寬帶跳頻信號捕獲分析方法研究

傅旭紅

摘? ?要：跳頻通信系統在軍事、雷達通信等領域應用廣泛。在電子對抗戰中，跳頻通信技術可用于保障通信的穩定。在民用通信領域中，如家庭射頻、無線個人局域網中，利用跳頻通信技術能夠實現可靠的抗干擾數據傳輸。快速、準確地實現跳頻同步是跳頻通信系統正常運行的基礎。跳頻同步又分為同步捕獲和同步跟蹤兩個階段。文章主要對寬帶跳頻信號捕獲分析方法進行研究。

關鍵詞：跳頻通信系統;民用通信;跳頻同步;跳頻信號捕獲;跳頻快速捕獲

跳頻通信系統具有抗干擾、抗衰落、低截獲等優勢。第一個實用跳頻通信系統于1963年應用于美軍指揮艦上，用于對抗敵對干擾。自此以后，跳頻通信技術得到了持續的發展與廣泛應用，在電磁環境復雜、 惡劣的電子對抗戰中，在民用通信領域等，均利用跳頻通信技術完成抗干擾數據傳輸。跳頻同步作為跳頻通信系統正常工作的必要條件，是使收發兩端頻率跳變規律完全一致，要求頻率一致、相位一致，并具有很強的抗干擾性、通信實時性。跳頻同步分同步捕獲和同步跟蹤兩個階段。同步捕獲是在1/2個頻隙寬度的精度上完成粗同步，同步跟蹤是完成進一步的精確同步、相位實時鎖定。同步捕獲的性能在很大程度上決定了同步系統的性能，自跳頻通信系統問世以來，關于跳頻信號同步捕獲的研究從未停止，研究成果也較為顯著[1]。

1? ? 寬帶跳頻信號的常見捕獲方式分析

寬帶跳頻信號的常見捕獲方式有等待法、匹配濾波器捕獲、滑動相關法。等待法捕獲是將本地頻率合成器輸出固定于跳頻圖案的某一頻點，接收到對應頻率信號時，可通過混頻濾波輸出中頻信號。等待法捕獲方式的捕獲時間與跳頻偽碼周期之間呈正比。

匹配濾波器是在接收端設置N個頻率合成器，其中，N是跳頻圖案中所有頻點的數量，采用匹配濾波器捕獲能夠較快實現跳頻快速捕獲。因采用頻率的合成器較多，導致應用匹配濾波器捕獲的成本較高。當寬帶跳頻通信系統處于同步狀態時，僅需要一個頻率合成器工作，從而導致資源浪費。在系統結構復雜度方面，匹配濾波法捕獲需要由多條混頻、濾波、檢波、二值判決等組成相關支路[2]。

滑動相關法捕獲應用的原理為在本地頻率合成器頻率輸出、發端的頻率跳變完全一致時，經混頻后即輸出中頻，包絡檢波后輸出值較大。按包絡檢波輸出可判斷頻隙收發端跳頻頻點、頻率相同與否。對跳頻序列周期內判決結果可進行累加統計，以統計計數結果控制搜索指令，計數器輸出超出預定門限值則捕獲成功，計數器輸出低于門限值則視為本地頻率合成器頻率跳變規律與發送方不一致，可通過搜索指令對本地跳頻序列進行相移后，進行跳頻周期相關運算，直至捕獲成功[3]。在系統結構的復雜度上，滑動相關法捕獲需要一條混頻、濾波、檢波、二值判決等組成的相關支路，系統結構簡單，故滑動相關法捕獲應用較為廣泛。

