具有強(qiáng)抗干擾性的快速跳頻捕獲方案設(shè)計(jì)

摘  要：滑動(dòng)相關(guān)法和匹配濾波器法是現(xiàn)有的自同步跳頻捕獲方法中抗干擾性能最強(qiáng)的2種方法，但是，滑動(dòng)相關(guān)法捕獲速度太幔,匹配濾波器法系統(tǒng)結(jié)構(gòu)太復(fù)雜。為了克服這些缺點(diǎn),對(duì)這2種方法進(jìn)行了深入的研究。從捕獲時(shí)間的期望值、抗干擾性能以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度3方面對(duì)其性能進(jìn)行了全面的對(duì)比評(píng)價(jià)，提出了一種改進(jìn)的跳頻同步捕獲方案——“快速出局式捕獲”。該改進(jìn)方案在保持最高級(jí)別的抗干擾性能的同時(shí)，不僅具有與匹配濾波法接近的快速捕獲速度，而且具有與滑動(dòng)相關(guān)法相當(dāng)?shù)耐矄蜗到y(tǒng)結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：跳頻通信；同步；捕獲；快速出局

    跳頻通信技術(shù)起源于軍事通信的高保密性和高抗干擾性的需求，隨著在GSM、HomeRF、Bluetooth等民用移動(dòng)通信中的廣泛應(yīng)用，與人們的日常生活更是密切相關(guān)。
    快速而準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)跳頻同步是跳頻通信系統(tǒng)正常工作的必要條件。所謂跳頻同步，就是使收發(fā)兩端的頻率跳變規(guī)律完全一致，包括頻率一致和相位一致。抗干擾性強(qiáng)是跳頻通信得到廣泛應(yīng)用的重要原因，跳頻同步作為跳頻通信技術(shù)族中的關(guān)鍵技術(shù)之一，必須具有很強(qiáng)的抗干擾性才能有實(shí)用價(jià)值和持續(xù)發(fā)展的生命力。同時(shí)，通信的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要，特別是在軍事通信中，所以，跳頻同步的同步建立時(shí)間要盡量的短。
    跳頻同步分2個(gè)階段完成：同步捕獲和同步跟蹤。同步捕獲，在l/2個(gè)頻隙寬度的精度上完成粗同步；同步跟蹤完成進(jìn)一步的精確同步及相位的實(shí)時(shí)鎖定。同步捕獲模塊的性能很大程度上決定了整個(gè)同步系統(tǒng)的性能，從20世紀(jì)50年代跳頻通信技術(shù)出現(xiàn)至今，人們一直在對(duì)其展開廣泛的研究，研究成果也非常顯著。
    根據(jù)接收端從發(fā)送端獲得同步信息方法的不同，跳頻同步可分為獨(dú)立信道法、前置同步頭法和自同步法。自同步法由于不需要額外的附加信息，技術(shù)上也更有挑戰(zhàn)性，而受到很多研究者的關(guān)注。目前基于相關(guān)的自同步法中主要有匹配濾波器法、滑動(dòng)相關(guān)法、等待搜索法、位移等待式搜索法、快速掃描法等。其中匹配濾波法和滑動(dòng)相關(guān)法具有最高級(jí)別的抗干擾性能，位移等待式搜索法和快速掃描法抗干擾性較差，等待搜索法抗干擾性能最差。
    本文首先對(duì)抗干擾性能最強(qiáng)的匹配濾波器法和滑動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行性能分析和比較，然后在此基礎(chǔ)上提出一種改進(jìn)算法，該改進(jìn)算法具有強(qiáng)抗干擾、快速捕獲和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)等特性。

