一種超短波信道跳頻同步方法及仿真*

丁昊成　彭軍偉,2　楊　平

(1.武漢船舶通信研究所　武漢　430205)(2.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院　哈爾濱　150001)

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一種超短波信道跳頻同步方法及仿真*

丁昊成1彭軍偉1,2楊平1

(1.武漢船舶通信研究所武漢430205)(2.哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院哈爾濱150001)

摘要同步是跳頻通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一。針對(duì)超短波跳頻通信系統(tǒng)中同步的需求,提出了一種跳頻同步方法,利用時(shí)間信息劃分同步時(shí)隙,采用自同步頭法并利用跳頻同步信息中攜帶的相關(guān)碼和TOD信息,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的初始同步。主要研究了跳頻同步信息格式、跳頻圖案同步、跳頻跟跳等問題,并對(duì)其同步性能進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明該跳頻通信系統(tǒng)的初始同步時(shí)間能夠滿足需求,并且在高斯白噪聲信道以及戰(zhàn)術(shù)信道具備良好的捕獲概率。

關(guān)鍵詞自同步法; 同步跟跳; 同步時(shí)隙; 跳頻同步信息

Frequency Hopping Synchronization Method and Simulation in VHF Channel

DING Haocheng1PENG Junwei1,2YANG Ping1

(1. Wuhan Maritime Communication Research Institute, Wuhan430205) (2. College of Information and Communication Engineering, Harbin Engineering University, Harbin150001)

AbstractSynchronization is one of the key techniques to frequency-hopping(FH) communication. Based on the requests of synchronization for a VHF FH communication system, this paper puts forward a synchronization scheme, which is achieved accurately and rapidly by using a self synchronization-head method combined correlation code with time of day, which contains synchronous interval information. This paper mainly studies frame format of FH synchronization, synchronization of FH pattern, FH tracking, and so on. The performance of synchronization shows that the time of initial synchronization in FH communication system meets the requirements. In addition, simulation under the gauss white noise channel and tactical channel indicates that the system has high capture probability.

Key Wordsself synchronization, FH tracking, synchronous interval, FH synchronization information

Class NumberTN91

1引言

跳頻通信是現(xiàn)代通信領(lǐng)域中一種有效的抗干擾通信手段。對(duì)于中低速跳頻通信形成直接的威脅主要有跟蹤式干擾或轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。能夠有效對(duì)抗這種干擾的措施是提高跳速。這樣研究高速跳頻通信系統(tǒng)成為了必然[1]。跳頻同步建立的快慢和同步系統(tǒng)的抗干擾能力,直接影響跳頻系統(tǒng)的性能,跳頻同步的實(shí)現(xiàn)是跳頻通信的難點(diǎn)。

跳頻同步的關(guān)鍵是跳頻圖案的同步,常用的跳頻同步方法有獨(dú)立信道法、參考時(shí)鐘法、同步字頭法、自同步法[2]。獨(dú)立信道法利用專門的信道來(lái)傳送同步信息,易于被敵方發(fā)現(xiàn)和干擾。參考時(shí)鐘法需要高精度時(shí)鐘進(jìn)行同步,在實(shí)際應(yīng)用中較少使用。同步字頭法在跳頻通信之前,選定一個(gè)或幾個(gè)頻道,先傳送一組特殊的攜帶同步信息的碼字,為了使同步信息隱蔽,應(yīng)采用盡量短的同步字頭,但是同步字頭太短又影響傳送的同步信息量,需折衷考慮[3]。自同步法是利用發(fā)端發(fā)送的數(shù)字信息序列中隱含的同步信息,在接收端將其提取出來(lái)從而獲得同步信息實(shí)現(xiàn)跳頻,具有節(jié)省信道、節(jié)省信號(hào)功率和同步信息隱蔽等優(yōu)點(diǎn),但由于發(fā)端發(fā)送的同步信息序列中包含信息有限,所以此法只適用于跳頻序列較短的情況[4]。基于自同步法,本文提出了一種適用于超短波信道的跳頻同步方法,可以保持簡(jiǎn)單快速的跳頻同步,仿真結(jié)果表明該跳頻通信系統(tǒng)的初始同步時(shí)間能夠滿足需求,并且在高斯白噪聲信道以及戰(zhàn)術(shù)信道具備良好的捕獲概率。

2跳頻同步方法

跳頻自同步法利用發(fā)端發(fā)送的數(shù)字信息序列中隱含的同步信息,在接收端將其提取出來(lái)從而獲得同步信息實(shí)現(xiàn)跳頻,其跳頻同步信息包含頻率信息(相關(guān)碼)[5]、時(shí)間信息(time of day,TOD)[6]、前導(dǎo)序列以及其他信息,其中頻率與相關(guān)碼為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,其跳頻信息幀格式如圖1所示。

圖1　跳頻信息幀格式

TOD信息是一個(gè)時(shí)間變量,隨時(shí)間的變化而變化,它是由一高精度時(shí)鐘提供。收發(fā)雙方的TOD信息保持完全一致是跳頻圖案同步的關(guān)鍵,TOD信息分為高位TODH以及低位TODL,分別以分鐘、跳數(shù)為單位[7]。接收單TODH信息通過粗同步捕獲修正,TODL通過同步信息進(jìn)行傳輸,以達(dá)到與發(fā)送端TOD信息一致,從而實(shí)現(xiàn)跳頻同步。

