只有一个，为元素1的游程。 位移相加特征。m序列与其位移序列的模2加序列仍是该m序列的另一位移序列，即 （2.10）（2）m码序列的自相关函数根据自相关函数的定义以及m序列的性质，很容易求出m序列的自相关函数 （2.11）式给出的是m序列的自相关函数，并不是m码的自相关函数。首先将m序列变换为m码。将m序列的每一比特变换为宽度为、幅度为1的波形函数，当m序列的为0元素时，波形函数取正极性，否则取负极性。通过这样的变换后，周期为的m序列就变为码元宽度为、周期为的m码。下面来计算m码的自相关函数。我们知道，周期为的码的自相关函数是一周期函数，周期为
43、。这样只要求出一个周期内的自相关函数，再以为周期进行周期拓展，就可以求出码的自相关函数。在一个周期内，根据自相关函数的定义，有 （2.12）由（2.12）可看出，m码的自相关函数是一个周期函数，其周期为，可以写出在区间（一个周期）内m码的自相关函数表示式 （2.13）又知道三角脉冲的定义为 （2.14）则可以写出m码的自相关函数的表达式 （2.15）（3）m码的功率谱密度由相关函数的理论知，一时间函数的自相关函数与其功率谱密度函数是傅里叶变换对，即因为所以m码的功率谱密度函数为2.4 本章小结本章主要研究了扩频通信的理论基础。分别对扩频通信系统的基本概念，扩频通信系统的组成部分，扩频通信的优点
44、以及扩频通信的性能指标进行了详细的分析。并对伪随机编码的概念，伪随机序列的一种m序列以及其定义和主要的特征进行了探讨。3 高速跳频通信系统的原理3.1 跳频通信系统的原理跳频(Frequency Hopping，FH)通信系统具有抗衰落，抗干扰，低截获等优势，自从第一个实用的跳频通信系统BLADES(Buffalo Laboratories Application of Digitally Exat Spectra)系统于1963年安装在美军Mt.McKinley指挥舰上，用以对抗敌对干扰以来，跳频技术得到了持续的发展和广泛的应用：在现代电子对抗战中，电磁环境复杂恶劣，跳频技术常用来保障通信的
45、可靠稳定；在民用通信领域，如家庭射频和用于无线个人局域网的蓝牙技术，均是采用跳频技术达到可靠的抗干扰数据传输。跳频通信系统的核心部分是跳频序列发生器、频率合成器和跳频同步器。跳频序列发生器产生随机或者伪随机的多值序列，控制频率合成器生成所需要的频率；频率合成器将一个或若干个高稳定度和高精度的大量的参考频率，经过相应的处理技术，生成具有同样稳定度和同样精度的大量离散频率，在跳频通信系统中，要求频率合成器具有很高的频率切换速度；频率同步器用于保证接收机的本振频率与发射机的载波频率同步跳变。跳频通信系统的基本工作原理是：在发射端，输入的信息对频率的载波进行调制，得到带宽为R的调制信号。独立产生的跳频
46、序列从跳频频率表中取出频率控制码，控制频率合成器在不同的时隙内输出频率跳变的本振信号。用它对调制信号进行变频，使变频后的射频信号频率按照跳频序列跳变，即为跳频信号。跳频信号带宽W与调制信号带宽R的比值就是跳频通信系统的处理增益。跳频信号以频率跳变的方式躲避某些频率点上的人为干扰或自然干扰。在接收端，与发射端跳频序列一致的本地跳频序列被从跳频频率表中取出，以控制频率合成器，使输出的本振信号频率按照跳频序列相应地跳变。跳变的本振信号，对接收到的跳频信号进行变频，将跳变的频率搬回到定频，实现解跳。解跳后的调制信号，在木地载波作用下，经解调后，恢复出信息。跳频通信是一种收发双方同步改变载波频率的通信方式，故其原理示意图如图3.1所示。图3.1 跳频通信系统原理图3.2 高速跳频系统的原理高速跳频系统属于跳频系统中的一种，指跳频速率高于数据符号的传输速率，而相应的跳频速率低于数据符号传输速率的跳频系统称为慢速跳频系统，跳频通信的主要威胁是跟踪式干扰，提高跳频速率可有效对抗这类干扰。高速跳频系统是跳频通信系统的一种，组成的核
