自适应跳频通信系统关键技术研究

摘要

跳频通信因具有良好的抗干扰能力，在军事通信等领域得到广泛应用。一方面，跳频通信中使用设定好的跳频图案工作，受干扰的跳频频点仍然参与通信过程，忽略了干扰对通信质量的影响，使其难以应对信道的变化；另一方面，随着电磁环境的恶化和电子对抗的军事需求，军事通信中对通信过程的可靠性和抗干扰能力提出了更高的要求。在此背景下，自适应跳频技术应运而生。它是在跳频技术基础上发展而来的抗干扰通信技术，其核心是信道估计单元，用于实现对信道干扰状态与信噪比进行实时估计，根据信道干扰估计结果自适应调整收发机的跳频工作频点，从而以主动地方式规避干扰；根据信噪比估计结果，自适应调整发射机的发射功率，从而在保证基本通信要求的基础上，提高系统的隐蔽性能。本文重点围绕自适应跳频的关键技术，从频率自适应和功率自适应两个角度进行了展开研究。 首先介绍了跳频和自适应跳频的技术背景、发展历程和研究现状，接着介绍了跳频基本原理，以及伪随机码发生器、频率合成器、跳频同步等关键技术，并对其进行了仿真研究，为自适应跳频技术研究奠定基础。 其次，对自适应跳频的核心模块——信道估计进行详细研究，主要从频率自适应和功率自适应两个角度出发。对于频率自适应，以跳频频点处是否存在干扰为依据，将频点分为可用频点和不可用频点。采用认知无线电中能量检测算法完成对跳频频点的实时评估，正确区分出受干扰频点和无干扰频点，其中无干扰频点组成跳频工作集合，完成跳频通信过程；针对一般能量检测存在滤波器数目多、设计困难的缺点，提出了多信道绑定的能量检测算法；针对低信噪比下信道分类能力差的缺点，提出了基于神经网络的信道分类算法。对于功率自适应，采用子空间分解和M2M4算法相结合的估计算法，实现跳频工作范围内信噪比的实时估计，并使用卡尔曼滤波器，实现对信道变化的跟踪，使功率调整过程更加平滑，进而实现功率自适应。 最后，对自适应跳频同步展开研究。简要介绍了常见的跳频同步方法，并通过对其优缺点进行综合分析，选用基于TOD的跳频同步技术，实现了自适应跳频通信中的跳频图案同步。为进一步提高系统的抗干扰性能，加入Turbo编解码器，构建完整的自适应跳频通信系统仿真模型，仿真结果验证了本文设计的自适应跳频系统的正确性。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 论文组织结构

第二章 跳频系统概述

2.1 跳频系统原理

2.2 跳频系统关键技术

2.2.1 伪随机码发生器

2.2.2 频率合成器

2.2.3 跳频同步技术

2.3 跳频系统设计与仿真

2.3.1 跳频收发机设计实现

2.3.2 MSK调制解调器设计实现

2.3.3 基于MSK调制的跳频通信仿真

2.4 本章小结

第三章 频率自适应跳频

3.1 频率自适应概述

3.2 频率自适应策略

3.3 基于频谱感知的能量检测信道质量评估

3.3.1 单频道能量检测信道质量评估

3.3.2 频道绑定的能量检测信道质量评估

3.4 基于神经网络的信道质量评估算法

3.4.1 机器学习

3.4.2 全连接前馈神经网络

3.4.3 全连接前馈神经网络仿真实现

3.5 频率自适应跳频仿真实现

3.6 本章小结

第四章 功率自适应跳频

4.1 常见信噪比估计算法

4.1.1 基于自相关矩阵奇异值分解的信噪比估计算法

4.1.2 基于二阶四阶矩（M2M4）的信噪比估计算法

4.1.3 信噪比估计仿真

4.2 卡尔曼预测滤波

4.2.1 卡尔曼单步预测原理

4.2.2 基于卡尔曼预测滤波器的信噪比预测

4.2.3 卡尔曼信噪比单步预测仿真实现

4.3 功率自适应跳频仿真实现

4.4 本章小结

第五章 自适应跳频同步与系统仿真

5.1 自适应跳频同步

5.1.1 基于时间信息TOD的同步方案

5.1.2 TOD同步性能分析

5.1.3 基于TOD的自适应跳频同步仿真

5.2 Turbo码在自适应跳频中的应用

5.3 自适应跳频系统级联仿真

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

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