蔡昆宏，趙 利，黃昌龍

（桂林電子科技大學(xué)信息與通信學(xué)院，廣西桂林 541004）

1995年美國Sanders子公司將差分跳頻應(yīng)用于其設(shè)計(jì)的相關(guān)跳頻增強(qiáng)型擴(kuò)頻系統(tǒng)（CHESS）。與常規(guī)跳頻技術(shù)相比，差分跳頻具有以下突出優(yōu)點(diǎn):差分跳頻的頻率轉(zhuǎn)移函數(shù)（G函數(shù)）具備了產(chǎn)生跳頻圖案和調(diào)制解調(diào)的功能;傳輸速率高，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)19.2 kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率;跳速極高，達(dá)到5 000跳/秒，每跳的頻率駐留時(shí)間為0.2 ms，有效提高了系統(tǒng)抗跟蹤干擾性能;采用寬帶異步接收方式，解跳不需跳頻圖案的同步。

雖然，差分跳頻解跳不需跳頻圖案的同步，但是跳沿同步性能影響著整個(gè)系統(tǒng)的頻率序列檢測性能和系統(tǒng)抗干擾性能。跳沿檢測模塊與滑動早遲窗模塊協(xié)調(diào)處理，實(shí)現(xiàn)跳沿同步。在接收端每次對一跳時(shí)間內(nèi)的信號進(jìn)行處理，相當(dāng)于對接收信號進(jìn)行了加窗，這個(gè)窗就稱為跳信號窗口［1-2］。如果差分跳頻系統(tǒng)的跳信號窗口已經(jīng)同步，則接收到的一跳信號為一個(gè)單頻信號。若跳信號窗口跟接收信號的起始時(shí)刻不對齊，進(jìn)入窗口的將有兩個(gè)信號，此時(shí)進(jìn)行判決將可能發(fā)生誤判。跳沿同步就是使跳信號窗口的起始時(shí)刻盡可能接近接收信號的起始時(shí)刻，提高判決的準(zhǔn)確度［3］。

但現(xiàn)有差分跳頻早遲窗同步系統(tǒng)采用多個(gè)FFT來識別早遲窗的頻譜能量信號，在實(shí)際應(yīng)用中消耗大量資源，特別是當(dāng)同步系統(tǒng)精度要求比較高時(shí)，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)較大，此時(shí)快速傅里葉變換會占用大量的乘法器和加法器。因此，必須減少FFT個(gè)數(shù)達(dá)到最小以適應(yīng)實(shí)際需求?，F(xiàn)有差分跳頻早遲窗同步系統(tǒng)另一個(gè)缺點(diǎn)是大多采用線性移動窗口來達(dá)到跳沿同步，同步鎖定時(shí)間和同步精度不能同時(shí)滿足，實(shí)際應(yīng)用缺乏靈活性，因此如果采用非線性移動窗，能同時(shí)縮短同步鎖定時(shí)間和提高跳沿同步精度。

針對現(xiàn)有差分跳頻早遲窗同步的缺點(diǎn)，本文通過采用單個(gè)FFT來簡化同步實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度，同時(shí)采用非線性移動早遲窗來減少同步鎖定時(shí)間。通過引入軟件無線電設(shè)計(jì)思想［4］，在節(jié)省硬件資源的基礎(chǔ)上，全部用軟件編程的模式實(shí)現(xiàn)其硬件功能。采用Xilinx公司的System Generator工具進(jìn)行建模設(shè)計(jì)仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

1 設(shè)計(jì)原理

1.1 單個(gè)FFT譯碼接收原理

傳統(tǒng)DFH同步跟蹤系統(tǒng)是基于FFT信號檢測早遲窗跟蹤方法，將采樣信號分為前后兩段，通常把前段采樣點(diǎn)稱為早門，后段采樣點(diǎn)稱為遲門，分別對早門信號和遲門信號做快速傅里葉變換運(yùn)算，比較前后兩段頻譜能量值計(jì)算出誤差估計(jì)，即可判斷出是否同步、超前或者滯后［5-6］。然后根據(jù)早門和遲門能量的差別量調(diào)整步數(shù)，改變跳信號窗口，直至能量差小于判決門限，即完成了跳沿同步，如圖1所示。

