高速跳頻系統(tǒng)中同步技術(shù)的設(shè)計和研究

王康，張進

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 251400）

1 頻率跳變系統(tǒng)

跳頻系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。頻率跳變系統(tǒng)中發(fā)信機的發(fā)射載波頻率，在一個預(yù)定的頻率集內(nèi)由偽隨機碼序列控制頻率合成器偽隨機地由一個跳到另一個。收信機中的頻率合成器也按照相同的順序跳變，產(chǎn)生一個和接收信號頻率相差中頻頻率(fIF)的參考本振信號，經(jīng)混頻后得到頻率固定的中頻信號，這一過程稱為對跳頻信號的解跳。解跳后的中頻信號經(jīng)過放大后送到解調(diào)器解調(diào)，恢復(fù)出傳輸?shù)男畔ⅰ?/p>

2 跳頻同步的一般方法

直擴同步是擴跳頻通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。直擴同步包括PN碼元的同步和載頻的同步。

(1)獨立信道法。獨立信道法是指利用一個專門的信道來傳遞同步信息，依此同步信息實現(xiàn)同步的方法。這種方式需要專門的信道來傳遞同步信息。

(2)參考時鐘法。參考時鐘法是指通過某種算法向網(wǎng)絡(luò)分配一個公共時基，依此時基實現(xiàn)同步的方法。時基在網(wǎng)內(nèi)快速傳遞，且對用戶透明，用戶入網(wǎng)可快速同步。但參考時鐘法對時基的精度、穩(wěn)定度要求極高。

圖1 頻率跳變系統(tǒng)框圖

(3)自同步法。自同步法是指通過發(fā)射機發(fā)送的信息序列中隱含同步信息，在接收機將該同步信息提取出來，從而實現(xiàn)同步的方法。自同步法具有節(jié)省信道、節(jié)省信號功率和同步信息隱蔽等優(yōu)點。

(4)同步字頭法。同步字頭法是指在建立通信之前，先發(fā)送一個同步字頭，利用該同步字頭實現(xiàn)同步的方法。同步字頭法具有快速同步的優(yōu)點，但同步字頭易遭受干擾，須加同步保護措施。

3 本文系統(tǒng)跳頻同步方法

根據(jù)中頻數(shù)傳模塊接收通道信號處理流程，將接收部分分為跳頻解跳模塊、數(shù)字下變頻模塊，偽碼捕獲模塊，載波與碼的精密跟蹤模塊，數(shù)據(jù)解調(diào)模塊這幾個功能模塊構(gòu)成，接收部分原理框圖如圖2所示。

圖2 接收部分原理框圖

在接收模塊中，跳頻序列發(fā)生器在捕獲同步跟蹤電路作用下，取得與發(fā)射端相同的擴頻序列和跳頻圖案，控制頻率綜合器的輸出，得到穩(wěn)定的中頻信號，然后送入A/D轉(zhuǎn)換模塊。

一種基于精確時鐘、同步字頭和串行捕獲相結(jié)合的方法，即等待自同步法，被廣泛應(yīng)用。在等待自同步法中，收發(fā)雙方開始聯(lián)系時，由于接收機對接收信號的頻率和跳頻圖案的相位完全不清楚，因而接收端頻率合成器輸出信號的頻率停留在某一頻率上。若捕獲到相關(guān)峰，則判定接收信號與當前等待頻率同步，即轉(zhuǎn)入跳頻圖案跟蹤狀態(tài)；若捕獲不到相關(guān)峰，則轉(zhuǎn)入重新捕獲狀態(tài)。其同步原理圖3所示。

圖3 等待自同步法原理圖

上述等待同步法對信道中的干擾性能相對較差，為此，本系統(tǒng)采取帶記憶的等待同步法，即：當進入到跳頻圖案跟蹤狀態(tài)時，對前一時刻的跳頻頻率作記憶，若當前預(yù)期位置未出現(xiàn)相關(guān)峰捕獲信號，并不馬上轉(zhuǎn)入重捕狀態(tài)，而是按既定的跳頻圖案進入下一頻率等待，若仍沒有捕獲到相關(guān)峰再轉(zhuǎn)入重新捕獲，這樣可以有效對抗單對準頻率的干擾，并不影響其他未受干擾的頻點的信息傳輸。

還有一種干擾的情況是，對方轉(zhuǎn)發(fā)干擾，導致接收機在某個頻率上捕獲到兩個相關(guān)峰，這樣，導致接收機跟蹤邏輯混亂而無法正常通信。為解決這一問題，接收機對當前相關(guān)峰出現(xiàn)時刻也進行記憶，若下一相關(guān)峰出現(xiàn)時間小于50 μs（1跳時間），則視為轉(zhuǎn)發(fā)干擾，而不轉(zhuǎn)入下一頻點。

通過以上對相關(guān)峰對應(yīng)的頻點，出現(xiàn)的時刻，可以有效對抗跟蹤、轉(zhuǎn)發(fā)干擾機的干擾。

圖4 跳頻序列捕獲原理圖

本系統(tǒng)采用的跳頻同步捕獲方案如圖4所示，跳頻序列相位搜索包括兩部分，一是控制頻率的搜索，主要是為使頻率合成器送出的頻率在跳頻序列同步情況下與發(fā)送來的信號頻率同步，另一部分是跳頻碼發(fā)生器控制跳頻序列的搜索，當本地跳頻序列與接收的不一致時，則不能通過混頻產(chǎn)生恒定的70 MHz中頻信號，經(jīng)平方積分后輸出很小，搜索控制時鐘使跳頻序列改變相位，進而改變頻率合成器的輸出，直至與發(fā)送來的跳頻頻率相一致，即跳頻序列混頻后有70 MHz中頻輸出，此時跳頻序列已同步。

4 系統(tǒng)驗證

本文所研究的系統(tǒng)是在基于FPGA的軟件無線電平臺上完成的，利用了Xilinx公司的Vertex系列中的XC4VLX40-10FF668-I型號FPGA芯片，軟件工具為Xilinx公司的ISE設(shè)計軟件，信號源發(fā)射機跳頻速率為：1/50 μs/20 000 hop/s。

結(jié)果分析：圖5為采樣時鐘64 MHz的chipscope采集的信號捕獲相關(guān)峰值與設(shè)定門限值，可以看出兩個相關(guān)峰之間相隔3 200點，即3 200×1/64 M=50 μs，恰好是一跳的時間，說明的每跳都捕獲成功；圖6為在理想情況下chipscope采集的誤碼率情況，其中接收了1 115 400 bit，錯誤比特數(shù)為0。

圖5 chipcope采集偽碼捕獲相關(guān)峰

圖6 chipscope采集誤碼率檢測

5 結(jié)束語

本文首先簡要介紹了跳頻系統(tǒng)的基本原理，然后研究了跳頻系統(tǒng)中跳頻同步技術(shù)的發(fā)展和基本技術(shù)，在此基礎(chǔ)上針對高速跳頻系統(tǒng)中現(xiàn)有自同步方法，提出了一種改進型的自同步和同步頭相結(jié)合的跳頻同步方法即帶記憶的等待自同步法，對前一時刻的跳頻頻率作記憶，可以有效的對抗單對準頻率的干擾和對方轉(zhuǎn)發(fā)干擾，并不影響其他未受干擾的頻點的信息傳輸。

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