假定收發(fā)雙方依據(jù)TOD信息劃分為若干個(gè)同步時(shí)隙(synchronous interval,SI),每個(gè)同步時(shí)隙在一組跳頻頻率集上工作,即收發(fā)雙方根據(jù)TOD信息計(jì)算,每間隔SI更新一組頻率集進(jìn)行跳頻工作[8],其中每組頻率集包含兩個(gè)頻率。無(wú)業(yè)務(wù)工作時(shí),接收端在當(dāng)前頻率集上進(jìn)行跳頻值守,業(yè)務(wù)發(fā)起時(shí),發(fā)送端使用前一SI、現(xiàn)SI、后一SI對(duì)應(yīng)的三組頻率集共六個(gè)頻率作為一組頻率集進(jìn)行工作,其跳頻頻率集如圖2所示。

圖2　業(yè)務(wù)發(fā)起時(shí),發(fā)送端跳頻頻率集

收發(fā)雙方通過TOD信息計(jì)算自己的跳頻頻率,采用快發(fā)慢收的掃描方式。收發(fā)雙方的跳頻工作模式如圖3所示,其中假設(shè)收發(fā)雙方本地時(shí)間偏差t0,接收端根據(jù)本地TOD信息在值守頻率上等待接收跳頻信號(hào),并捕獲其對(duì)應(yīng)的相關(guān)碼。當(dāng)發(fā)送端按下握話器(push to talk,PTT)時(shí),先根據(jù)本地TOD信息計(jì)算跳頻圖案,并依次切換頻率發(fā)送跳頻同步信息。

圖3　收發(fā)雙方跳頻工作模式

當(dāng)接收端捕獲第一個(gè)相關(guān)碼后解析TOD信息,并轉(zhuǎn)為跳速同步跟跳模式,其工作方式如圖4所示。

圖4　接收端捕獲跟跳模式

3仿真分析

仿真采用與實(shí)際電臺(tái)相近的參數(shù),設(shè)定同步時(shí)隙為20s,設(shè)置跳頻頻點(diǎn)數(shù)為6個(gè),負(fù)荷跳頻同步信息的基帶波形采用BPSK調(diào)制,其符號(hào)速率為20kbps,針對(duì)初始同步時(shí)間以及同步概率分別進(jìn)行仿真分析。

3.1初始同步時(shí)間

初始同步時(shí)間是接收端接收初始同步信息完成跳頻同步所需的時(shí)間,它與同步信息幀跳數(shù)和電臺(tái)跳頻速率的關(guān)系為

Ts=N/Rh

(1)

式中,N為同步信息幀的跳數(shù),Rh為跳頻速率。本文中N=16,Rh=111h/s,因此可知本文同步方案中同步時(shí)間T<0.15s,滿足話音電臺(tái)對(duì)同步時(shí)間的要求[9]。

3.2同步概率

在高斯白噪聲條件下對(duì)同步概率進(jìn)行仿真,設(shè)定其信噪比范圍為[-7,1]dB,同步概率性能曲線如圖5所示。當(dāng)信噪比為-3dB時(shí),同步概率基本趨近于1;信噪比下降到-6dB時(shí),同步概率還可以達(dá)到0.7,可得信噪比大于-6dB時(shí),算法同步性能優(yōu)異。

同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,仿真該同步方法在戰(zhàn)術(shù)信道條件下的同步性能[10],其性能曲線如圖6所示。相比在高斯噪聲信道下,同步性能有所下降,當(dāng)信噪比為0dB時(shí),同步概率才能趨近于1;當(dāng)信噪比為-5dB時(shí),同步概率還可以保證0.5以上,說(shuō)明該算法可以滿足跳頻電臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用中的通信需求。

圖5　高斯白噪聲信道下的同步概率

圖6　戰(zhàn)術(shù)信道下不同信噪比時(shí)的同步概率

4結(jié)語(yǔ)

本文描述了一種基于自同步法的跳頻同步方法,利用跳頻同步信息中攜帶的相關(guān)碼和TOD信息,實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、快速的初始同步。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中收發(fā)雙方時(shí)間校準(zhǔn)偏差的不確定因素,可以通過改變同步時(shí)隙參數(shù)適應(yīng)不同的電臺(tái)。仿真分析結(jié)果驗(yàn)證了同步方法的可行性,初始同步時(shí)間和同步概率滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求,達(dá)到了預(yù)期的目的。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 梅文華,王淑波,邱永紅,等.跳頻通信[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:8-9.

[2] 金坤,等.基于ITD的跳頻信號(hào)跳速估計(jì)算法[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011,33(1):166-169.

[3] 張寶強(qiáng).高速跳頻的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2010:33-34.

[4] 李勝峰.通用超短波跳頻電臺(tái)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程,2012,8:58-60.

[5] F. Liu, D. Peng, Z C Zhou. New Constructions of Optimal Frequency Hopping Sequences with New Parameters[J]. Advances in Mathematics of Communications,2013,7(1):91-101.

[6] 王壯,余國(guó)文.基于時(shí)間信息(TOD)的跳頻通信系統(tǒng)仿真[J].艦船電子工程,2012,9:95-97.

[7] 項(xiàng)加林.跳頻通信同步技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008:31-32.

[8] 陳波,李曉,杜秀麗,等.快慢速跳頻的同步技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2014,31(3):226.

[9] 黃璽.基于超短波電臺(tái)實(shí)現(xiàn)跳頻話音通信的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2010:48.

[10] Berger, G. L. Safer, H. Performance of tactical VHF FH-radios referring to radio channel measurements[C]//Military Communications Conference. 1998. MILCOM 98. Proceedings., IEEE,1998,1:223-227.

中圖分類號(hào)TN91

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.022

作者簡(jiǎn)介:丁昊成,男,碩士,研究方向:移動(dòng)通信和跳頻通信。彭軍偉,男,博士,研究方向:認(rèn)知無(wú)線電。楊平,男,研究員,博士生導(dǎo)師,研究方向:通信與信息系統(tǒng),無(wú)線通信等。

*收稿日期:2015年7月7日,修回日期:2015年8月25日