圖1 基于多個(gè)FFT的早遲窗同步方法原理框圖

但是FFT在實(shí)際工程中占用很大的硬件資源，特別是當(dāng)系統(tǒng)要求同步精度很高的時(shí)候，F(xiàn)FT需要提高點(diǎn)數(shù)來提高精度，從而導(dǎo)致硬件乘法器和加法器成倍增加。如圖1所示，傳統(tǒng)差分跳頻采用了3個(gè)FFT，其中早窗口和遲窗口后各采用1個(gè)FFT來計(jì)算早遲窗能量值，最后1個(gè)FFT計(jì)算出的頻譜能量值直接送到載頻識別器來進(jìn)行頻率序列譯碼。如果能夠把3個(gè)FFT結(jié)合成1個(gè)FFT，則能有效地節(jié)省硬件資源。因此核心是把早遲窗移到FFT變換后的頻域里進(jìn)行加窗處理，通過FFT變換后加窗提取早遲窗，如圖2所示。

圖2 基于單個(gè)FFT的早遲窗同步方法原理框圖

圖2采用把FFT前移到跳信號窗口控制后，其中FFT采用N點(diǎn)，就是每隔N個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行一個(gè)FFT變換，取得頻譜信息后，分成3路。前2路根據(jù)FFT輸出標(biāo)號xk_index和對應(yīng)的頻譜能量值E，把早窗口和遲窗口頻譜信息分別提取出來，最后送入誤差估計(jì)來調(diào)整步數(shù)控制跳信號窗口移動。第3路把頻譜信息送入載頻識別，進(jìn)行維特比譯碼。這樣就能只采用一個(gè)FFT運(yùn)算來完成早遲窗同步，有效地節(jié)省硬件資源。

1.2 非線性早遲窗同步鎖定原理

早遲窗計(jì)算方法為基本的DFH同步鎖定方法，利用連續(xù)若干跳的早窗口FFT能量、遲窗口FFT能量來計(jì)算窗口誤差，通過和最小門限δ比較，來控制跳信號窗口控制器來移動跳信號控制窗口。

圖3為跳信號控制窗口遲于當(dāng)前跳情況。實(shí)線是長度各為N/2個(gè)采樣點(diǎn)的早窗和遲窗，其中一跳的長度為N個(gè)采樣點(diǎn)。

圖3 檢測跳窗口遲于當(dāng)前跳

圖3中，ΔM為檢測窗口和當(dāng)前跳的時(shí)間誤差，通過求N/2點(diǎn)FFT，得出能量差值。歸一化時(shí)間誤差為

對于早窗口，N/2點(diǎn)FFT后的能量值為

式中，Ai為當(dāng)前跳信號的能量幅度。

對于遲窗口，N/2點(diǎn)FFT后的能量值為

即早窗和遲窗能量差值為

當(dāng)調(diào)整最小步數(shù)為Bf=16時(shí)，設(shè)最小門限δ為

即早遲窗的精度為Bf=16，誤差為跳沿前后16個(gè)采樣點(diǎn)以內(nèi)。當(dāng)然Bf越小，同步精度越高。

圖4為跳信號控制窗口早于當(dāng)前跳情況。實(shí)線是長度各為N/2個(gè)采樣點(diǎn)的早窗和遲窗，其中一跳的長度為N個(gè)采樣點(diǎn)。

圖4 檢測跳窗口早于當(dāng)前跳

對于早窗口，N/2點(diǎn)FFT后的能量值為

式中，Ai為當(dāng)前跳信號的幅度。

對于遲窗口，N/2點(diǎn)FFT后的能量值為

即早窗和遲窗能量差值為

同理當(dāng)調(diào)整最小步數(shù)為Bf=16時(shí)，設(shè)最小門限δ為

根據(jù)式（1）～（9）的分析，本文FFT點(diǎn)數(shù)N=1 024，粗調(diào)移動32點(diǎn)，細(xì)調(diào)移動16點(diǎn)，跳沿誤差不超過1.5%。同時(shí)采用非線性跳沿調(diào)整，當(dāng)早遲窗跟當(dāng)前跳沿時(shí)間誤差相差過大時(shí)，采用粗調(diào)，當(dāng)時(shí)間誤差縮小時(shí)改用細(xì)調(diào)。f1，f2分別表示早遲窗FFT識別的跳頻頻率序列，判斷情況如下所示:

2 建模設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證

通過采用Xilinx公司的System Generator工具進(jìn)行建模設(shè)計(jì)仿真，仿真無誤后，生成相應(yīng)的Verilog代碼，在Spartan6開發(fā)板完成實(shí)際跳頻通信。

