短波跳時(shí)跳頻信號(hào)的同步技術(shù)研究

梁東坡,周安棟,王永斌,屈曉旭

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北武漢430033)

0 引言

短波跳時(shí)跳頻技術(shù)具有很好的抗定位能力,而跳時(shí)跳頻同步是跳時(shí)跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù),只有實(shí)現(xiàn)了快速精確的同步,才能正確地接收和解調(diào)信息,因此同步系統(tǒng)是跳時(shí)跳頻通信系統(tǒng)的核心之一。跳時(shí)跳頻同步的關(guān)鍵是跳時(shí)同步和跳頻圖案的同步,目前的同步多采用包含時(shí)間信息的同步字頭,將攜帶有時(shí)間信息的同步頭置于跳頻信號(hào)的最前面,收端從同步頭中捕獲到同步信息后調(diào)整本地跳頻序列發(fā)生器,從而使收發(fā)雙方實(shí)現(xiàn)同步。這種同步方法具有同步搜索快、易于實(shí)現(xiàn)以及同步可靠等特點(diǎn)[1,2,7],但是在跳時(shí)跳頻系統(tǒng)中,信號(hào)發(fā)送比較慢,采用這種同步方法,占用時(shí)間資源較多,所以該文基于跳時(shí)跳頻信號(hào)特征和考慮節(jié)約時(shí)間資源,提出一種跳時(shí)跳頻信號(hào)同步方法。

1 跳時(shí)跳頻信號(hào)同步原理及捕獲

1.1 同步方法原理

傳統(tǒng)的同步方法采用的同步頭+TOD信息在這里不適用,因?yàn)檫@樣導(dǎo)致幀同步頭過(guò)長(zhǎng),現(xiàn)在采用一種去掉TOD信息的同步頭,同步頭與跳時(shí)PN碼和跳頻PN碼為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,信號(hào)接收下來(lái)同時(shí)送入FPGA模塊和DSP模塊,在同步過(guò)程中用滑動(dòng)窗與接收的信號(hào)做相關(guān),檢測(cè)幀同步頭的到來(lái),在FPGA中做幀同步,然后在DSP中做位同步,提取幀同步頭信息,得到跳時(shí)、跳頻PN碼信息,控制跳時(shí)、跳頻PN碼產(chǎn)生模塊輸出與發(fā)送端相同的跳時(shí)、跳頻PN碼以進(jìn)行信號(hào)的準(zhǔn)確接收。

1.2 幀同步過(guò)程

接收信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換和下變頻后分別送到FPGA和DSP中,在FPGA中進(jìn)行信號(hào)幀同步檢測(cè),采用滑動(dòng)窗相關(guān)檢測(cè)的方法。一個(gè)碼元持續(xù)時(shí)間為T。取與同步頭長(zhǎng)度相等的接收信號(hào)與同步頭進(jìn)行相關(guān),為保證不漏掉同步頭中的某個(gè)碼元,每次滑動(dòng)半個(gè)碼元(T/2,也是一個(gè)時(shí)間元持續(xù)時(shí)間)再做相關(guān),相關(guān)值最大的信號(hào)為當(dāng)前同步頭信息,取其接收時(shí)間為當(dāng)前信息接收時(shí)間,并存儲(chǔ)檢測(cè)值次大的相關(guān)值、接收信息時(shí)間、最大和次大之間的移動(dòng)方向,檢測(cè)過(guò)程如圖1所示(接收窗超前信號(hào)窗口)。

圖1 滑動(dòng)窗相關(guān)檢測(cè)

在做滑動(dòng)窗相關(guān)檢測(cè)時(shí)是接收信息同時(shí)和同步頭庫(kù)中的所有同步頭做滑動(dòng)相關(guān),找出最大為當(dāng)前使用的同步頭。因?yàn)槊看位瑒?dòng) T/2的長(zhǎng)度,在幀同步結(jié)束時(shí),可以捕獲到同步頭75%的能量,也就是說(shuō)采樣時(shí)刻與接收碼元之間的時(shí)間偏移最大值Δ tmax=T/4。

1.3 位同步過(guò)程

圖2 接收時(shí)刻超前碼元時(shí)刻

當(dāng)接收時(shí)刻滯后碼元時(shí)刻時(shí)位同步時(shí),位同步示意圖與接收時(shí)刻超前碼元時(shí)刻的情況類似。

2 同步性能分析

2.1 同步時(shí)間

2.2 檢測(cè)概率和虛警概率

在加性高斯白噪聲(AWGN)信道分析同步系統(tǒng)的性能,給出同步系統(tǒng)的檢測(cè)概率Pda和虛警概率Pfa。

當(dāng)無(wú)信號(hào)存在并且無(wú)干擾時(shí),由文獻(xiàn)[4]則虛警概率為：

式中,r為判決門限,Q1(?)為馬庫(kù)姆函數(shù)。

當(dāng)有信號(hào)存在且不存在部分頻帶干擾時(shí),檢測(cè)概率為：

當(dāng)無(wú)信號(hào)存在且有部分頻帶干擾時(shí),虛警概率為：

當(dāng)有信號(hào)和部分頻帶干擾同時(shí)存在時(shí),檢測(cè)概率為：

綜合上面4種情況,AWGN信道下,虛警概率和檢測(cè)概率可表示為：

同步頭中包含M跳同步序列,因此同步頭的虛警概率和檢測(cè)概率為：

3 同步性能仿真

AWGN信道下,考慮干擾,虛警概率、捕獲概率與信噪比、判決門限以及干擾功率之間的關(guān)系,噪聲為歸一化噪聲。圖3為高斯白噪聲下虛警概率Pfa和判決門限r(nóng)之間的關(guān)系(考慮干擾存在的情況)。

圖3 虛警概率與判決門限和干擾功率的關(guān)系

圖3表明,虛警概率Pfa隨著判決門限r(nóng)的增大而減小,當(dāng) r=6.8時(shí),Pfa=0.01,隨著干擾功率與噪聲功率比J/N0的增大而增大,所以存在干擾時(shí),虛警概率大于無(wú)干擾時(shí)的虛警概率。

圖4為高斯白噪聲下捕獲概率和虛警概率、信噪比之間的關(guān)系(考慮干擾存在的情況),由圖可以看出,存在干擾時(shí)虛警概率為0.01,信噪比大于3.5 dB時(shí),捕獲概率可以達(dá)到95%以上;相同信噪比下隨著虛警概率的減小,檢測(cè)概率減小,圖中虛警概率Pdf取到。

圖4 捕獲概率和虛警概率、信噪比之間的關(guān)系

圖5為高斯白噪聲下捕獲概率與干擾頻點(diǎn)數(shù)和信干比之間的關(guān)系,取虛警概率 Pfa=0.01,信噪比Es/N0=4,E/J為信干比,由圖可以看出,隨著干擾頻點(diǎn)數(shù)的增大,捕獲概率相應(yīng)增大,捕獲概率均達(dá)到97%以上。

圖5 高斯白噪聲下捕獲概率與干擾頻點(diǎn)數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語(yǔ)

采用了新的同步方法,分別探討了有無(wú)干擾2種情況下,在高斯白噪聲信道下虛警概率、捕獲概率及捕獲時(shí)間等,并對(duì)其進(jìn)行了仿真。由參考文獻(xiàn)[8]跳頻同步可靠性指標(biāo),同步系統(tǒng)仿真說(shuō)明：在干擾存在的情況下,該系統(tǒng)具有較高的捕獲概率,能夠進(jìn)行穩(wěn)定地同步,還具有同步時(shí)間較短的性能。

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