多普勒效應(yīng)下的跳頻信號(hào)定時(shí)同步算法研究

摘 要：由于收發(fā)信雙方的相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)會(huì)影響接收信號(hào)的同步和解調(diào)，特別是對(duì)符號(hào)速率每跳變化的跳頻信號(hào)影響更大。針對(duì)跳頻信號(hào)在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的時(shí)鐘同步問題，通過分析多普勒鐘偏對(duì)時(shí)鐘同步的影響，提出了基于同步信息的時(shí)鐘頻率估計(jì)加時(shí)鐘相位估計(jì)定時(shí)同步方法，將二者的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，估計(jì)出鐘偏及鐘偏變化率，實(shí)時(shí)跟蹤、調(diào)整接收機(jī)的時(shí)鐘，達(dá)到收發(fā)信號(hào)時(shí)鐘同步的目的。與三階鎖相環(huán)進(jìn)行了仿真與對(duì)比，仿真結(jié)果證明，該方法比傳統(tǒng)的鎖相環(huán)方法跟蹤范圍大，估計(jì)精度高，解調(diào)性能更優(yōu)良；解調(diào)性能損失與理論值相比小于０． ２ ｄＢ。

關(guān)鍵詞：跳頻；高動(dòng)態(tài)；頻率估計(jì)；時(shí)鐘跟蹤；擴(kuò)展卡爾曼濾波

中圖分類號(hào)：ＴＮ９２９ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（ＯＳＩＤ）：

文章編號(hào)：１００３－３１１４（２０２４）０４－０７６５－０６

０ 引言

隨著低軌衛(wèi)星的飛速發(fā)展，以及高機(jī)動(dòng)平臺(tái)應(yīng)用需求的增多，高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的通信信號(hào)同步也越來越受到人們的關(guān)注。同時(shí)，通信系統(tǒng)的抗干擾能力也是特殊通信場(chǎng)景的重要指標(biāo)要求，因此抗干擾能力強(qiáng)的跳頻系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的同步研究就顯得尤為重要。

近年來，針對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下通信接收機(jī)的同步問題，國內(nèi)外都展開了廣泛而深入的研究，并且已經(jīng)研制和生產(chǎn)出一些高動(dòng)態(tài)接收機(jī)［１－４］。對(duì)于飛機(jī)、導(dǎo)彈等高動(dòng)態(tài)平臺(tái)，或基于低軌衛(wèi)星進(jìn)行通信時(shí)，由于收發(fā)信機(jī)之間非勻速運(yùn)動(dòng)，多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的載波頻率和時(shí)鐘頻率變化［５－７］。為保證解調(diào)性能，需要對(duì)載波頻率和時(shí)鐘頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)和校正?，F(xiàn)有文獻(xiàn)大部分是對(duì)高動(dòng)態(tài)下的載波頻率同步研究［８－１４］，對(duì)高動(dòng)態(tài)時(shí)鐘同步研究較少，特別是對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境條件下的跳頻時(shí)鐘同步技術(shù)的研究就更少。在跳頻系統(tǒng)中，由于跳頻信號(hào)載波種類多，每跳之間符號(hào)速率跨度大，而且低速載波信號(hào)每跳包含的符號(hào)數(shù)量少，因此很難每跳進(jìn)行定時(shí)，需要依靠導(dǎo)頻跳進(jìn)行整體定時(shí)，而導(dǎo)頻跳發(fā)送頻率不可能太高，兩個(gè)導(dǎo)頻間隔一般較大，這樣同步調(diào)整的間隔就較長(zhǎng)，這對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的定時(shí)同步非常不利，需要根據(jù)高動(dòng)態(tài)和跳頻參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐皆O(shè)計(jì)。

