快速跳頻通信系統(tǒng)同步技術(shù)研究

陳永軍 ， 吳 杰 ， 許 華 ， 龍 敏

（1.空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安 710077；2.93437部隊(duì) 67分隊(duì)，河北 易縣 074212）

跳頻通信是現(xiàn)代通信領(lǐng)域中一種有效的抗干擾和抗截獲通信手段[1]。跳頻通信正常工作的核心技術(shù)之一是實(shí)現(xiàn)收發(fā)雙方并保持同步。對(duì)于中低速跳頻通信來說，威脅主要有轉(zhuǎn)發(fā)式干擾和跟蹤式干擾。能夠提高抗截獲能力和抗干擾能力的措施是提高跳頻速率。快速跳頻通信有著常規(guī)跳頻難以比擬的抗截獲能力和抗干擾能力，能夠很好保障傳輸信息的安全性。但跳頻速率越高，同步實(shí)現(xiàn)難度越大。同步技術(shù)作為快速跳頻通信的核心，已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代通信研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 快速跳頻同步的實(shí)現(xiàn)方法

目前，常規(guī)跳頻實(shí)現(xiàn)同步的方法主要有：精確時(shí)鐘法、獨(dú)立信道法、同步字頭法、匹配濾波器法和自同步法等。由于各種方法單獨(dú)使用都存在缺點(diǎn)[2]，目前常用的同步方法大多都是幾種方法的整合，如基于精確時(shí)鐘法、同步頭法等。自同步法提出的綜合同步方法：使用同步頻率發(fā)送相關(guān)性較好的相關(guān)碼，收方通過對(duì)相關(guān)碼的捕獲取得粗同步，完成對(duì)同步信息的識(shí)別，并通過對(duì)同步信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，從中提取出同步信息TOD（Time of Day），用其修正本端的 TOD，從而完成同步。這種方法易實(shí)現(xiàn)，搜索快，同步可靠。文獻(xiàn)[2-4]將此方法應(yīng)用到快速跳頻系統(tǒng)之中，但并未給出快速跳頻通信系統(tǒng)攜帶相關(guān)碼的方法和性能分析。在快速跳頻通信系統(tǒng)中，是一跳或者多跳傳輸一個(gè)調(diào)制符號(hào)，即每一跳都表現(xiàn)為一個(gè)單頻正弦波，信號(hào)本身不包含信息，只有信號(hào)所在頻點(diǎn)包含信息，信號(hào)不能夠攜帶相關(guān)碼，為快速跳頻通信系統(tǒng)同步的實(shí)現(xiàn)帶來一定困難。

基于上述考慮，本文通過引入雙跳頻圖案的方法來實(shí)現(xiàn)快速跳頻通信系統(tǒng)的同步。即在通信的前n跳使用一種跳頻圖案a，采用能夠攜帶相關(guān)碼的慢速跳頻，對(duì)應(yīng)一個(gè)跳頻周期較短的小頻率集。前n跳發(fā)送同步信息，n跳后進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，數(shù)據(jù)通信時(shí)使用另一種跳頻圖案b（快速跳頻），該圖案對(duì)應(yīng)一個(gè)長跳頻周期的大頻率集。前n跳頻率集小，捕獲時(shí)間短，同步能夠較快實(shí)現(xiàn)。這種方法能夠在前n跳的小頻率集中攜帶相關(guān)性較好的相關(guān)碼，彌補(bǔ)了快速跳頻難以攜帶相關(guān)碼的不足，電路實(shí)現(xiàn)也不很復(fù)雜，是一種好的實(shí)現(xiàn)快速跳頻同步的方法。

2 基于雙跳頻圖案法的跳頻同步實(shí)現(xiàn)

跳頻同步系統(tǒng)包括跳頻發(fā)送和跳頻接收2部分，對(duì)于本同步系統(tǒng)而言，發(fā)送端主要完成前n跳發(fā)送同步信息和n跳后發(fā)送數(shù)據(jù)信息的功能，接收端則在前n跳建立同步以及n跳后接收數(shù)據(jù)信息。跳頻同步實(shí)現(xiàn)與否是整個(gè)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵。

本系統(tǒng)為了提高同步系統(tǒng)的抗截獲性能和抗干擾性能，由TOD、PK、偽隨機(jī)碼經(jīng)非線性運(yùn)算后得到一個(gè)代碼，由此代碼確定小頻率集中的頻率，產(chǎn)生跳頻圖案a。收發(fā)雙方的PK、偽隨機(jī)碼和產(chǎn)生跳頻圖案的方法是一致的，不同的是時(shí)間信息TOD。只要知道TOD值，收發(fā)雙方就可以完成跳頻同步。本方案就是依據(jù)以上指導(dǎo)思想，通過對(duì)小頻率集中頻率進(jìn)行搜索和相關(guān)運(yùn)算，提取發(fā)端TOD信息，修正己方TOD，從而完成同步，實(shí)現(xiàn)跳頻圖案b的數(shù)據(jù)通信。