2? ? 寬帶跳頻信號的捕獲方法優化研究

2.1? 寬帶跳頻信號捕獲方法優化的必要性

為了提高抗干擾能力，現代雷達、通信系統的跳頻帶寬已提高至幾十兆赫茲、幾百兆赫茲，跳變速率達到千跳/s以上，高速跳變信號捕獲在通信、電臺設備維護、電子對抗中有著重要的意義。常用的寬帶跳頻信號捕獲分析方法具有很大的分析帶寬，但因自身掃頻設計，需按照一定頻率步進按照時間順序進行掃描，導致可能遺漏當前掃描位置、時間外信號信息等，僅適用于分析頻率特性較穩定的信號。常用寬帶跳頻信號捕獲只能保留頻率、幅度信息，無法反映跳頻信號隨著時間變化的特性，使得掃頻方式不能完全捕獲快速跳頻信號，無法實現對跳頻信號參數的精確分析。

對寬帶跳頻信號捕獲方法進行優化，實現寬帶跳頻信號實時快速捕獲分析，可利用寬帶采樣、寬帶豐富的觸發功能、寬帶高速處理特性，實時、快速地計算出寬帶跳頻參數，同時，將信號無縫捕獲至存儲內存中，并能夠對已捕獲信號進行分析，如頻域分析、時域分析、調制域分析。實時快速寬帶跳頻信號捕獲方式涉及發射端、信道、接收端幾個部分，包含跳頻碼發生器、頻率合成器、跳頻同步控制器、基帶調制器、跳頻調制器、跳頻解調器、信道等。其中，跳頻碼發生器可產生偽隨機碼序列，頻率合成器能在高精度參考頻率下產生一系列離散頻率，跳頻同步控制器為快速跳頻通信系統，基帶調制器與解調器則決定著基帶數據調制解調的方式[4]。實時快速寬帶跳頻信號捕獲兼具跳頻系統的所有優點，傳輸同樣信息信號時需要的傳輸帶寬遠遠超過常規通信系統中各種調制方式需要的帶寬，即便在低信噪比下，信道也能在相同容量下傳送信息，并具有抗人為干擾、抗多徑干擾、抗窄帶干擾等特點，目前對寬帶跳頻系統造成最大威脅的是頻率跟蹤式干擾，應用實時快速寬帶跳頻信號捕獲，當跳頻速率足夠高時，如跳頻速率超過一萬次/s則能夠有效對抗頻率跟蹤式干擾。借助實時快速寬帶跳頻信號，捕獲每個數據碼元在不同頻率上的傳輸，當頻率最小間隔>信道帶寬，則頻率分集可獲得抗多徑干擾能力[5-7]。

2.2? 寬帶跳頻信號捕獲方法優化方法

基于寬帶跳頻信號捕獲方法優化，建立實時快速寬帶跳頻信號捕獲方法，可采用匹配濾波器進行直擴偽碼的捕獲，在抗干擾性能上，匹配濾波器具有最高級別的抗干擾性，基于匹配濾波器法實現寬帶跳頻信號捕獲方法的優化是可行的。為了提高系統的抗干擾性和保密性，使得信息不容易被干擾者截取和篡改，可以使跳頻周期延長并且采用多達十幾年跳頻周期不重復的方法來對抗干擾。這種長周期的跳頻序列用傳統的方法不易實現，系統用高穩定度的時鐘源作為標準，把時間用計數器遞增排列，用移位寄存器產生TOD（Time of Day）序列，然后用分組加密算法對序列加密后由跳頻密鑰控制其產生跳頻圖案。TOD通過收發雙方根據本地的高精度時鐘各自產生，具有獨立性。由于收發雙方的時間不可能完全相同，所以兩者的TOD信息有可能不同，從而導致兩者的頻率跳變規律也不同，使得收發雙方不能同步，無法解調信息。發送端將本地的TOD信息作為發送內容的一部分給收端，收端進行捕獲后解出發端的TOD信息，然后根據此信息調整本端的TOD信息，使得兩端的TOD一致，完成后續同步跟蹤過程。TOD信息由高位TODH和低位TODL組成，TODH以分鐘為單位計時，完成系統的粗同步，而TODL以每跳的時間為單位計時，當計滿一分鐘時低位就向高位進一位，完成系統的精同步。基于TOD的同步包含前導序列、幀同步信息、TODL信息以及網號信息[8]。