2.1 快速傅里葉變換（FFT）建模與仿真

System Generator函數(shù)庫里提供了現(xiàn)成的FFT模型可供調(diào)用，如圖5所示。采用512點(diǎn)FFT，其start腳表征FFT變換的起始時(shí)刻，上升沿有效，若此沿與接收跳頻信號的起始時(shí)刻一致，則表明跳信號窗口已同步，同步正是根據(jù)跳沿時(shí)刻起始位置一致來判斷。此外，本文差分跳頻子系統(tǒng)的采樣率為7.68 Msample/s（兆采樣/秒），碼元速率為2.5 kbit/s，即一個(gè)碼元寬度采樣點(diǎn)數(shù)為7.68×1 000/2.5=3 072。則一個(gè)碼元寬度做6次FFT變換，頻率分辨率為7.68×1 000/512=15 kHz，而信道間隔為45 kHz，引入30 kHz的冗余，即便信號有較小的頻偏，系統(tǒng)也能做出正確的判決。

圖5 快速傅里葉變換（FFT）建模（截圖）

如圖6所示仿真結(jié)果，自上向下第1路信號為差分跳頻發(fā)射信號;第2路為FFT的start腳同步信號;第3路為FFT輸出的經(jīng)過mode模塊實(shí)部虛部平方求和得到的頻譜能量值;第4路為輸出能量與之對應(yīng)的頻率標(biāo)號xk_index。第3路和第4路合起來就是輸入信號的頻譜分析圖。差分跳頻接收機(jī)正是通過FFT分析輸入信號頻譜找出每一跳的頻率成分，從而解跳出原始信息。另外從圖中可以看出，F(xiàn)FT的start腳并沒有跳沿同步，從而導(dǎo)致頻譜能量出現(xiàn)兩個(gè)能量值，且能量幅度大大減少，嚴(yán)重影響后續(xù)載頻識別。

圖6 快速傅里葉變換（FFT）仿真波形（截圖）

2.2 早遲窗提取建模與仿真

此模塊功能是通過對FFT的輸出xk_index標(biāo)號（圖6第4路）提取前后早遲窗的能量值和標(biāo)號值。由于一個(gè)碼元寬度做6次FFT變換，即一個(gè)碼元寬度可分別提取3個(gè)早窗口和3個(gè)遲窗口。如圖7所示。

如圖8所示仿真結(jié)果，自上向下第1路信號為早窗輸出xk_index標(biāo)號;第2路為早窗輸出能量值;第3路為遲窗輸出xk_index標(biāo)號;第4路為遲窗輸出能量值。采用1個(gè)FFT模塊，大大降低了資源消耗。

2.3 單個(gè)FFT非線性早遲窗同步整體建模與仿真

早遲窗同步的整體模型如圖9所示，工作流程為:早遲窗同步電路接收下變頻后的兩路正交信號，步數(shù)調(diào)整模塊內(nèi)部方波信號送入FFT模塊的start腳，將512點(diǎn)FFT分別提取出來作為早窗和遲窗。搜索模塊根據(jù)運(yùn)算值搜尋出早窗和遲窗信號的最大能量值及對應(yīng)的頻率號后，誤差估計(jì)模塊根據(jù)這些值做出判斷，輸出步數(shù)調(diào)整信號，步數(shù)調(diào)整模塊接收步數(shù)調(diào)整信號，調(diào)整內(nèi)部方波前后調(diào)整，直到跳沿對齊。

圖9 早遲窗同步整體建模（截圖）

圖10 早遲窗同步整體仿真波形（截圖）

3 小結(jié)

本文采用軟件無線電結(jié)構(gòu)，針對現(xiàn)有差分跳頻早遲窗的缺點(diǎn)，采用基于單個(gè)FFT的非線性早遲窗同步系統(tǒng)，大大降低了資源消耗，同時(shí)滿足同步系統(tǒng)鎖定時(shí)間和鎖定精度，更加適應(yīng)實(shí)際應(yīng)用。通過仿真驗(yàn)證了同步系統(tǒng)的性能。由于整個(gè)系統(tǒng)采用FPGA軟件可編程技術(shù)，能夠根據(jù)實(shí)際情況靈活地調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)各種復(fù)雜干擾環(huán)境。

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［1］宋培林，沈保鎖.差分跳頻的解調(diào)窗口同步算法［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2004（9）:43-45.

［2］陳智.差分跳頻通信系統(tǒng)的性能分析［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［3］李勇，姚富強(qiáng).基于FFT的DFH系統(tǒng)跳信號窗口同步方法研究［C］//2006軍事電子信息學(xué)術(shù)會議論文集.武漢:中國電子學(xué)會，2006:462-465.

［4］楊小牛，樓才義，徐建良.軟件無線電原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2001.

［5］李少謙，董彬虹，陳智.差分跳頻通信原理及應(yīng)用［M］.成都:電子科技大學(xué)出版社，2007.

［6］潘武，周世東，姚彥.差分跳頻通信系統(tǒng)性能分析［J］.電子學(xué)報(bào)，1999（S1）:102-104.