2.1 時(shí)間信息

在收發(fā)雙方實(shí)現(xiàn)跳頻同步過程中，雙方的TOD信息保持一致是跳頻同步的關(guān)鍵。為確保接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在最大時(shí)差范圍內(nèi)具有相同的短碼，設(shè)計(jì)了一種TOD格式[5]：將TOD分為高段TODh和低段TODl2段。收發(fā)雙方讀完實(shí)時(shí)鐘后，將讀到的時(shí)間信息轉(zhuǎn)化為TODh和TODl2部分。其中TODh以分鐘為計(jì)時(shí)單位，TODl以跳頻圖案b的跳變時(shí)隙為計(jì)時(shí)單位，低段記滿1 min后向高段進(jìn)位，使用TOD高段TODh參與運(yùn)算得到控制頻率的代碼，低段不參與運(yùn)算。

2.2 初始同步方案

用一組相關(guān)性較好的相關(guān)碼作為TOD的同步信息，它們與小頻率集中頻率保持一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。設(shè)小頻率集個(gè)數(shù)為 m個(gè)，分別為 Fi+1，F(xiàn)i+2，…，F(xiàn)i+m它們與 TODh組的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：TODh〈——〉Fi+1，TODh1〈——〉Fi+2，…，TODhi-1〈——〉Fi+m。m如果取值過大，收方的捕獲概率小，捕獲時(shí)間也較長，如果m取值過小，系統(tǒng)的抗截獲性能和抗干擾性能不高。所以m應(yīng)選擇適中值，一般取值為5～10之間。

每次進(jìn)入跳頻狀態(tài)，收發(fā)雙方讀完實(shí)時(shí)時(shí)鐘，都轉(zhuǎn)換為如上形式的TODh值，計(jì)算出跳頻圖案a中頻率。收方用計(jì)算出來的頻率去做快速掃描并相關(guān)運(yùn)算。收方可以從相同的同步頻率中捕獲相關(guān)碼，雙方時(shí)間差在1 min以內(nèi)，則使用的同步頻率完全相同；時(shí)間差在m min以內(nèi)，同步頻率至少有一個(gè)相同。一旦捕獲到第一個(gè)相關(guān)碼，即轉(zhuǎn)為正常跳速同步跟跳。假設(shè)收方同步跟跳后在隨后的M跳中連續(xù)收到N個(gè)相關(guān)碼，如果 N＞M/2，則判為捕獲成功；如果N〈M/2，則判為捕獲不成功，退回到捕獲狀態(tài)。

同步捕獲完成進(jìn)入同步跟蹤、保持狀態(tài)。同步跟蹤和保持依靠勤務(wù)信息來實(shí)現(xiàn)。獲得同步跟蹤狀態(tài)有2個(gè)必要條件：1）樣點(diǎn)調(diào)整 ；2）精確的TOD信息。樣點(diǎn)調(diào)整的基本思想[4]是：收方對(duì)同步頻率作相關(guān)運(yùn)算，獲得相關(guān)峰，判斷其實(shí)際位置，并與理論相關(guān)峰位置做比較，根據(jù)差值調(diào)整后續(xù)跳的跳沿位置，使之與發(fā)方對(duì)齊。收方TOD精確值可以通過同步信息傳送。此時(shí)收方即可得到與發(fā)方完全一致的TOD信息。雙方在確定時(shí)刻同時(shí)啟動(dòng)跳頻碼發(fā)生器，獲得偽隨機(jī)碼，又在一確定時(shí)刻驅(qū)動(dòng)頻率合成器，實(shí)現(xiàn)跳頻圖案b的數(shù)據(jù)通信。

2.3 勤務(wù)同步和遲入網(wǎng)同步

勤務(wù)同步和遲入網(wǎng)同步通過接收發(fā)方在數(shù)據(jù)跳中插入的勤務(wù)信息來實(shí)現(xiàn)，這些勤務(wù)跳構(gòu)成了勤務(wù)序列。勤務(wù)信息是同步保持及快速再同步的保證。在本方案中，周期性的插入攜帶勤務(wù)信息的慢跳速的小跳頻集a，以實(shí)現(xiàn)勤務(wù)同步和遲入網(wǎng)同步。

3 同步性能分析

3.1 同步時(shí)間

同步時(shí)間是指初始同步的時(shí)間。設(shè)小頻率集跳共n跳，跳頻速率為R時(shí)，同步時(shí)間為Ts=n/R。在通信中，一般要求Ts≤0.6 s。在此同步方案中，理想情況下，同步時(shí)間Ts≈0.27 s，同步時(shí)間短，顯然能滿足快速跳頻通信系統(tǒng)的一般要求。