現(xiàn)有的高動(dòng)態(tài)同步方法主要有兩類：一類是無導(dǎo)航信息輔助，在無導(dǎo)航信息輔助情況下，可以基于同步跳估計(jì)時(shí)鐘偏差，然后對(duì)采樣時(shí)鐘進(jìn)行校正。校正完成后，能夠保證跟蹤收斂階段正常找到相鄰的同步跳。另一類是有導(dǎo)航信息輔助，在導(dǎo)航信息輔助情況下，可以利用衛(wèi)星位置、平臺(tái)位置、平臺(tái)速度等信息估計(jì)多普勒鐘偏，并根據(jù)估計(jì)結(jié)果對(duì)采樣時(shí)鐘進(jìn)行校正［１５－１９］。校正完成后，能夠保證跟蹤收斂階段正常找到相鄰的同步跳。這兩類方法都是完成時(shí)鐘頻率偏差的估計(jì)和校正，然后進(jìn)行定時(shí)跟蹤。這是因?yàn)樵诟邉?dòng)態(tài)條件下，多普勒頻移常常會(huì)超出傳統(tǒng)的定時(shí)跟蹤方法的捕獲帶，為了擴(kuò)大跟蹤范圍，必須增加環(huán)路帶寬，導(dǎo)致寬帶噪聲加入，造成信噪比惡化，尤其對(duì)于低信噪比通信的條件下，當(dāng)噪聲電平超過環(huán)路工作門限時(shí)，也會(huì)使定時(shí)跟蹤失鎖，使得解調(diào)數(shù)據(jù)無法恢復(fù)［２０］。因此，傳統(tǒng)定時(shí)同步技術(shù)在跳頻高動(dòng)態(tài)的通信條件下無法勝任。

本文針對(duì)跳頻信號(hào)在高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的時(shí)鐘同步問題，通過分析多普勒鐘偏對(duì)時(shí)鐘同步的影響，提出了基于同步信息的時(shí)鐘頻率估計(jì)加時(shí)鐘相位估計(jì)定時(shí)同步方法。將二者的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行卡爾曼濾波，估計(jì)出鐘偏及鐘偏變化率，實(shí)時(shí)跟蹤、調(diào)整接收機(jī)的時(shí)鐘，達(dá)到收發(fā)信號(hào)時(shí)鐘同步的目的。與三階鎖相環(huán)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明，該方法比傳統(tǒng)的鎖相環(huán)方法跟蹤范圍大、估計(jì)精度高、解調(diào)性能更優(yōu)良。

１ 高動(dòng)態(tài)對(duì)跳頻信號(hào)時(shí)鐘同步的影響

１． １ 信號(hào)模型

跳頻信號(hào)幀結(jié)構(gòu)示意如圖１ 所示。幀結(jié)構(gòu)最小單位為跳，若干跳組成一幀。每幀中包含３ 種信息：同步信息、業(yè)務(wù)信息和數(shù)據(jù)信息，其中同步信息最少占用一跳，內(nèi)容為ｍ 或Ｍ 序列，用于初始跳頻同步、頻率估計(jì)及時(shí)鐘頻差等功能；業(yè)務(wù)信息占用若干跳，傳遞跳頻參數(shù)信息，本文不做詳細(xì)介紹；數(shù)據(jù)信息在一幀中占用的跳數(shù)最多，為幾十或上百跳，傳輸內(nèi)容為有用信息，有用信息的符號(hào)速率每跳可能都會(huì)變化。在這三種信息中，同步信息是跳頻同步的關(guān)鍵，承擔(dān)著跳定位和時(shí)鐘同步的重要任務(wù)，因此對(duì)同步信息的有效利用非常重要。特別是在高動(dòng)態(tài)等惡劣環(huán)境下，如何充分利用同步信息進(jìn)行多普勒的估計(jì)和補(bǔ)償，使信號(hào)能夠正常完成同步和解調(diào)，是高動(dòng)態(tài)跳頻通信的重要研究?jī)?nèi)容。

１． ２ 高動(dòng)態(tài)對(duì)時(shí)鐘的影響分析

跳頻幀結(jié)構(gòu)中，幀長(zhǎng)用Ｔｆｒａｍ 表示，每跳時(shí)間用Ｔｈｏｐ 表示，同步信息的符號(hào)速率用Ｒｓ 表示，數(shù)據(jù)信息的符號(hào)率最高為Ｒｓ。由圖１ 可知，同步信息每隔Ｔｆｒａｍ 時(shí)間出現(xiàn)一次，同步信息的出現(xiàn)頻率為：

