宽带跳频收发信机基带信号处理技术研究与实现

摘要

跳频通信信号载波根据伪随机序列不断地进行跳变，与常规定频通信相比，其具有优秀的信号抗干扰、抗截获性能和多址组网能力。跳频通信技术广泛地应用在各种军事通信网络、局域网、传感器网络中，具有广阔的应用场景和实用价值。　　论文针对一种突发模式下的宽带跳频通信系统，重点研究了宽带跳频收发信机中的基带信号处理技术，并在硬件平台实现了相应的收发基带模块，对网络节点组网起到了支撑作用。主要工作如下：　　①针对宽带跳频收发信机的技术需求和信号特点，提出了收发信机的基带信号处理方案，设计了收发信机的总体结构。　　②针对宽带信号的全概率接收问题，设计了基于多相滤波的信道化接收机结构。该结构既能保证对多个时频脉冲信号的并行接收，又具有运算量低，资源消耗少的优点。该结构与传统并行下变频信道化结构更具优势。最后通过软件仿真分析，验证了其可行性。　　③重点研究了接收基带信号处理中的关键技术，包括高斯最小频移键控（Gaussian Filtered Minimum Shift Keying，GMSK）解调算法和时频脉冲信号捕获算法。（a）针对GMSK的低复杂度解调问题，研究了限幅鉴频检测解调算法、差分相位解调算法和基于差分相位的Viterbi解调算法。并通过仿真对比了误码率性能。在实现时，综合考虑算法的性能、复杂度和资源消耗情况，选择1bit差分解调算法作为实现方案。（b）针对多个时频图案并行捕获需求，设计了时频脉冲信号的捕获机制，提高了图案的检测性能，简化了捕获算法的复杂度，更有利于硬件实现。通过仿真，分析了所设计捕获机制的捕获概率和虚警概率，达到了并行捕获的设计需求。　　④在FPGA硬件平台上设计了宽带跳频收发信机的基带信号处理模块。重点包括数据成帧模块、GMSK调制解调模块、基于多相滤波结构的信道化接收模块、并行下变频模块、符号同步模块、译码模块，并通过仿真软件验证模块输入输出波形的准确性。最后在FPGA硬件平台验证了收发信机设计的合理性，所设计的收发基带模块能够完成无线数据的正常收发，满足设计指标要求。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 跳频通信研究现状

1.3 本文主要研究内容和结构安排

2 宽带跳频基带信号处理技术研究

2.1 跳频通信基本原理

2.2 宽带跳频收发信机需求分析

2.3 基带信号处理方案

2.3.1 发射基带信号处理

2.3.2 接收基带信号处理

2.4 收发信机整体结构设计

2.5 本章小结

3 宽带信道化接收机结构设计

3.1 Nyquist采样定理

3.2 整数倍抽取

3.3 信道划分

3.4 并行 DDC信道化技术

3.5 基于多相滤波信道化技术

3.6 基于多相滤波信道化仿真及分析

3.7 本章小结

4 跳频跳时收发信机关键算法研究

4.1.1 GMSK调制原理

4.1.2 GMSK调制仿真分析

4.2 GMSK解调算法研究

4.2.1 限幅鉴频检测解调算法

4.2.2 1bit差分相位解调算法

4.2.3 2bit差分相位解调算法

4.2.4 1bit差分相位+Viterbi解调算法

4.2.5 2bit差分相位+Viterbi解调算法

4.2.6 GMSK解调算法复杂度分析

4.2.7 GMSK解调算法仿真分析

4.3.1 时频捕获分析

4.3.2 时频捕获方案设计

4.3.3 时频捕获性能分析

4.3.4 时频捕获仿真及分析

4.5 本章小结

5 跳频跳时收发信机FPGA实现

5.1 硬件实现平台介绍

5.2 跳频跳时收发信机基带实现结构

5.3.1 编码模块

5.3.2 数据成帧模块

5.3.2 GMSK调制模块

5.4.1 增益控制模块

5.4.2 信道化接收模块

5.4.3 DDC组模块

5.4.4 GMSK解调模块

5.4.5 符号同步模块

5.4.6 时频捕获模块

5.4.7 译码模块

5.5.1 SRIO接口

5.5.2 DAC接口

5.5.3 ADC接口

5.6 资源消耗分析

5.7 收发基带测试

5.8 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间取得的科研成果目录

B. 学位论文数据集

致谢