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CDMA系统跳频图案的选取与探讨
一．课题来源及研究的目的和意义
码分多址（CDMA）具有抗干扰能力强，保密性能好，灵活等特点，故在卫星和无线通信中得到广泛应用。它包括两类目前应用最多的方式：直接序列（DS）扩频和跳频（FH）扩频，其中跳频扩频通信中，载波频率受伪随机码控制而不断的跳变，在每一个驻留时间内，所占信道的带宽是很窄的。跳频通信具有如下特点：扩展频谱的抗干扰能力强；频谱的利用效率高；码分多址的组网能力强；具有频率分集的功能且兼容性强[1][2]。
由于FH-CDMA通信系统在发送端是将待传送的信息数据用伪随机编码调制后再传输，接收端进行解调及相关同步处理，恢复原始信息数据，具有伪码调制和同步捕获跟踪等特点，使得FH-CDMA移动通信系统具有其他通信方式无法比拟的优点。特别是在电子对抗环境下，采用这种通信技术，是提高通信设备抗干扰能力的最有效措施。而且发射信号通过扩频处理后，几乎近似于噪声特性，这有利于减少对其他通信系统干扰，同时降低了被“窃听”和被“截获”的机会。再者，窃听者不知道FH-CDMA通信系统发射信号所采用的伪码规律，就解调不出有用信号，所以此系统具有通信安全、保密等特点，在当前现代化的电子战中已显示出巨大的优越性。另外，这种通信系统也应用到民用通信中以抗衰落、抗多径、抗网间干扰和提高频谱利用率。因此，研究FH-CDMA具有十分重大的意义，而跳频图案的选取是FH-CDMA通信系统的关键技术之一[3][4]。
二．国内外在该方向的研究现状及分析
无论在军事通信领域还是在民用通信领域，跳频通信都有着广泛的发展前景，各国都重视这方面的研究。从国内外公开的资料来看，跳频通信有着以下几种发展趋势[5]:
(1)跳频速率越来越高
跳频通信的主要威胁是跟踪式干扰。跳频电台的抗跟踪干扰能力与跳频速率有着直接的关系，跳速越高，抗跟踪干扰的能力越强，所以各国竞相往高速电台发展。就目前的技术水平而言，跟踪式干扰机的跟踪响应时间为毫秒数级，所以跳速在1000跳／秒以上的跳频电台抗跟踪式干扰能力就比较强了。
(2)跳频序列优化
跳频序列的性能对跳频通信系统的整体性能有着重要的影响．如跳频组网时，网内电台的自身干扰的大小很大程度上取决于跳频序列的选择，同时跳频码序列还影响着跳频的同步性能。所以，寻求和设计具有理想特性的跳频序列也是跳频通信研究领域的一个重要的研究方向之一。近年来，出现了以混沌序列为代表的新兴跳频序列，它代表了跳频序列的发展方向。
(3)全数字化
现代化战争对通信电台的越来越高的要求和新技术更新周期的不断缩短，使得跳频电台向全数字化方向发展的趋势，而且现在功能强大的数字信号处理芯片的出现也为全数字化实现提供了基础。
(4)自适应跳频
随着通信技术和电子对抗技术的发展，以及数据通信对通信质量提出的更高要求，近十年来，一种称为自适应跳频的技术已被广泛地应用于跳频通信中。自适应跳频通信有更强的抗干扰能力和低截获特性，在改善误码率和信噪比等性能方面也显示出巨大的潜力，因此自适应跳频通信电台有着取代常规跳频通信电台的趋势。
跳频图案设计研究主要包括：基于m序列、RS码、Bent序列、基于素数序列族构造的跳频图案，以及基于混沌序列、蓝牙序列构造的跳频图案。在这些跳频图案中，基于m序列的跳频图案由于研究和利用较早、在理论和实践中都已成熟，因此得到了广泛的应用。基于RS码构造跳频图案、基于混沌序列、蓝牙序列构造的跳频图案，由于其良好的性能，成为当前研究的热点，得到学术界的关注。