前導序列是在與TOD信息相對應的頻率上進行發送的，假定系統有n個跳頻頻率，分別是f1，f2…fn，與n個相關碼序列相對應。低軌衛星將本地時間信息轉化為TODHs信息后，n個時間信息TODHs-i（i=0，1，2…n-1）按照算法計算出的n個同步頭頻率為fi（i=0，1，2…n-1）。如果收發雙方的時間差在一分鐘之內，則兩者的TODH相同，超過一分鐘則更新一個頻率，超過n分鐘則所有頻率被更新。收端借鑒匹配濾波法，先設置n條支路進行信號搜索，不同的支路根據不同的起始頻率有規律地跳變，它的后一支路的起始頻率則為該支路起始頻率的下一個頻率。比如第一條支路的頻率按照f1，f2…fn進行跳變，第二條支路的頻率按照f2，f3…fn，f1進行跳變，其他支路參照該情況。收端采用接收速率為發端1/（n+1）的速率對發送端相關碼的頻率進行掃描，每個支路中接收到的信號與本地頻率發生器產生的中頻信號混頻并通過中頻濾波器濾波后進行平方檢測。若發送時間與接收時間的間隔大于一跳間隔，中頻濾波器的輸出則為0;否則，在中頻濾波器帶寬內，有信號通過濾波器，經過峰值檢測得到對應的相關碼。同時，為了防止虛警，需要對其后K跳也進行相關峰值檢測，如果收到的L個相關碼大于K/2，則表示捕獲成功，否則不成功，再重新進行掃描。收端根據檢測到的相關碼根據頻率表找出對應的頻率值編號，然后計算出本地頻率值編號與發端頻率值編號的差值，并用該差值與本地TODH的值計算得出發端的TODH值，從而轉入跟蹤階段（見圖1）。

3? ? 結語

匹配濾波器法、滑動相關法、等待搜索法等是現階段寬帶跳頻信號捕獲的常用方式，其中，匹配濾波器法具有最高級別的抗干擾性能。在寬帶跳頻信號捕獲分析中，以常用信號捕獲方式為基礎，構建寬帶跳頻信號捕獲分析的優化方法，充分利用匹配濾波器捕獲、等待搜索法捕獲等方式，通過高速數字處理與信號觸發能力，對寬帶跳頻信號進行分析，這些是常用捕獲方式難以實現的。利用TOD時間信息與匹配濾波器相結合進行實時、快速寬帶跳頻信號的捕獲方法具有處理能力強、速率高等優勢，且具有強抗干擾、快速捕獲、結構簡單、易于實現等特性，能夠縮短跳頻快速捕獲時間，使接收機短時期內建立起系統的快速同步。相信伴隨著對寬帶跳頻信號捕獲分析方法研究的深入，未來能夠出現更加理想的跳頻信號捕獲方法，兼具匹配濾波法的快速捕獲速度、滑動相關法的簡單系統結構，同時，保持最高級別的抗干擾性。

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Research on acquisition and analysis method of broadband frequency hopping signal

Fu Xuhong

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：The frequency hopping communication system is widely used in the fields of military and radar communication. The frequency-hopping communication technology can be used to guarantee the stability of the communication in the war of resistance to the war. In the field of civil communication， such as home radio frequency and wireless personal area network， reliable anti-interference data transmission can be realized by using frequency hopping communication technology. Fast and accurate frequency hopping synchronization is the basis of the normal operation of the frequency hopping communication system. The frequency hopping synchronization is divided into two phases： synchronous capture and synchronous tracking. In this paper， the analysis and analysis method of the wideband frequency hopping signal is mainly studied.

Key words：frequency hopping communication system; civil communication; frequency hopping synchronization; frequency hopping signal acquisition; frequency hopping fast acquisition