基于Matlab的跳频通信系统仿真(3)

2019-02-15 21:20

(2) 频率分辨力。频率分辨力是指两个相邻频率之间的最小间隔。不同用途的

频率合成器对频率分辨力有不同的要求。有的只需千赫级的分辨力,有的则需达到赫兹甚至毫赫兹的分辨力。

(3)

频率转换时间。频率转换时间娃指频率合成器从一个频率转换到另一个频

率并且达到稳定所需要的时间。常规通信中,通常要求频率转换时间低了几十毫秒。跳频通信系统中,频率转换时间越短越好,最好达到微秒数量级。直接合成法与直接数字合成法的频率转换时间极短,在快速跳频系统中得到广泛应用;锁相合成法的频率转换时间相对较长,大约为参考时钟周期的25 倍,多用干慢速跳频系统。

(4)

频率准确度和稳定。频率淮确度是指频率合成器的实际输出频率偏离标称

工作频率的大小。频率稳定度是指在一定时间间隔内,频率合成器输出频率变化的范围。

频率准确度与稳定度既有区别又有联系,只有稳定才能准确,通常将工作频率相对于标称工作频率的偏差记入不稳定偏差之内,只考虑频率稳定度。

频率稳定度可分为长期(年、月)稳定度、短期(日、小时)稳定度和瞬时(秒、毫秒)稳定度,但其时间没有严格的界限。长期稳定度主要由晶体和元件老化所决定。短期稳定度主要取决于内部电路参数的变化,外部电源波动及其他环境因素。瞬时稳定度主要由噪声和干扰引起,时域上可用“真方差、“阿伦方差”等来描述,频域上可用功率谱密度来表示。

(5)

频谱纯度。频谱纯度是指频率合成器输出信号中包含谐波分量和其他杂散

分量大小的一种度量。影响频谱纯度高低的主要因素是滤波器的质量、相位噪声、杂散噪声和其他寄生干扰。

通常总是希望频谱的纯度越高越好。 (6) (7)

系列化、标准化及模块化的可实现性。 成本、体积及质量。

跳频系统对频率合成器的要求是:频率转换速度快;频率稳定度及频谱纯度髙;频率数目多;能在编码控制下进行频率跳变。

3.1.1 跳频频率合成方法

频率合成方法很多,按照合成频率所使用的方法分类,可分为直接合成法与间接合成法;按照使用参考频率源数目,可分为相干合成法与非相干合成法;从理论基础及实现方法相对独立的角度,可分为直接频率合成法(Direct Frequency Synthesis,简称DS法)、间接频率合成法(Indirect Frequency Synthesis,简称IS法)和直接数字合成法(Direct Digital Synthesis,简称DDS法)。本章采用最后一种分类方法进行阐述。

直接频率合成法主要用混频、倍频、分频等方法产生所需要的频率。优点是:频率转换速度快;带宽较宽;相位噪声性能好,适合于快速跳频。缺点是:需要复杂的滤波、屏蔽、消除射频干扰等措施;功耗大、体积大、成本高,难以保证高的频谱纯度。随着

微波器件及集成电路工艺水平的提高,直接频率合成法的实现难度、成本、质量和体积正在逐步减小,近几年来在需要快速跳频和频率稳定度要求高的场合又重新引起了重视。

间接频率合成法也称锁相频率合成法。优点是:可以实现任意频率和带宽的频率合成;具有极低的相位噪声和杂散;除鉴相器频率泄漏外,一般混频器、分频器无其他的杂波输出(小数分频器除外);电路简单可靠、功耗低、体积小、质量缺点是:频率转换速度慢,一般在毫秒级,最好的为几十微秒;频率稳定度较低;锁相环路有惰性,频率分辨力与频率转换时间之间相互矛盾,难以兼顾,采用变模分频和小数分频也不能从根本上解决这一问题,有些场合必须辅以其他频率合成技术才能满足要求。

直接数字合成法从相位概念出发进行频率合成。优点是:具有精确的相位、频率分辨力;频率转换速度快;相对带宽很宽;相位连续、控制方便;具有输出任意波形的能力。缺点是:工作频带窄、杂散抑制差。

3.1.2 DDS工作原理及特点

DDS的原理图如图3-1所示,它包含相位累加器、数/模转换器、波形存储器和低通滤波器4个部分。在参考时钟驱动下,相位累加器对频率控制字累加,得到相位码对波形存储器进行寻址,波形存储器输出相应幅度码,经数/模转换器从而生成阶梯波形,最后经过低通滤波器滤波得到所需频率的连续波形。