利用混沌映射序列产生跳频图案的过程，其实质是将实值混沌信号转换为符号序列的过程。1996年，李文化、王智顺和何振亚提出了用于跳频多址通信的混沌跳频码，自发现起，人们对它的随机性能就格外注意，尤其是近10年来混沌序列在通信领域中特别是作为扩频通信中的地址码问题更为通信界所关注。混沌跳频序列具有较大的线性复杂度，各频率分布均匀，但汉明相关性能略差于基于m序列构造的最佳跳频图案，具有实际应用前途。蓝牙跳频序列是一种基于计数式TOD(f11 Time of day)的跳频序列。蓝牙工作在2．4GHz频段。跳频速率为1600跳／秒，频率宽度1MHz，使用79个频率或者3个频率。蓝牙基带标准定义了10种类型的跳频序列，其中79系统与23系统各由如下5种类型：呼叫跳频序列、呼叫相应序列、查询跳频序列、查询相应序列、信道跳频序列。跳频序列由本地时钟和蓝牙设备地址通过首次相加、异或运算、换位操作、二次相加等处理方法产生。生成的跳频序列对寄存器组寻址，从寄存器中取出跳频频率，得到跳频图案。蓝牙跳频图案具有很好的平衡性和大的线性复杂度，但用于跳频电台，还存在一些问题：它的密钥量不是很大、周期不是特别长、汉明相关特性有待改善等。文献[6]提出了蓝牙的一种新跳频序列，对蓝牙跳频图案存在的问题加以改善，对实际应用有一定的指导意义。Reed．Solomon码，简称RS码，1960年由I．S．Reed和G．Solomon提出。不准上E交跳频图案的研究与设计仅是一种纠错码，同时它也是一种最佳的跳频序列族。1967年，L．I．Bluestein提出了利用扩展RS码来构造跳频序列族的方法；1971年I．S．Reed介绍了多阶RS码，并指出了它在扩频通信中的应用；1973年，G．Solomon进一步分析了RS码作为跳频序列族的性能。得出结论，并不是所有RS码都能用作跳频序列，需要对Rs码进行挑选，筛除其中存在内周期的码字(周期小于q-1的码字)。1988年，Q．Nguyen等人提出了无内周期RS码字的计数问题；1991年杨义先成功地解决了这一难题。
三．主要研究内容
跳频图案通信收发双方的跳频图案是事先约好的，同步地按照跳频图案进行跳变。这种跳频方式称为常规跳频(Normal FH）。随着现代战争中的电子对抗越演越烈，在常规跳频的基础上又提出了自适应跳频。它增加了频率自适应控制和功率自适应控制两方面。在跳频通信中，跳频图案反映了通信双方的信号载波频率的规律，保证了通信方发送频率有规律可循，但又不易被对方所发现。常用的跳频码序列是基于m 序列、M序列、RS码等设计的伪随机序列。这些伪随机码序列通过移位寄存器加反馈结构来实现，结构简单，性能稳定，能够较快实现同步。它们可以实现较长的周期汉明相关特性也比较好，但是当存在人为的故意干扰(如预测码序列后进行的跟踪干扰)时，这些序列的抗干扰能力较差。对跳频图案的选择有以下要求：
相关性要好，能抗人为的及非人为的各类干扰；图案本身的随机性要好，要求参加跳频的每个频率出现的概率相同；图案的密钥量要大，抗跳频图案的破译性能要强；能抗多径衰落，减小多径效应引起的衰落；能实现多用户组网通信，以容纳更多的用户[7]。
主要有以下几个方面内容：
a.介绍设计跳频图案的理论限制，并对各理论限制进行了简要的明；
b.基于m序列的跳频图案：计算M序列的自相关特性，分析M序列的CDMA跳频系统发生碰撞的可能性，给出防止碰撞的策略。
四．研究方案及进度安排，预期达到的目标
1.研究方案[3]
a.跳频
跳频是“多频、选码、频移键控”，即用伪码序列构成跳频指令来控制频率合成器，并在多个频率中进行选择的移频替代。它由所传信息码与伪随机码序列模二加的组合来构成跳频指令，由它来随机选择发送频率。
b.码分多址(CDMA)
码分多址是以扩频信号为基础，利用不同码型实现不同用户的信息传输。扩频信号是一种经过伪随机序列调制的宽带信号，其带宽带通常比原始信号带宽高几个量级。常用的扩频信号有两类:跳频信号和直接序列扩频信号，我们本文主要介绍的是跳频码分多址(CDMA)。
c.跳频码分多址(FH-CDMA)
在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机(PN)序列，动态改变其已调信号的中心频率。各用户的中心频率可在给定的系统带内改变，该系统带宽通常要比各用户已调信号的带宽宽得多，使用的频道是动态变化的。FH-DCMA中各用户使用的频率序列要求相互正交，即在一个NP序列周期对应的时间区间内，各用户使用的频率在任意时刻都不相同。