3.2 相關(guān)碼檢測概率

假設(shè)誤碼率為Pb，相關(guān)碼長度為G，檢測門限為g，小頻率集跳共n跳。現(xiàn)以n=410為例。兼顧到頻率合成器換頻的滯后性并確保驗(yàn)證檢測結(jié)果時(shí)作大數(shù)判決，留出小頻率集中的一個(gè)頻率循環(huán)（假設(shè)m=10）驗(yàn)證相關(guān)碼檢測結(jié)果。按快掃描跳速，收方捕獲到同步頻率的機(jī)會(huì)共（n-10）=400次（留一個(gè)頻率循環(huán)用于驗(yàn)證），設(shè)每次機(jī)會(huì)是均等的，每次機(jī)會(huì)檢測到相關(guān)碼的正確檢測概率Pt和錯(cuò)誤檢測概率Pf為[6]：

圖1顯示了當(dāng) G=64時(shí)，Pt與 Pb，g的關(guān)系示意圖，圖2顯示了當(dāng)G=64時(shí)，lgPf與Pb，g的關(guān)系示意圖。

3.3 捕獲概率與虛警概率

假設(shè)接收方用快跳開始掃描時(shí)刻正好為發(fā)端跳頻序列的開始時(shí)刻，且每一組快跳結(jié)束再進(jìn)行檢測結(jié)果判決。則400次機(jī)會(huì)中正確檢測到信號(hào)的概率Pc和錯(cuò)誤檢測到信號(hào)的概率Pe分別為：

圖1 Pt與Pb，g的關(guān)系Fig.1 Relationship ofPtandPb，g

圖 2 lgPf與 Pb，g的關(guān)系Fig.2 Relationship of lgPfand Pb，g

收方捕獲到相關(guān)碼后進(jìn)行跟跳驗(yàn)證，并按大數(shù)判決規(guī)則（5中取3）進(jìn)行判決，則驗(yàn)證成功的概率Ps和失敗Pu的概率分別為：

則捕獲概率為：

虛警概率為：

圖3顯示了當(dāng)G=64時(shí)，同步捕獲概率Pa與Pb，g的關(guān)系示意圖；圖4顯示了當(dāng)G=64時(shí)，lgPd與Pb，g的關(guān)系示意圖。

比較圖1～圖4可看出，隨著誤碼率減小相關(guān)碼的虛警概率變小，捕獲概率增大。在同一誤碼率的情況下，門限g取值越高，虛警概率越小，但捕獲概率也隨之減小。

3.4 抗干擾性能

圖3 捕獲概率與Pb，g的關(guān)系Fig.3 Relationship of capture probability and Pb，g

圖4 虛警概率與Pb，g的關(guān)系Fig.4 Relationship of probability of false alarm andPb，g

假設(shè)信道誤碼率Pb存在時(shí)差，系統(tǒng)有n1個(gè)有效同步頻率，當(dāng)敵方施放干擾時(shí)，有q%的頻點(diǎn)被干擾，則初始同步概率為：

圖5為門限電平g=48，當(dāng)敵施放干擾時(shí)有25%頻點(diǎn)被干擾，Pt與Pb，n1的關(guān)系曲線圖。圖6為門限電平g=55，敵施放干擾有25%頻點(diǎn)被干擾時(shí)，Pt與Pb，n1的關(guān)系曲線。

圖5 g=48，25%頻點(diǎn)被干擾時(shí)Pt與Pb，n1的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of Ptand Pb， n1 when g=48， 25%of frequency be interferenced

圖6 g=55，25%頻點(diǎn)被干擾時(shí)Pt與Pb，n1的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve of Ptand Pb， n1 when g=55，25%of frequency be interferenced

圖5和圖6中顯示，當(dāng)有效同步頻率個(gè)數(shù)n1一定時(shí)，初始同步概率Pt隨信道誤碼率Pb的增大而減小；當(dāng)信道誤碼率Pb一定時(shí)，初始同步概率Pt隨有效同步頻率數(shù)n1的增大而增大，系統(tǒng)的抗干擾能力也隨有效同步頻率數(shù)n1的增大而增強(qiáng)。但是如果同步頻率數(shù)n1的取值太大，初始同步時(shí)間又會(huì)較長，因此，同步頻率數(shù)n1需根據(jù)系統(tǒng)要求而綜合考慮取值。同時(shí)，門限值g的增大，會(huì)使系統(tǒng)的抗干擾性能下降，但g值的減小會(huì)引起系統(tǒng)虛警概率的增大，因此g應(yīng)綜合虛警概率、捕獲概率和系統(tǒng)的抗干擾性能來取值，當(dāng)G=64時(shí)，經(jīng)仿真計(jì)算，實(shí)際中系統(tǒng)同步的相關(guān)碼門限可以定在46～54之間。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)快速跳頻難以攜帶相關(guān)碼的問題，引入雙跳頻圖案的方法，提出了一種適用于快速跳頻同步系統(tǒng)的以短碼引導(dǎo)長碼，慢跳引導(dǎo)快跳的同步方法，使用慢跳同步頻率攜帶同步信息，克服了快速跳頻通信難以攜帶相關(guān)碼缺點(diǎn)。用Matlab對(duì)該方案進(jìn)行仿真分析，證明該方案同步時(shí)間短，虛警概率低，捕獲概率高，同步快速可靠，能夠達(dá)到快速跳頻的系統(tǒng)要求。

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