1 經(jīng)典方法研究

1．1 匹配濾波器法原理
    匹配濾波法系統(tǒng)框圖如圖1a。設(shè)跳頻序列周期長(zhǎng)度為L(zhǎng)，則接收端有L個(gè)對(duì)應(yīng)于跳頻系統(tǒng)各跳頻頻點(diǎn)的帶通匹配濾波器，各濾波器的中心頻率由本地搜索控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。匹配濾波的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波后，進(jìn)行延遲累加。最后對(duì)累加結(jié)果進(jìn)行判決。以當(dāng)前時(shí)隙為第L個(gè)時(shí)隙，若各匹配濾波器中心頻率在過(guò)去的L個(gè)時(shí)隙內(nèi)恰好滿足發(fā)端第i個(gè)時(shí)隙的發(fā)送頻率與收端第i個(gè)濾波器的中心頻率一一對(duì)應(yīng)，則累加值將超過(guò)預(yù)設(shè)的判決門限，同步捕獲成功；否則，繼續(xù)由搜索中心控制各匹配濾波器中心頻率，進(jìn)行捕獲。

    若各匹配濾波器的中心頻率固定，則可通過(guò)搜索中心控制各支路開關(guān)的通斷，以及各檢波輸出的延遲時(shí)隙數(shù)來(lái)完成同步。

1．2 滑動(dòng)相關(guān)法原理
    如圖1b所示，本地頻率合成器的頻率輸出與發(fā)端的頻率跳變完全一致時(shí)，經(jīng)混頻后就有中頻輸出，經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波后的輸出值就相對(duì)較大，根據(jù)包絡(luò)檢波的輸出來(lái)判決當(dāng)前頻隙收發(fā)端跳頻頻點(diǎn)頻率是否相同，相同為“1”，不相同為“0”。最后對(duì)一個(gè)跳頻序列周期內(nèi)的判決結(jié)果進(jìn)行累加統(tǒng)計(jì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)結(jié)果控制搜索指令。若計(jì)數(shù)器的輸出超過(guò)預(yù)定門限值則認(rèn)為捕獲成功，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)；若低于門限值，則認(rèn)為本地頻率合成器的頻率跳變規(guī)律與發(fā)送方不一致。通過(guò)搜索指令對(duì)本地跳頻序列進(jìn)行相移，通常相移1／2個(gè)頻隙，再進(jìn)行一個(gè)跳頻周期的相關(guān)運(yùn)算，直到捕獲成功為止。

1．3 性能對(duì)比
    在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度上，由圖1可見(jiàn)，匹配濾波法需要L條由混頻、濾波、檢波和二值判決組成的相關(guān)支路，而滑動(dòng)相關(guān)法只需要一條同樣的相關(guān)支路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，也正是如此，滑動(dòng)相關(guān)法一直得到了廣泛的應(yīng)用。
    在抗干擾性能上，因?yàn)槎际菍?duì)一個(gè)跳頻周期內(nèi)的相關(guān)檢波累加結(jié)果進(jìn)行捕獲判決，所以對(duì)同樣的跳頻序列周期長(zhǎng)度，匹配濾波法和滑動(dòng)相關(guān)法如果采用同樣的判決門限，則抗干擾性完全相同，都具有最高級(jí)別的抗干擾性。
    設(shè)跳頻序列周期長(zhǎng)度為L(zhǎng)，跳頻頻隙(chip)時(shí)長(zhǎng)為To，對(duì)匹配濾波法和滑動(dòng)相關(guān)法在無(wú)干擾條件下的捕獲時(shí)間的期望值計(jì)算如下。
    匹配濾波法在第k個(gè)頻隙完成同步捕獲的概率是:

滑動(dòng)相關(guān)法在第A個(gè)頻隙完成同步捕獲的概率是

    由上述計(jì)算結(jié)果可知從期望捕獲時(shí)間上來(lái)說(shuō)，匹配濾波法是0(L)，滑動(dòng)相關(guān)法，匹配濾波法更優(yōu)越。

2 改進(jìn)方法及其性能分析

2．1 快速出局式捕獲法
    該算法先在M個(gè)頻隙內(nèi)根據(jù)相關(guān)結(jié)果做出出局判決。若判決標(biāo)準(zhǔn)表明顯著的未同步，則將當(dāng)前本地跳頻序列的狀態(tài)快速出局，經(jīng)相位滑動(dòng)后再重新開始本地跳頻與接收信號(hào)的相關(guān)、累積和出局判決；否則，同滑動(dòng)相關(guān)法，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行捕獲成功與否的判決。
    快速出局式捕獲法系統(tǒng)框圖如圖2所示。