Ｒｆｒａｍ ＝１ ／ Ｔｆｒａｍ。（１）

由于在信號(hào)同步之前，參數(shù)信息還沒有被解析出來，數(shù)據(jù)信息的符號(hào)速率未知，且每跳信號(hào)的符號(hào)速率和符號(hào)數(shù)量可能都會(huì)變化，因此不能利用數(shù)據(jù)信息每跳進(jìn)行定時(shí)，僅能依靠同步信息進(jìn)行定時(shí)估計(jì)。由式（１）可知，定時(shí)頻度為Ｒｆｒａｍ，定時(shí)間隔為Ｔｆｒａｍ。跳頻系統(tǒng)中幀長(zhǎng)Ｔｆｒａｍ 一般為毫秒級(jí)，則定時(shí)頻度Ｒｆｒａｍ 為幾百赫茲；數(shù)據(jù)信息最高符號(hào)率Ｒｓ 一般為幾十兆赫茲。跳頻信號(hào)面臨的問題是需要用幾百赫茲的定時(shí)頻度來完成幾十兆赫茲符號(hào)率信號(hào)的定時(shí)。

在高動(dòng)態(tài)時(shí)，由于時(shí)鐘偏差大、定時(shí)頻度低，在兩次定時(shí)時(shí)間間隔中，時(shí)鐘偏移會(huì)累積，累積一定時(shí)間后信號(hào)采樣位置會(huì)錯(cuò)開最佳采樣點(diǎn)，甚至?xí)e(cuò)開多個(gè)符號(hào)，導(dǎo)致定時(shí)錯(cuò)誤，不能恢復(fù)出正確的符號(hào)樣點(diǎn)。如圖２ 所示，采樣位置距離信號(hào)中心位置越來越遠(yuǎn)，當(dāng)符號(hào)偏移量ｂｉａｓ 大于０． ５ 個(gè)符號(hào)時(shí)，定時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯錯(cuò)誤，即選取的最佳點(diǎn)可能實(shí)際是最差的樣點(diǎn)。

對(duì)于最高符號(hào)率為Ｒｓ 的跳頻信號(hào)來說，時(shí)間間隔Ｔｆｒａｍ 內(nèi)的符號(hào)偏移量為：

ｂｉａｓ＝ ｖ／ｃ×Ｔｆｒａｍ ×Ｒｓ， （２）

式中：ｖ 為接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，ｃ 為光速，ｃ＝３×１０８ ｍ／ ｓ。根據(jù)多普勒頻偏公式可得：

ｖ／ｃ＝ ｆ／ｆ０， （３）

式中：ｆ 為多普勒頻偏，ｆ０ 為信號(hào)中心頻點(diǎn)。由式（２）和式（３）可得：

ｂｉａｓ＝ ｆ／ｆ０×Ｔｆｒａｍ ×Ｒｓ。（４）

由式（４）可知，時(shí)鐘偏移量與頻偏ｆ 有關(guān)，因此需要對(duì)ｆ 進(jìn)行估計(jì)，并調(diào)整接收機(jī)時(shí)鐘頻率，跟蹤高動(dòng)態(tài)帶來的時(shí)鐘變化，使得接收機(jī)的時(shí)鐘與被高動(dòng)態(tài)影響后的信號(hào)實(shí)際速率同頻。影響符號(hào)偏移量的因素除了時(shí)鐘偏差，還有一個(gè)因素是時(shí)鐘變化率，本文使用時(shí)鐘相位估計(jì)來反映時(shí)鐘變化率，使接收時(shí)鐘與實(shí)際信號(hào)時(shí)鐘相同，需要根據(jù)信號(hào)幀格式和高動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行信號(hào)同步設(shè)計(jì)。

