一種跳頻電臺組網中跳頻圖案的同步方法

范真真，張笑宇

(1 山東輕工職業學院信息工程系，山東淄博 255300;2 山東特種工業集團有限公司軍品研究所,山東淄博 255200;3 沈陽理工大學研究生院,沈陽 110159)

0 引言

跳頻通信技術依靠偽隨機碼(PN碼)對跳頻信號的頻帶展寬，與傳統通信技術相比具有良好的三抗(抗截獲性、抗干擾性和抗衰落性)通信優勢，憑借優秀的抗截獲和抗干擾能力，跳頻技術通常應用在復雜多變的信息化戰場環境的電臺組網中[1]。隨著信息對抗技術的不斷發展，具有更強可靠性和安全性的高速跳頻技術出現在信息化戰場電臺組網中，典型的高速跳頻通信系統有CHESS電臺、MILSTAR、AFASTCOM通信系統[2-3]。

目前，常見的跳頻電臺組網中的同步技術有：獨立信道法、參考時鐘法、自同步法和同步字頭法等[4-5]。獨立信道法占用的跳頻頻率頻譜資源較高，同步信息存在抗截獲和抗干擾能力弱的缺點；參考時鐘法高精度的參考時鐘設計成本高，在電臺組網中難以應用；自同步法由于電臺組網請求信號發送的隱藏同步信息有限，電臺組網中存在時耗長的缺點；同步字頭法在電臺組網時速度快、易實現，但需要占用跳頻電臺組網信道額外的頻率和信號功率資源。

跳頻技術雖可通過高速跳頻獲得跳頻處理增益，但組網過程中跳速高，駐留時間短，如何快速穩定實現跳頻電臺組網的跳頻圖案同步成為技術難題。文中依據跳頻通信機理，針對目前跳頻圖案同步方法的優缺點，提出一種等待搜索和快速掃描法相聯合的跳頻圖案同步方法。

1 跳頻系統機理

跳頻電臺組網中發射機和接收機的主要工作模塊為跳頻發生器和頻率同步器[6]。其中，跳頻序列發生器主要用于產生偽隨機序列，頻率合成器主要用于合成所需要的載波頻率[7]。跳頻接收機則主要通過頻率同步器實現載波頻率的同步，完成信息傳輸?；驹砣鐖D1所示。

圖1 跳頻通信系統原理圖

跳頻發射機通過預編碼、信息調制和跳頻二次調制后將組網信息進行發送。接收機發現了電臺組網請求后，無法立即完成解跳和解調，跳頻電臺同步環路需要首先完成各組網單位間的跳頻圖案同步[8]。因此，跳頻圖案同步是信息化戰場跳頻電臺間能否組網成功的先決條件。

2 跳頻圖案同步方法

2.1 等待搜索法

等待搜索法的基本工作原理是電臺信號在跳頻頻點集的固定頻率上等待，當組網電臺經過混頻、濾波預處理判決后，超出門限值，則表示組網成功，否則繼續等待。以圖2為例：跳頻電臺組網請求信號頻率變化順序為{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，電臺接收機在頻率f9上固定等待，當判決超過預先設定的門限時表示搜索頻率成功，當搜索到起始組網頻率后，跳頻電臺接收機的跳速調整到組網請求信號相同的跳速。

圖2 等待搜索法搜索圖

2.2 慢速掃描法

慢速掃描法的基本工作原理是跳頻電臺接收機跳速是組網請求信號跳速的N分之一，其中N小于跳頻頻點集里跳頻頻點數目。以N=8的圖3為例：跳頻電臺組網請求信號頻率變化順序為{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，電臺接收機頻率按圖3中間所示的規律跳變，電臺接收機經過8跳的駐留時間后改變至下一頻率。當電臺頻率為f10時，即在第二個跳頻周期，判決超過預先設定的門限時表示搜索頻率成功。當慢速掃描法搜索到起始組網頻率后，跳頻電臺接收機的跳速調整到組網請求信號相同的跳速。

圖3 慢速掃描法搜索圖

2.3 快速掃描法

快速掃描法的基本工作原理與慢速掃描法不同，跳頻電臺接收機跳速是組網請求信號跳速的M倍，以M=2的圖4為例：跳頻電臺組網請求信號頻率變化順序為{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，電臺接收機頻率按圖4中間所示的規律跳變，搜索頻率表分成A/M組，A為組網頻點集的頻點數目，此時A/M=5，分別為{f1,f6},{f2,f7},{f3,f8},{f4,f9},{f5,f10}。當電臺頻率組為{f5,f10}時，即在第一個跳頻周期，判決超過預先設定的門限時表示搜索頻率成功。當快速掃描法搜索到起始組網頻率后，跳頻電臺接收機的跳速調整到組網請求信號相同的跳速。

