一種新的短波跳頻通信網(wǎng)位同步方法及其實(shí)現(xiàn)

謝 玲, 甘良才, 郭見(jiàn)兵
(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院,湖北 武漢 430079)
 
　　摘　要：基于跳頻信號(hào)的特點(diǎn),提出了一種隙同步的方法,并采用TMS320C54X系列DSP對(duì)隙同步方案進(jìn)行了硬件仿真和分析。結(jié)果表明:該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,同步時(shí)間短,能夠較好
　　關(guān)鍵詞：短波 跳頻通信 位同步 TMS320C54X芯片

　　跳頻通信是一種載頻按照一定規(guī)律變化的多頻率移頻鍵控,具有抗干擾性強(qiáng)、保密性好、頻帶利用率高的特點(diǎn),易于兼容,便于構(gòu)成多種通信網(wǎng)。正是由于這些特點(diǎn),跳頻通信系統(tǒng)在現(xiàn)代軍事和交通運(yùn)輸通信中得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)外近幾年推出了大量跳頻電臺(tái)的產(chǎn)品,如美國(guó)HAKRIS公司的中速跳頻電臺(tái)RF-5010、美國(guó)Rockwell公司的SINGARS-U超快速跳頻電臺(tái)等。這些電臺(tái)均采用微處理機(jī)控制,功能齊全,輕便靈活,操作簡(jiǎn)單。
　　利用跳頻圖案的良好正交性和隨機(jī)性,可以在一個(gè)寬的頻帶內(nèi)容納多個(gè)跳頻通信系統(tǒng)同時(shí)工作,將多個(gè)電臺(tái)組成通信網(wǎng)絡(luò),完成專(zhuān)向通信或網(wǎng)絡(luò)通信,達(dá)到頻譜資源共享的目的,從而提高頻譜的有效利用率,增加用戶(hù)通信的靈活性[1]。短波信道是一種時(shí)變衰落信道,為保證各接收端均能在適當(dāng)時(shí)刻進(jìn)行取樣判決,從而正確接收傳輸信息;短波跳頻網(wǎng)對(duì)位同步有較高的要求。因此,位同步問(wèn)題是短波跳頻通信網(wǎng)中的一個(gè)重要問(wèn)題。
　　位同步的實(shí)現(xiàn)方式很多,如常用的插入導(dǎo)頻法和自同步法等。本文提出了一種新的同步方案——隙同步的概念,并基于TI 公司TMS320C54X系列DSP,采用TMS320匯編語(yǔ)言對(duì)該隙同步方案進(jìn)行了硬件仿真和數(shù)值分析。
1 跳頻網(wǎng)位同步原理
　　在跳頻通信系統(tǒng)中,為了正確接收數(shù)據(jù),接收端必須提供一個(gè)作為取樣判決用的定時(shí)脈沖序列。該序列的重復(fù)頻率與碼元速率相同,相位與最佳判決時(shí)刻一致。因此,跳頻通信系統(tǒng)位同步過(guò)程就是指收發(fā)兩地跳頻速率與起始相位的偏差在允許的范圍內(nèi)(通常小于1/2個(gè)碼元)提取正確的定時(shí)脈沖序列的過(guò)程[2]。基于跳頻信號(hào)的特點(diǎn),本文提出了一種隙同步的方法,可以較好解決短波跳頻系統(tǒng)位同步問(wèn)題。
1.1 隙同步原理
　　某段時(shí)間間隔內(nèi)的跳頻信號(hào)波形如圖1所示。

圖1 跳頻信號(hào)波形

　　由圖1可見(jiàn),相鄰兩個(gè)跳頻信號(hào)的載頻頻率是不同的,而且兩個(gè)載頻交界處的相位通常并不連續(xù),存在突變。隙同步原理就是利用了跳頻信號(hào)的這個(gè)特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)位同步的。
　　在圖1中,從t0時(shí)刻開(kāi)始提取一個(gè)碼元長(zhǎng)度的信號(hào),通常在該段信號(hào)內(nèi)包含著一個(gè)躍變點(diǎn)。若不存在躍變點(diǎn),即碼元準(zhǔn)確同步,則跳頻信號(hào)的幅度譜表現(xiàn)為如圖2所示的單音信號(hào)形式。

圖2 同步時(shí)跳頻信號(hào)幅度譜

　　若在該段信號(hào)內(nèi)存在躍變點(diǎn),則信號(hào)的幅度譜將有所不同,在載頻頻率f0之外還有一些因躍變而產(chǎn)生的頻率分量fi、fj等,這些分量的幅度較之f0要小得多,如圖3所示。

圖3 不同步時(shí)跳頻信號(hào)幅度譜

　　由此可見(jiàn),通過(guò)分析信號(hào)的幅度譜,可以判斷躍變點(diǎn)的位置。具體而言,首先對(duì)信號(hào)均勻抽樣得到長(zhǎng)度為N的離散信號(hào)序列,對(duì)該離散序列進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)得到其幅度譜,然后通過(guò)比較載頻頻率f0與相位躍變所產(chǎn)生頻率分量的幅度,即可以判斷信號(hào)是否同步。若因相位躍變而產(chǎn)生的頻率分量的幅度之和為0,則表明信號(hào)已同步;否則,將信號(hào)延遲若干點(diǎn),繼續(xù)作N點(diǎn)FFT,直到信號(hào)同步。
　　以上討論不存在噪聲干擾的理想情況。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,噪聲時(shí)刻存在,這使得信號(hào)即使同步了,除載頻f0以外的各頻率分量的能量也不會(huì)為0。但是在環(huán)境不十分惡劣的情況下,即當(dāng)信號(hào)沒(méi)有完全淹沒(méi)在噪聲中時(shí),上述原理仍然適用。
1.2 隙同步實(shí)現(xiàn)方法[3～4]
　　基于上述隙同步原理,本文設(shè)計(jì)了如下的同步點(diǎn)尋找方法:
　　(1) 以t0時(shí)刻為起始點(diǎn)取一段跳頻信號(hào),對(duì)該段跳頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換得到離散信號(hào)序列。
　　(2) 從所得信號(hào)序列中順序取出一個(gè)碼片長(zhǎng)度(N點(diǎn))的信號(hào),進(jìn)行N點(diǎn)FFT運(yùn)算得到該部分信號(hào)幅度譜。若該幅度譜中峰值對(duì)應(yīng)的頻率分量是約定頻率之一,則將除該頻率分量以外的所有頻率分量的幅度求平方和,并記為a1,然后延遲W點(diǎn)(一般取W使N/W為整數(shù)),順序取出N點(diǎn)信號(hào),重復(fù)以上過(guò)程,直到完成N/W次(一個(gè)碼片長(zhǎng)度)的分析,所得的幅度和依次記為a2,a3,…,aN/W。若該幅度譜中峰值對(duì)應(yīng)的頻率分量不是約定的頻率之一,則延遲W點(diǎn)取出后續(xù)的N點(diǎn)信號(hào),重復(fù)上述操作。
　　(3) 從所得到的{a1,a2,…,aN/W}中取一個(gè)最小值ai,并將該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻(即點(diǎn)序號(hào))記為A1,初步認(rèn)為該時(shí)刻即為同步點(diǎn)。A1可以根據(jù)下式計(jì)算,即
　　A1=startpoint+(i-1)