图FH-CDMA系统原理框图 基带信号对载波调制后发射载频来自频率合成器在跳频序列(见PN序列即伪噪声序列 seudo Noise sequence)的控制下随机跳变(最简单的控制方法是以序列值作为频道号)。收端的本振亦来自跳频序列控制的频率合成器，接收频率随机跳变。当收发两端频率按同一跳频序列随机跳变，并且达到同步时，接收端就可以解调出有用信息。当收发两端频率按不同跳频序列随机跳变时，两端频率在任何时刻都不相同或相同的概率极小，即频率序列相互正交或准正交，接收端收不到发射端的信息。以上两种情况，前者对应同地址FH-CDMA用户正常通信过程;后者对应不用地址C用户之间互相干扰关系[7][8][9][10]。
2．进度安排
2012.03.01-2012.03.15：查找相关资料，了解扩频通信的基本原理，对题目有一定的理解；
2012.03.15-2012.03.30：阅读相关文献，了解扩频通信抗干扰机理，撰写开题报告；
2012.04.01-2012.05.30：了解跳频调制/CDMA系统的工作原理；
2012.06.01-2012.06.30：撰写毕业论文，准备毕业答辩。
3.预期达到目标
a.计算长度为511的m序列的自相关特性；
b.分析基于m序列的CDMA跳频系统发生碰撞的可能性；
c.给出防止碰撞的应对策略。
五．为完成课题已具备和所需要的经费
正在学习CDMA系统和跳频通信的相关知识，FH-CDMA通信系统的工作原理，图书馆藏书和电子文献为我的学习提供了足够的学习材料，老师的悉心教导与耐心的讲解也为我的学习提供了方便。
六．预计研究过程中所遇到的困难和问题，以及解决方案
1.可能遇到的问题：
可能会遇到跳频图案难以融会贯通的理解与运用问题，计算M序列自相关特性，M序列的CDMA跳频系统发生碰撞的可能性及给出防止碰撞的应对策略等问题。
2.解决方案：
认真学习相关教材文献，仔细揣摩关键知识点的要义，悉心请教老师同学，最终掌握FH-CDMA通信系统的工作原理，对几种典型的跳频图案进行性能探讨评价。
七．主要参考文献
[1] 刘彤
CDMA/FH频率合成器的实现
电信快报 1998年第十一期
[2]Hybrid PLL／DDS Frequency synthesizers Quatcomm Application Note AN2334—4，1992;
[3] 聂远生跳频码分多址原理及其应用研究 长春理工大学 2006.4
[4] 沈永春. 扩谱技术.北京:国防工业出版社，1995.第9-16页
[5]宋晓琳
准正交跳频图案的研究与设计大连海事大学
2007.03
[6]梅文华，王淑波，邱永红，杜兴民.跳频通信.北京：国防工业出版社，2005
[7]李俊飞 , 跳频通信技术及其应用天津工工程师范学院学报
2006.16（1）
[8] 朱裕江 , NO.7信令系统北京邮电大学出版社2004-01-01
[9]S Yoon，L Song，S Y King. Code Acquisition for DS/55Communications in Non-gaussianImpu1SeChannels[J].IEEE Tran S.Commun ，2004;
[10]Sara，R Prasad. Overview
Of
Multicarrier CDMA[J].IEEE
Communications
Magazine，December 1997.
[11]A. Lemple and H. Greenberger ,Families of Sequences with Optimal Hamming Correlation Properties ,IEEE Trans.Vol.IT-20,1974,pp.90-94
[ 本帖最后由 tomtuo 于 2012-4-23 09:41 编辑 ]
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发表于 2012-4-21 09:30:24