图3-1 DDS的原理图

DDS采用了全数字结构,具有其他频率合成技术所不具备的一些特点。DDS频率合成技术的优点如下:

频率分辨力高。这是DDS各个有点中最主要的优点之一,DDS频率分辨力是由参考时钟频率义和相位累加器的位数而决定。

输出频率的相对带宽很宽。根据Nyquist定律,理论上来说,只要输出的信号的最高频率不大于fc/2,DDS就可以实现所要的带宽。由于受低通滤波器过渡特性及高端信号频谱恶化的限制,实际工程中可实现的最髙频率一般为0.4fc。

频率转换吋间短。DDS的频率转換时间是频率控制宇的传输时间和低通滤波器为主的器件频率响应时间的和。高速DDS系统中采用流水线结构,其频率控制字的传输时间等于流水线级数与时钟周期的乘积,低通滤波器的频率晌应时间随截止频率的提高而缩短,因此高速DDS系统的频率转换时间极短,可以达到纳秒数量级。DDS的这个优点对实现高速跳频非常的有利。

频率捷变时候相位连续。从DDS的工作原理可知,改变DDS的输出频率是通过改

变频率控制字实现的,实际来说改变的是相位函数增长速率。当频率控制字从K1变到K2之后,它是在已有的累积相位nKtδ(δ为最小相位增量)上,再每次累加δ,相位点数的曲线是连续的,只是改变频率的瞬间,斜率发生突变,所以保持了输出相位的连续性。

可产生宽带正交的信号。根据工作原理,只要相位累加器同时进行寻址两个幅值正交的ROM,分别用各自的数/模转换器和低通滤波器.就可在很宽的范围内获得比较精确的正交信号。

具有任意波形输出的能力。DDS中相位累加器输出所寻址的波形数据并非一定是正弦波形数据,根据Nyquist定理,只要该波形所包含的高频分量小于采样频率的一半,这个波形就可以由DDS产生。目前已有应用DDS技术的任意波形发生器?

易于实现数字阏制。DDS采用全数字结构,频率控制字可以直接调整输出信号的频率和相位,因此可以在DDS设计中方便地加上数字调制、跳相和调幅等功能,产生ASK、FSK、PSK等多种信号。

DDS频率合成技术的缺点如下。

工作频带受限。这是在应用方面受到限制的主要因素。根据DDS结构和工作的原理,DDS的工作频率受到器件速度的限制,主要是指ROM和DAC的速度限制,随着高速ECL和GaAs器件的发展以及髙速可编程滤波器的实现,频带受限问题将逐步得到缓解。

相位噪声性能。DDS的相位噪声主要由参考时钟相位的性质、参考时钟的频率与输出频率之间的关系以及器件本身噪声决定。理论上,输出频率的相位噪声会对参考时钟频率的相位噪声有20lg(fc/fo)dB的改进。实际工程中,必须要考虑包括相位累加器、ROM、DAC等的各种器件噪声性能的影响。

3.2 跳频同步 3.2.1 跳频同步要求

正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,即跳频接收机与跳频发射机在相同时刻使用相同频率。跳频同步内容包括:跳频频率表一样;跳频序列相同;跳变的起止时刻相同。也就是说,为了实现收发双方跳频的同步,接收机必须能够获得发射机有关跳频同步的信息,这些信息包括釆用哪一张跳频频率表,采用哪样的跳频序列,在哪个时刻哪一个频率上开始起跳,并且还需要不断地校正接收机本地时钟,使其与发射机时钟一致。在实际的应用中,跳频的频率表和跳频的序列是由通信双方预先约定好的,需要解决的主要问题是使频率跳变的起止时刻相同。

跳频同步性能的好坏对于跳频通信系统性能有极大的影响。跳频同步的要求是:自动、迅速、可靠、能抗干扰,失步后能迅速同步。衡量同步性能的优劣,主要应考虑4个方面:同步的可靠性;同步的抗侦察性;同步的抗干扰性;同步的抗假冒性。

⑴ 同步的可靠性

同步的可靠性包括同步建立时间、同步保持时间等多项指标。一般地说,同步建立时间越短越好,同步保持时间越长越好。

同步建立时间包括初始同步时间和迟人网时间。对某些按键通话的跳频系统来说,在按键之后和可以讲话之前,不希望出现明显的延迟。可以采取以下措施缩短同步建立时间:采取信道质量较好的频率作为同步頻率;同步频率的个数不能过多;选择合理的同步信息格式设计等。