２ 時(shí)鐘同步方法及分析

２． １ 基于同步信息的定時(shí)方法

為了適應(yīng)高動(dòng)態(tài)，采用基于同步信息（導(dǎo)頻）的時(shí)鐘鐘偏估計(jì)和時(shí)鐘相偏估計(jì)，并將二者的估計(jì)結(jié)果進(jìn)行擴(kuò)展卡爾曼濾波（Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ，ＥＫＦ），再調(diào)整接收時(shí)鐘，以達(dá)到收發(fā)兩端高精度的時(shí)鐘同步。實(shí)現(xiàn)方法如圖３ 所示。

由圖３ 可以看出，接收基帶信號(hào)后進(jìn)行重采樣，重采樣的輸出時(shí)鐘為跟蹤高動(dòng)態(tài)后的同步時(shí)鐘；鐘偏估計(jì)的作用是對(duì)利用同步信息對(duì)時(shí)鐘頻率偏差進(jìn)行估計(jì)，將較大的鐘偏進(jìn)行估計(jì)并通過直接數(shù)字合成器（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ，ＤＤＳ）修正后，再進(jìn)行時(shí)鐘相偏估計(jì)。鐘偏估計(jì)和時(shí)鐘相偏估計(jì)的結(jié)果經(jīng)過ＥＫＦ 后，送入ＤＤＳ 來調(diào)整生成時(shí)鐘，達(dá)到跟蹤高動(dòng)態(tài)的效果。ＥＫＦ 跟蹤模塊如圖４ 所示。

濾波器的輸入為估算出的時(shí)鐘頻偏和時(shí)鐘相偏。濾波后的結(jié)果送入ＤＤＳ，由ＤＤＳ 調(diào)整輸出時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)采樣位置的調(diào)整。濾波輸出的結(jié)果是對(duì)輸入信號(hào)的時(shí)鐘頻率、相位的估計(jì)，這些估計(jì)值將用在下一個(gè)Ｔ（幀長(zhǎng)Ｔｆｒａｍ）時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，第ｉ＋１ 個(gè)Ｔ 時(shí)間段的本地ＤＤＳ 的頻率和初相如下：

式中：Ｘｉ（１）、Ｘｉ（２）分別為濾波輸出的信號(hào)時(shí)鐘的頻率與相位。

跳頻衛(wèi)星接收機(jī)通常工作在高動(dòng)態(tài)低信噪比環(huán)境下，為了適應(yīng)輸入信號(hào)的大多普勒動(dòng)態(tài)，傳統(tǒng)的定時(shí)跟蹤環(huán)路通常需要增加環(huán)路帶寬，而增加環(huán)路帶寬導(dǎo)致進(jìn)入到環(huán)路的噪聲增加，環(huán)路失鎖概率增大。而ＥＫＦ 的時(shí)鐘跟蹤環(huán)，不僅可以自適應(yīng)的改變環(huán)路帶寬，還可以避免使用鑒相器帶來信噪比的損失。在高動(dòng)態(tài)與低信噪比的環(huán)境下，鎖相環(huán)的入鎖時(shí)間長(zhǎng)、失鎖概率大、性能比較差。相比較三階鎖相環(huán)的固定環(huán)路帶寬特性，基于卡爾曼濾波的定時(shí)跟蹤環(huán)路可以自適應(yīng)地改變環(huán)路帶寬，入鎖時(shí)間短、失鎖概率小，具有更好的跟蹤性能。

２． ２ 時(shí)鐘頻率偏差估計(jì)及性能

由于時(shí)鐘頻率偏差估計(jì)和時(shí)鐘相偏估計(jì)的性能決定了定時(shí)同步的性能，因此時(shí)鐘頻率偏差ｖ／ ｃ 可由多普勒頻偏ｆ 得到，鐘偏估計(jì)可轉(zhuǎn)換為多普勒頻偏估計(jì)，通過分析頻偏估計(jì)的性能可間接得到鐘偏估計(jì)的性能。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)頻偏估計(jì)進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。

