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

短波跳時跳頻技術(shù)具有很好的抗定位能力,而跳時跳頻同步是跳時跳頻通信的關(guān)鍵技術(shù),只有實現(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)是跳時跳頻通信系統(tǒng)的核心之一。跳時跳頻同步的關(guān)鍵是跳時同步和跳頻圖案的同步,目前的同步多采用包含時間信息的同步字頭,將攜帶有時間信息的同步頭置于跳頻信號的最前面,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)雙方實現(xiàn)同步。這種同步方法具有同步搜索快、易于實現(xiàn)以及同步可靠等特點[1,2,7],但是在跳時跳頻系統(tǒng)中,信號發(fā)送比較慢,采用這種同步方法,占用時間資源較多,所以該文基于跳時跳頻信號特征和考慮節(jié)約時間資源,提出一種跳時跳頻信號同步方法。

1 跳時跳頻信號同步原理及捕獲

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,因為這樣導(dǎo)致幀同步頭過長,現(xiàn)在采用一種去掉TOD信息的同步頭,同步頭與跳時PN碼和跳頻PN碼為一一對應(yīng)關(guān)系,信號接收下來同時送入FPGA模塊和DSP模塊,在同步過程中用滑動窗與接收的信號做相關(guān),檢測幀同步頭的到來,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、跳頻PN碼信息,控制跳時、跳頻PN碼產(chǎn)生模塊輸出與發(fā)送端相同的跳時、跳頻PN碼以進行信號的準確接收。

1.2 幀同步過程

接收信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和下變頻后分別送到FPGA和DSP中,在FPGA中進行信號幀同步檢測,采用滑動窗相關(guān)檢測的方法。一個碼元持續(xù)時間為T。取與同步頭長度相等的接收信號與同步頭進行相關(guān),為保證不漏掉同步頭中的某個碼元,每次滑動半個碼元(T/2,也是一個時間元持續(xù)時間)再做相關(guān),相關(guān)值最大的信號為當前同步頭信息,取其接收時間為當前信息接收時間,并存儲檢測值次大的相關(guān)值、接收信息時間、最大和次大之間的移動方向,檢測過程如圖1所示(接收窗超前信號窗口)。

圖1 滑動窗相關(guān)檢測

在做滑動窗相關(guān)檢測時是接收信息同時和同步頭庫中的所有同步頭做滑動相關(guān),找出最大為當前使用的同步頭。因為每次滑動 T/2的長度,在幀同步結(jié)束時,可以捕獲到同步頭75%的能量,也就是說采樣時刻與接收碼元之間的時間偏移最大值Δ tmax=T/4。

1.3 位同步過程

圖2 接收時刻超前碼元時刻

當接收時刻滯后碼元時刻時位同步時,位同步示意圖與接收時刻超前碼元時刻的情況類似。

2 同步性能分析

2.1 同步時間

2.2 檢測概率和虛警概率

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)的檢測概率Pda和虛警概率Pfa。

當無信號存在并且無干擾時,由文獻[4]則虛警概率為：

式中,r為判決門限,Q1(?)為馬庫姆函數(shù)。

當有信號存在且不存在部分頻帶干擾時,檢測概率為：

當無信號存在且有部分頻帶干擾時,虛警概率為：

當有信號和部分頻帶干擾同時存在時,檢測概率為：

綜合上面4種情況,AWGN信道下,虛警概率和檢測概率可表示為：

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 r=6.8時,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,虛警概率大于無干擾時的虛警概率。

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,存在干擾時虛警概率為0.01,信噪比大于3.5 dB時,捕獲概率可以達到95%以上;相同信噪比下隨著虛警概率的減小,檢測概率減小,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,隨著干擾頻點數(shù)的增大,捕獲概率相應(yīng)增大,捕獲概率均達到97%以上。

圖5 高斯白噪聲下捕獲概率與干擾頻點數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)束語

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

[1]DIXON R C.Spread Spectrum Systems[M].NewYork：John wiley,1976：76-83.

[2]SCHOLTZ R A.The Spread Spectrum Concept[J].IEEE Trans Commun,1977,25(8)：748-755.

[3]趙樹杰,趙建勛.信號檢測與估計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.11：33-45.

[4](美)HOLMES J K.相干擴展頻譜系統(tǒng)[M].梁振興譯,國防工業(yè)出版社,1991：468-499.

[5](美)PROAKIS JG.數(shù)字通信(第 4版)[M].張力軍,張宗橙,鄭寶玉等譯,北京：電子工業(yè)出版社,2009：216-223.

[6]李少謙,董彬紅,陳智.差分調(diào)頻通信原理及應(yīng)用[M].成都：電子科技大學(xué)出版社,2007：61-67.

[7]任玉升,唐向宏,廖見盛.跳頻通信系統(tǒng)的一種同步方法探討[J].電子對抗,2004(3)：23-26.

[8]鄢茂林,蔣子剛,涂衛(wèi)紅.跳頻同步可靠性指標探討[J].電訊技術(shù),2009(5)：63-66.