一种新的短波跳频通信网位同步方法及其实现

作者：谢 玲, 甘良才, 郭见兵 (武汉大学 电子信息学院,湖北 武汉 430079)

　　摘　要：基于跳频信号的特点,提出了一种隙同步的方法,并采用TMS320C54X系列DSP对隙同步方案进行了硬件仿真和分析。结果表明:该方法实现简单,同步时间短,能够较好。

　　关键词：短波 跳频通信 位同步 TMS320C54X芯片

　　跳频通信是一种载频按照一定规律变化的多频率移频键控,具有抗干扰性强、保密性好、频带利用率高的特点,易于兼容,便于构成多种通信网。正是由于这些特点,跳频通信系统在现代军事和交通运输通信中得到了广泛的应用。国外近几年推出了大量跳频电台的产品,如美国HAKRIS公司的中速跳频电台RF-5010、美国Rockwell公司的SINGARS-U超快速跳频电台等。这些电台均采用微处理机控制,功能齐全,轻便灵活,操作简单。

　　利用跳频图案的良好正交性和随机性,可以在一个宽的频带内容纳多个跳频通信系统同时工作,将多个电台组成通信网络,完成专向通信或网络通信,达到频谱资源共享的目的,从而提高频谱的有效利用率,增加用户通信的灵活性[1]。短波信道是一种时变衰落信道,为保证各接收端均能在适当时刻进行取样判决,从而正确接收传输信息;短波跳频网对位同步有较高的要求。因此,位同步问题是短波跳频通信网中的一个重要问题。

　　位同步的实现方式很多,如常用的插入导频法和自同步法等。本文提出了一种新的同步方案--隙同步的概念,并基于TI 公司TMS320C54X系列DSP,采用TMS320汇编语言对该隙同步方案进行了硬件仿真和数值分析。

1 跳频网位同步原理

　　在跳频通信系统中,为了正确接收数据,接收端必须提供一个作为取样判决用的定时脉冲序列。该序列的重复频率与码元速率相同,相位与最佳判决时刻一致。因此,跳频通信系统位同步过程就是指收发两地跳频速率与起始相位的偏差在允许的范围内(通常小于1/2个码元)提取正确的定时脉冲序列的过程[2]。基于跳频信号的特点,本文提出了一种隙同步的方法,可以较好解决短波跳频系统位同步问题。

1.1 隙同步原理

　　某段时间间隔内的跳频信号波形如图1所示。

图1 跳频信号波形 　　由图1可见,相邻两个跳频信号的载频频率是不同的,而且两个载频交界处的相位通常并不连续,存在突变。隙同步原理就是利用了跳频信号的这个特点来实现位同步的。 　　在图1中,从t0时刻开始提取一个码元长度的信号,通常在该段信号内包含着一个跃变点。若不存在跃变点,即码元准确同步,则跳频信号的幅度谱表现为如图2所示的单音信号形式。 图2 同步时跳频信号幅度谱 　　若在该段信号内存在跃变点,则信号的幅度谱将有所不同,在载频频率f0之外还有一些因跃变而产生的频率分量fi、fj等,这些分量的幅度较之f0要小得多,如图3所示。 图3 不同步时跳频信号幅度谱 　　由此可见,通过分析信号的幅度谱,可以判断跃变点的位置。具体而言,首先对信号均匀抽样得到长度为N的离散信号序列,对该离散序列进行快速傅立叶变换(FFT)得到其幅度谱,然后通过比较载频频率f0与相位跃变所产生频率分量的幅度,即可以判断信号是否同步。若因相位跃变而产生的频率分量的幅度之和为0,则表明信号已同步;否则,将信号延迟若干点,继续作N点FFT,直到信号同步。 　　以上讨论不存在噪声干扰的理想情况。然而,在实际应用中,噪声时刻存在,这使得信号即使同步了,除载频f0以外的各频率分量的能量也不会为0。但是在环境不十分恶劣的情况下,即当信号没有完全淹没在噪声中时,上述原理仍然适用。 1.2 隙同步实现方法[3～4] 　　基于上述隙同步原理,本文设计了如下的同步点寻找方法: 　　(1) 以t0时刻为起始点取一段跳频信号,对该段跳频信号进行A/D转换得到离散信号序列。 　　(2) 从所得信号序列中顺序取出一个码片长度(N点)的信号,进行N点FFT运算得到该部分信号幅度谱。若该幅度谱中峰值对应的频率分量是约定频率之一,则将除该频率分量以外的所有频率分量的幅度求平方和,并记为a1,然后延迟W点(一般取W使N/W为整数),顺序取出N点信号,重复以上过程,直到完成N/W次(一个码片长度)的分析,所得的幅度和依次记为a2,a3,…,aN/W。若该幅度谱中峰值对应的频率分量不是约定的频率之一,则延迟W点取出后续的N点信号,重复上述操作。 　　(3) 从所得到的{a1,a2,…,aN/W}中取一个最小值ai,并将该点对应的时刻(即点序号)记为A1,初步认为该时刻即为同步点。A1可以根据下式计算,即 　　A1=startpoint+(i-1)×W(1) 　　(4) 重复(2)、(3)步骤,进一步得到A2、A3值。然后比较A1与A2、A2与A3的距离是否为一个码元的长度,若是,则表明所取同步点A1正确。