大頻偏情況下的頻偏估計(jì)需要考慮算法的估計(jì)范圍與估計(jì)精度，估計(jì)范圍越大，適應(yīng)的高動(dòng)態(tài)越大；估計(jì)精度越高，剩余頻偏及鐘偏越小，從而兩幀時(shí)間間隔內(nèi)累積的頻偏和鐘偏也就越小，解調(diào)性能損失也就越小。綜合考慮估計(jì)范圍和估計(jì)精度，由于離散傅里葉變換（Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＤＦＴ）的頻率估計(jì)是對(duì)最大似然估計(jì)的簡(jiǎn)化，其估計(jì)精度可接近克拉美－羅界（Ｃｒａｍéｒ-Ｒａｏ Ｂｏｕｎｄ，ＣＲＢ），而且估計(jì)范圍接近估計(jì)信號(hào)速率的一半，因此選取ＤＦＴ 方法進(jìn)行頻率估計(jì)。

式中：σ２ 為估計(jì)方差，ｆ＾ 為頻率估計(jì)值，ｆＴ 為觀測(cè)信號(hào)的頻率，ｆＴ ＝ １ ／ Ｔ，Ｔ 為整段觀測(cè)信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度，ＥＴ ／ Ｎ０ 為整段觀測(cè)信號(hào)信噪比。

ＣＲＢ 限定了頻率估計(jì)的最高精度，但能否達(dá)到，還與ＤＦＴ 頻率估計(jì)的點(diǎn)數(shù)有關(guān)，因?yàn)辄c(diǎn)數(shù)決定了頻率分割的顆粒度，點(diǎn)數(shù)不夠，頻率分割的顆粒度大，精度就不夠。工程實(shí)現(xiàn)時(shí)，為了達(dá)到接近ＣＲＢ的估計(jì)精度，必要時(shí)需對(duì)ＤＦＴ 進(jìn)行補(bǔ)零處理。

本文以最高運(yùn)動(dòng)速度６ ８００ ｍ／ ｓ（２０ Ｍａ）、中心頻點(diǎn)１０ ＧＨｚ、跳速１０ ｋＨｚ、幀長(zhǎng)２０ ｍｓ、同步信息及最高數(shù)據(jù)信息符號(hào)速率１０×１０６ 符號(hào)／ ｓ、最低符號(hào)速率３１２． ５×１０３ 符號(hào)／ ｓ、在不同信噪比下進(jìn)行分析和仿真。該條件下，最大多普勒頻偏４５３． ３ ｋＨｚ，最大多普勒鐘偏２． ３×１０－５。當(dāng)Ｅｈ ／ Ｎ０ ＝ ２０ ｄＢ 時(shí)（Ｅｈ 為整跳能量），低速信號(hào)Ｅｓ ／ Ｎ０ ＝ ５ ｄＢ，當(dāng)Ｅｈ ／ Ｎ０ ＝１４ ｄＢ 時(shí)，低速信號(hào)Ｅｓ ／ Ｎ０ ＝ －１ ｄＢ。

以同步跳為例進(jìn)行分析，跳速為１０ ｋＨｚ 時(shí)，同步跳持續(xù)時(shí)間為１００ μｓ，Ｅｈ 為整跳的能量，當(dāng)Ｅｈ ／ Ｎ０ ＝２０ ｄＢ 時(shí)，根據(jù)式（６）可得σ２（ｆ＾／ ｆｈ）＝ ０． ００１ ５（ｆｈ 為整跳跳速），開方歸一化頻率估計(jì)誤差為０． ０３８。ＤＦＴ 的估計(jì)誤差公式為：