同步保持时间是指收发双方的同步以跳对跳方式保持的持续时间,由于跳频系统时钟的漂移,在数据接收及无线电静默期间,跳频系统可能发生失步,因此,必须在数据流中插人同步校准信息,以便进行同步保持及无线电静默后的快速再同步。同步保持时间与时钟稳定度有密切关系,时钟稳定度越低,时钟漂移越快,因此,应选择稳定度较高的晶振作为跳频系统的时钟。

⑵ 同歩的抗侦察性

对付敌方侦察我方同步频率的策略是进行同步频率的掩盖保护。同步频率应尽可能在整个跳频频率表上伪随机变化。可以采取以下措施来提髙同步的抗侦察性。

同步信号在空中存在的时间要尽量短,使敌方难以在相应的时间内发现同步信号。 在多个同步频率上传送同步信息,增大同步频率的随机性,使敌方难以侦察。 釆用大量非同步频率的无用传输来混杂掩盖同步频率的有用传输。 将同步信息加密置乱,使同步信息失去特定的结构特征。 ⑶ 同步的抗干扰性

同步的抗干扰性包括抗人为干扰和抗噪声干扰的性能。釆用跳频技术的重要目的就是提高系统的抗干扰性,特别是在电子战环境中抗敌方有意干扰的能力。为了在恶劣干扰环境下能保证通信的正常进行7要求同步概率尽可能高,假同步概率(也称虚检概率)尽可能小。可以采取以下措施来提髙同步的抗干扰性。

采取同步信息本身的差错控制技术,如纠错编码、多次重发.相关编码、交织等。 采取同步认定的算法控制策略,即经过多次同步检测后才认定跳频同步的策略,并选择最佳的同步检测次数。

采取同步状态下的失步算法控制策略,即经过多次失步检测后才确定跳频系统已失去同步的策略,并选择最佳的失步检测次数。

⑷ 同步的抗假冒性

假冒同步信息干扰是指干扰方使用通信方的同步频率,向空间发射出速率、格式及信息结构等都合法的假冒同步信息,对通信方实施干扰。这种干扰有可能造成频繁的虚检,破杯跳频同步系统的芷常工作。对付假冒同步信息千扰的策略是:

结合捕获方案的搜索策略,做好同步频率的抗侦察工作;

尽量使同步信息的信号特征与通信信息的信号特征一致,以致敌方难以分同步信息与通信信息;

人为地发射伪同步信息以迷惑敌人,从而提高对同步信息的保护能力。 3.2.2 跳频同步的方法及优缺点

比较常用的同步方法是独立信道方法、参考时钟方法、自同步方法和同步字头方法等。

⑴ 独立信道法

独立信道法是指利用一个专门的信道用来传送同步信息,同步信息实现同步方法。接收机从该专门信道中接收发射机送来的同步信息后,依照同步信息指令,设置接收机跳频序列、跳频的频率表和跳变起止时刻,并且要校准接收机时钟,在规定起跳时刻开始进行跳频通信。这种方式就需要专门信道来传送同步信息,有的通信系统很难能够提供专门的信道:所以独立信道法的应用受到了限制。

独立倍道法的优缺点:

独立信道法需要专门的信道来传送同步信息,因此它占用频率资源和信号功率。另外,其同步信息传送方式不隐蔽,易于被敌方发现和干扰。其优点是传送的同步信息量大,同步建立的时间短,并能不断地传送同步信息,保持系统的长时间同步。

⑵ 参考时钟法

参考时钟法是通过某种算法来向网络分配一个公共时钟基准,按照此时基实现同步的方法。时基在网内快速传递,而且对用户透明,用户的人网可快速同步。但参考时钟法对于时基的精度、稳定度要求极高。

参考肘钟法的优缺点:

参考时钟法可使同步的设计大为简化,但对基准时钟的依赖性非常大,使得在不能获得基准时钟的情况下,跳频系统不能使用该方法。此外,高精度时钟的设计制作难度大,成本高,在目前的实际系统中难以应用。

⑶ 自同步法

自同步法是指通过发射机发送的信息序列中隐含了同步信息,在接收机把同步信息提取出来后,从而实现同步的一种方法。自同步法并不需要专门信道和发送专门的同步信息,因此它具有节省信道、节省信号的功率和同步信息隐蔽等众多优点。依据提取同步信息的手段不同,又可分为几种具体的实施方法,即等待自同步方法、扫描式自同步方法、匹配滤波自同步方法、频率估值自同步方法。

自同步法的优缺点:

自同步法在节省频率资源和信号功率方面具有优点,但由于发射机发送的信息序列中所能隐含的同步信息是非常有限的,所以在接收机所能提取的同步信息就更少了。此法只适用于简单跳频序列的跳频系统,并且系统同歩建立的时间较长。


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