圖4 快速掃描法搜索圖

2.4 聯合同步法

針對以上跳頻圖案同步方法的優缺點，提出一種等待搜索法與快速掃描法相結合的聯合同步法，其基本工作原理是跳頻電臺接收機跳速是組網請求信號跳速的T倍，以T=A=10的圖5為例:跳頻電臺組網請求信號頻率變化順序為{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}，電臺接收機頻率按圖5中間所示的規律跳變，{f1,f2,f3,f4,f5,f6,f7,f8,f9,f10}即在第一個跳頻周期，判決超過預先設定的門限時表示搜索頻率成功。當聯合同步法搜索到起始組網頻率后，跳頻電臺接收機的跳速調整到組網請求信號相同的跳速。

圖5 聯合同步法搜索圖

3 仿真分析

在MATLAB 7.1軟件環境下對跳頻電臺組網中的跳頻圖案同步法進行仿真驗證。具體的仿真參數：組網信號的中頻為51.25 MHz；采樣頻率為10.25 GHz；跳駐留時間為6.4 μs；跳間隔為6.6 μs；跳周期為13 μs；跳速為76 923 hop/s；PN碼為M碼；調制方式為MSK；跳頻電臺接收到的前8個組網請求頻率為{0.917 GHz,1.001 GHz,0.938 GHz,1.082 GHz,1.124 GHz,1.148 GHz,1.061 GHz,1.103 GHz}。電臺接收機接收頻率為1.051 GHz的電臺信號與組網請求信號經混頻、濾波的仿真結果如圖6所示。

圖6(a)是電臺信號與第一跳請求信號的混頻、濾波結果圖，其中電臺信號的載波頻率為1.051 GHz、請求信號的載波頻率為0.917 GHz，濾波并經過能量積分后最大信號幅度值為0.005 V。圖6(b)是電臺信號與第七跳請求信號的混頻、濾波結果圖，其中電臺信號的載波頻率為1.051 GHz、請求信號的載波頻率為1.061 GHz，濾波并經過能量積分后最大信號幅度值為0.01 V。

圖6 跳頻信號混頻、濾波處理結果

經過混頻、濾波并經過能量積分后的聯合同步法在跳頻電臺組網跳頻圖案同步的結果如圖7所示。

由圖7中的結果可知，跳頻電臺組網跳頻圖案同步中能量積分最大值出現在7號頻點，能量積分值超過0.2 V，其他頻點的能量積分均小于0.001 V。通過設定適當的判決門限即可完成跳頻電臺組網的跳頻圖案同步。由以上仿真結果及分析，可驗證電臺組網中聯合同步法跳頻圖案同步的正確性和有效性。

圖7 聯合同步法跳頻圖案同步結果

為驗證提出的電臺組網跳頻圖案同步性能，在5 dB信噪比條件下，對提出的聯合同步方法與傳統的等待搜索法、慢速掃描法及快速掃描法進行對比驗證。

跳頻電臺組網中4種跳頻圖案同步法的頻率掃描結果如圖8所示，在電臺信號與組網信號頻點不相同時四種方法的能量積分值均較?。辉陔娕_信號與組網信號的頻點相同時，四種方法的能量積分值較大，通過合理的門限，均可有效完成跳頻電臺組網的跳頻圖案同步，且聯合同步方法的搜索步長最小，跳頻圖案同步時間最短。

圖8 4種跳頻圖案同步頻率掃描結果

進一步從平均捕獲時間驗證文中提出方法的性能，在不同信噪比條件下，對提出的聯合同步方法與傳統的等待搜索法、慢速掃描法及快速掃描法進行對比驗證。

4種跳頻圖案同步法的平均捕獲時間對比結果如圖9所示。聯合同步法跳頻圖案同步法的平均捕獲時間最短；快速掃描法的平均捕獲時間略大于聯合同步方法；等待搜索法和慢速掃描的電臺組網同步時間均較長。因此，文中提出的聯合同步法的跳頻圖案同步性能優于傳統的方法。

圖9 4種方法平均捕獲時間對比結果

4 結論

依據跳頻通信機理，針對目前跳頻圖案各同步方法的優缺點，為快速穩定的實現跳頻系統的跳頻圖案同步，提出一種等待搜索和快速掃描相聯合的跳頻圖案同步方法。仿真結果表明，聯合同步法能有效的完成跳頻電臺組網時的跳頻圖案同步，且跳頻圖案同步時間優于傳統的其他方法。