Δｆ＝ｆｓ ／２Ｌ， （７）

式中：ｆｓ 為用于ＤＦＴ 估計(jì)的數(shù)據(jù)速率，Ｌ 為ＤＦＴ點(diǎn)數(shù)。

若要達(dá)到估計(jì)誤差為０． ０３８，ＤＦＴ 點(diǎn)數(shù)Ｌ 需滿足：

由式（８）可知，至少需要１３ 段數(shù)據(jù)，即需補(bǔ)１２ 段與同步跳一樣長(zhǎng)的０，ＤＦＴ 估計(jì)結(jié)果才能接近ＣＲＢ。考慮頻偏估計(jì)范圍，ＤＦＴ 數(shù)據(jù)的速率需要大于頻偏的兩倍，即大于４５３． ３×２ ＝９０６． ７ ｋＨｚ，同步跳速為１０ ｋＨｚ，因此將同步跳分為１００ 段，則數(shù)據(jù)速率為１×１０３ 符號(hào)／ ｓ，需要補(bǔ)零到１００×１３ ＝ １ ３００ 點(diǎn)，為方便ＤＦＴ 運(yùn)算，選取補(bǔ)零到２ ０４８ 點(diǎn)。做２ ０４８ 點(diǎn)ＤＦＴ 運(yùn)算，ＤＦＴ 估計(jì)出的頻率方差（相對(duì)于跳速為１０ ｋＨｚ，ｆｈ ＝１０ ｋＨｚ）和實(shí)際估計(jì)誤差如圖５ 所示。

由圖５ 可知，當(dāng)Ｅｈ ／ Ｎ０ ＝２０ ｄＢ，Ｅｓ ／ Ｎ０ ＝５ ｄＢ 時(shí)，ＤＦＴ 頻率估計(jì)的方差約為０． ００２，平均估計(jì)誤差為０． ０４５，平均估計(jì)頻偏約為１０ ｋＨｚ×０． ０４５ ＝ ４５０ Ｈｚ；當(dāng)Ｅｈ ／ Ｎ０ ＝ １４ ｄＢ，Ｅｓ ／ Ｎ０ ＝ －１ ｄＢ 時(shí)，ＤＦＴ 頻率估計(jì)的方差約為０． ００８，則平均估計(jì)誤差約為０． ０９，平均估計(jì)頻偏約為１０ ｋＨｚ×０． ０９ ＝９００ Ｈｚ，即歸一化頻偏為９００ Ｈｚ／１０ ｋＨｚ＝０． ０９，小于１０％ 。根據(jù)鑒相器原理，頻偏越小鑒相誤差越容易提取，鑒相性能越好鎖定時(shí)間越短，１０％ 的歸一化頻偏對(duì)鑒相器性能影響很小，可以滿足后續(xù)時(shí)鐘相位偏差估計(jì)模塊對(duì)輸入頻偏的要求。這時(shí)剩余鐘偏為：

ｖ／ｃ＝ ｆ／ｆ０＝９００ ／１×１０９ ＝９×１０－７。（９）

時(shí)間間隔Ｔｆｒａｍ 內(nèi)的符號(hào)偏移量（符號(hào)長(zhǎng)度）為：

ｂｉａｓ＝ ｖ／ｃ×Ｔｆｒａｍ ×Ｒｓ ＝９×１０－７ ×０． ０２×１×１０６ ＝０． １８。（１０）

由式（１０）可知，當(dāng)Ｅｓ ／ Ｎ０≥－１ ｄＢ 時(shí)，在一幀的時(shí)間間隔內(nèi)，符號(hào)偏移不大于０． １８ 個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度、小于０． ５ 個(gè)符號(hào)長(zhǎng)度，因此可以滿足后面的定時(shí)相位跟蹤模塊－延遲鎖定環(huán)的入鎖要求。

通過計(jì)算和仿真可知，通過對(duì)同步信息進(jìn)行分段和補(bǔ)零進(jìn)行ＤＦＴ 頻率估計(jì)，其估計(jì)范圍可以達(dá)到高動(dòng)態(tài)的最大頻偏，其估計(jì)誤差也滿足定時(shí)相位估計(jì)的要求。可以認(rèn)為通過頻偏估計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)大鐘偏調(diào)整的目的，且為后面精確時(shí)鐘跟蹤提供必要條件。

２． ３ 時(shí)鐘相位偏差估計(jì)及性能

時(shí)鐘頻偏估計(jì)完成后進(jìn)行時(shí)鐘相偏估計(jì)完成時(shí)鐘跟蹤，時(shí)鐘跟蹤用延遲鎖定環(huán)完成。延遲鎖定估計(jì)出的時(shí)鐘相位也送入卡爾曼濾波器內(nèi)進(jìn)行相位跟蹤，跟蹤同步后抽取最佳采樣點(diǎn)。延遲鎖定環(huán)誤差信號(hào)為：

跳頻系統(tǒng)中，每捕獲到一次同步信息，進(jìn)行一次定時(shí)相位誤差估計(jì)和跟蹤。延遲鎖定環(huán)的跟蹤流程如下：

① 完成大鐘偏調(diào)整后，將同步信息周期性送入延遲鎖定環(huán)。大鐘偏調(diào)整完成的情況下，同步信息之間的間隔基本為固定個(gè)時(shí)鐘周期。

② 計(jì)算同步信息的提前與滯后支路相關(guān)結(jié)果的差值。

③ 將差值歸一化，除以提前與滯后支路相關(guān)值的和，減小信號(hào)幅度對(duì)差值的影響。

④ 將歸一化誤差送入卡爾曼濾波器。

同上一節(jié)仿真條件，在Ｅｓ ／ Ｎ０ ＝ －１ ｄＢ 時(shí)，蒙特卡洛仿真１０ ０００ 次，估計(jì)偏差結(jié)果如圖６ 所示，可以看出歸一化偏差在－０． ０４ ～ ＋０． ０４，滿足卡爾曼濾波跟蹤要求。

３ 跟蹤性能分析

同前節(jié)仿真條件，最高運(yùn)動(dòng)速度６ ８００ ｍ／ ｓ（２０ Ｍａ），最大多普勒頻偏４５３． ３ ｋＨｚ，最大多普勒鐘偏２． ３×１０－５，在Ｅｓ ／ Ｎ０ ＝ －１ ｄＢ、同步信息符號(hào)速率１０×１０６ 符號(hào)／ ｓ 時(shí)，仿真ＥＫＦ 跟蹤環(huán)與三階鎖相環(huán)的跟蹤性能，結(jié)果如圖７ 所示。

由圖７ 可以看出，ＥＫＦ 在跟蹤過程中的頻率更加精確、剩余相偏更小，且ＥＫＦ 跟蹤環(huán)的入鎖速度比三階鎖相環(huán)更快。

時(shí)鐘同步后的誤碼率性能仿真結(jié)果如圖８ 所示，可以看出該方法對(duì)解調(diào)性能的影響很小，與理論性能相比，該方法的誤碼性能損失小于０． ２ ｄＢ。

由前文分析和仿真表明，該時(shí)鐘同步方法可以實(shí)現(xiàn)一定高動(dòng)態(tài)下的頻率校正和同步跟蹤，并且可以獲得良好的性能。目前，一些機(jī)載平臺(tái)和彈載平臺(tái)的飛行速度和通信速率也在文中的參數(shù)范圍內(nèi)，因此該算法也能夠支持機(jī)載平臺(tái)及彈載平臺(tái)等高機(jī)動(dòng)場(chǎng)景的應(yīng)用。

４ 結(jié)束語

本文從高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下跳頻通信同步困難入手，分析和設(shè)計(jì)定時(shí)同步的實(shí)現(xiàn)方案，針對(duì)跳頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)的技術(shù)的特點(diǎn)，提出了基于同步跳的時(shí)鐘同步技術(shù)總體架構(gòu)、算法及流程，并根據(jù)高動(dòng)態(tài)信息和跳頻幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算和仿真，得出了定時(shí)同步技術(shù)的主要參數(shù)和同步性能，解決了高動(dòng)態(tài)條件下跳頻信號(hào)時(shí)鐘同步問題，實(shí)現(xiàn)了高動(dòng)態(tài)信號(hào)的實(shí)時(shí)跟蹤。提出的定時(shí)同步技術(shù)方案在實(shí)際項(xiàng)目中得到了驗(yàn)證，并通過了初樣測(cè)試。該方法對(duì)于其他高機(jī)動(dòng)場(chǎng)景的同步問題，也有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：

陳敬喬 女，（１９８１—），碩士，高級(jí)工程師。

汪 顏 女，（１９８６—），碩士，高級(jí)工程師。

張靜濤 男，（１９８７—），碩士，高級(jí)工程師。